2021.08.25.A digitális képalkotás világában kevés technikai tényező befolyásolja annyira a képminőséget, mint az érzékelőben található elektronikus zár típusa. Akár nagy sebességű ipari folyamatokat fényképez, akár filmes jeleneteket filmez, akár halvány csillagászati jelenségeket örökít meg, a CMOS kamerában található zártechnológia kritikus szerepet játszik abban, hogy milyen lesz a végső kép.
A CMOS elektronikus zárak két domináns típusa, a globális zárak és a gördülő zárak, nagyon eltérő megközelítést alkalmaznak a szenzor fényének expozíciójára és leolvasására. A különbségek, erősségeik és kompromisszumaik megértése elengedhetetlen, ha a képalkotó rendszert az alkalmazáshoz szeretné illeszteni.
Ez a cikk elmagyarázza, mik azok a CMOS elektronikus redőnyök, hogyan működnek a globális és a gördülő redőnyök, hogyan teljesítenek valós helyzetekben, és hogyan döntheti el, melyik a legmegfelelőbb az Ön számára.
Mik azok a CMOS elektronikus redőnyök?
A CMOS érzékelő a legtöbb modern fényképezőgép lelke. Feladata a bejövő fény elektromos jelekké alakítása, amelyekből kép készülhet. A „zár” egy…CMOS kameranem feltétlenül mechanikus függöny – sok modern kialakítás elektronikus zárra támaszkodik, amely szabályozza, hogy a pixelek hogyan és mikor rögzítik a fényt.
Egy mechanikus zárral ellentétben, amely fizikailag blokkolja a fényt, az elektronikus zár úgy működik, hogy elindítja és leállítja a töltés áramlását az egyes pixeleken belül. A CMOS képalkotásban két fő elektronikus zárarchitektúra létezik: a globális zár és a gördülő zár.
Miért fontos a megkülönböztetés? Mert az expozíció és a leolvasás módja közvetlenül befolyásolja:
● Mozgásrenderelés és torzítás
● Képélesség
● Alacsony fényérzékenység
● Képkockasebesség és késleltetés
● Általános alkalmasság különféle fényképezéshez, videózáshoz és tudományos képalkotáshoz
A globális zár megértése
Forrás: GMAX3405 globális zárérzékelő
Hogyan működik a globális zár
A CMOS Global záras kamerák az egész érzékelőn egyszerre kezdik és fejezik be az expozíciót. Ezt pixelenként 5 vagy több tranzisztor, valamint egy „tárolómód” segítségével érik el, amely a kiolvasás során tárolja a felvett fotoelektron töltéseket. Az expozíció sorrendje a következő:
1. Kezdje el az expozíciót egyszerre minden képpontban a felvett töltések földelésre küldésével.
2. Várja meg a kiválasztott expozíciós időt.
3. Az expozíció végén helyezze át a felvett töltéseket az egyes pixelek tároló csomópontjába, ezzel befejezve az adott képkocka expozícióját.
4. Sorról sorra mozgasd az elektronokat a pixel kiolvasó kondenzátorába, és a felhalmozott feszültséget továbbítsd a kiolvasó architektúrának, ami az analóg-digitális átalakítókban (ADC-kben) csúcsosodik ki. A következő expozíció jellemzően ezzel a lépéssel egyidejűleg végezhető el.
A globális zár előnyei
● Nincs mozgástorzítás – A mozgó témák megőrzik alakjukat és geometriájukat a szekvenciális kiolvasásnál előforduló ferdeség vagy remegés nélkül.
● Nagysebességű rögzítés – Ideális a mozgás megörökítésére gyorsan mozgó jelenetekben, például sportban, robotikában vagy gyártási minőségellenőrzésben.
● Alacsony késleltetés – Minden képadat egyszerre elérhető, így pontos szinkronizálást tesz lehetővé a külső eseményekkel, például lézerimpulzusokkal vagy stroboszkópokkal.
A globális zár korlátai
● Alacsonyabb fényérzékenység – Néhány globális zárkioldó pixelkialakítás feláldozza a fénygyűjtés hatékonyságát az egyidejű expozícióhoz szükséges áramkörök elhelyezése érdekében.
● Magasabb költségek és bonyolultabb működés – A gyártás nagyobb kihívást jelent, ami gyakran magasabb árakat eredményez a redőnyös társaihoz képest.
● Megnövekedett zaj lehetősége – Az érzékelő kialakításától függően a pixelenkénti extra elektronika kissé magasabb olvasási zajt okozhat.
A redőny megértése
Hogyan működik a redőny
Csupán 4 tranzisztort és tárolócsomópontot nem használva, ez az egyszerűbb CMOS pixelkialakítás bonyolultabb elektronikus zárműködést eredményez. A gördülő zár pixelei soronként indítják és állítják le az érzékelő expozícióját, „lefelé gördülve” az érzékelőn. Minden expozíciónál az ellenkező sorrendet követjük (az ábrán is látható):
Ábra: Rolling shutter folyamat egy 6x6 pixeles kameraérzékelőhöz
Az első képkocka expozíciója (sárga) a szenzor tetején kezdődik, soronként egy sor sebességgel lefelé haladva. Miután a felső sor expozíciója befejeződött, a kijelzés (lila), majd a következő expozíció kezdete (kék) végigsöpör a szenzoron.
1. Kezdje az érzékelő felső sorának expozícióját a felvett töltések földelésével.
2. Miután letelt a „soridő”, lépjen a szenzor második sorába, és kezdje el az expozíciót, ismételve a folyamatot az érzékelőn lefelé.
3. Miután a kért expozíciós idő lejárt a felső sorban, fejezze be az expozíciót a felvett töltések kiolvasó architektúrán keresztüli elküldésével. Az ehhez szükséges időt a „soridőnek” nevezzük.
4. Amint egy sor kiolvasása befejeződött, a készülék készen áll az expozíció újrakezdésére az 1. lépéstől, még akkor is, ha ez átfedést jelent az előző expozíciót végző többi sorral.
A redőny előnyei
●Jobb teljesítmény gyenge fényviszonyok mellett– A pixeldizájnok előnyben részesíthetik a fénygyűjtést, javítva a jel-zaj arányt gyenge fényviszonyok mellett.
●Magasabb dinamikatartomány– A szekvenciális kiolvasású kialakítások kecsesebben kezelik a világosabb kiemeléseket és a sötétebb árnyékokat.
●Megfizethetőbb– A gördülő záras CMOS érzékelők gyakoribbak és költséghatékonyabban gyárthatók.
A gördülő redőny korlátai
●Mozgási műtermékek– A gyorsan mozgó témák ferdének vagy görbültnek tűnhetnek, ezt „gördülő zárhatásnak” nevezik.
●Jello effektus videóban– A kézi felvételek rezgése vagy gyors pásztázása a kép remegését okozhatja.
●Szinkronizációs kihívások– Kevésbé ideális olyan alkalmazásokhoz, amelyek külső eseményekkel való pontos időzítést igényelnek.
Globális vs. Rolling Shutter: Összehasonlítás egymás mellett
Íme egy átfogó áttekintés a redőnyök és a globális redőnyök összehasonlításáról:
| Jellemző | Redőny | Globális zár |
| Pixel Design | 4 tranzisztoros (4T), nincs tároló csomópont | 5+ tranzisztor, beleértve a tárolócsomópontot |
| Fényérzékenység | Magasabb kitöltési tényező, könnyen adaptálható hátulról megvilágított formátumhoz → magasabb QE | Alacsonyabb kitöltési tényező, összetettebb BSI |
| Zajszint | Általában alacsonyabb olvasási zaj | Kissé magasabb zajszint a hozzáadott áramkörök miatt |
| Mozgás torzítása | Lehetséges (ferdeség, billegés, zseléhatás) | Nincs – az összes képpont egyszerre exponálódik |
| Sebességpotenciál | Átfedheti az expozíciókat és több sort is beolvashat; egyes tervekben gyakran gyorsabb | A teljes képkockás kiolvasás korlátozza, bár a megosztott kiolvasás segíthet |
| Költség | Alacsonyabb gyártási költség | Magasabb gyártási költség |
| Legjobb felhasználási esetek | Gyenge fényviszonyok melletti képalkotás, operatőri munka, általános fényképezés | Nagysebességű mozgásrögzítés, ipari ellenőrzés, precíziós méréstechnika |
Alapvető teljesítménybeli különbségek
A gördülő záras pixelek jellemzően 4 tranzisztoros (4T) kialakítást használnak tárolócsomópont nélkül, míg a globális zárakhoz pixelenként 5 vagy több tranzisztorra van szükség, plusz további áramkörökre a fotoelektronok tárolására a kiolvasás előtt.
●Kitöltési tényező és érzékenység– Az egyszerűbb 4T architektúra magasabb pixelkitöltési tényezőt tesz lehetővé, ami azt jelenti, hogy az egyes pixelek felületének nagyobb része a fénygyűjtésre szolgál. Ez a kialakítás, azzal a ténnyel kombinálva, hogy a gördülő záras érzékelők könnyebben adaptálhatók háttérvilágítású formátumra, gyakran nagyobb kvantumhatásfokot eredményez.
●Zajszint– A kevesebb tranzisztor és a kevésbé összetett áramkörök általában azt jelentik, hogy a gördülő redőnyök alacsonyabb olvasási zajt produkálnak, így jobban megfelelnek a gyenge fényviszonyok melletti alkalmazásokhoz.
●Sebességpotenciál– A gördülő redőnyök bizonyos architektúrákban gyorsabbak lehetnek, mivel lehetővé teszik az expozíció és a kiolvasás átfedését, bár ez nagymértékben függ az érzékelő kialakításától és a kiolvasó elektronikától.
Költség és gyártás – A gördülő záras pixelek egyszerűsége jellemzően alacsonyabb gyártási költségeket eredményez a globális zárakhoz képest.
Speciális szempontok és technikák
Pszeudo-globális zár
Azokban az esetekben, amikor pontosan szabályozható, hogy a fény mikor éri az érzékelőt – például hardveresen vezérelt LED vagy lézer fényforrás használata esetén –, „globális-szerű” eredményeket érhet el a gördülő zárral. Ez a pszeudo-globális zármódszer szinkronizálja a megvilágítást az expozíciós ablakkal, minimalizálva a mozgásból eredő műtermékeket anélkül, hogy valódi globális zárkialakításra lenne szükség.
Képátfedés
A gördülő zár érzékelői már az aktuális képkocka kiolvasása előtt elkezdhetik a következő képkockát exponálni. Ez az átfedő expozíció javítja a kitöltési tényezőt, és előnyös a nagy sebességű alkalmazásoknál, ahol a másodpercenkénti maximális képkockaszám rögzítése kritikus fontosságú, de bonyolíthatja az időérzékeny kísérleteket.
Többsoros kiolvasás
Sok nagysebességű CMOS kamera képes egyszerre több pixelsort is olvasni. Egyes módokban a sorok párosával olvashatók; fejlettebb kialakításokban akár négy sor is olvasható egyszerre, ami hatékonyan csökkenti a képkocka teljes kiolvasási idejét.
Osztott érzékelő architektúra
Mind a gördülő, mind a globális redőnyök használhatnak osztott érzékelő elrendezést, ahol a képérzékelő függőlegesen két részre van osztva, mindegyiknek saját sor ADC-je van.
● A gördülő záras osztott érzékelőknél a kiolvasás gyakran középről kezdődik, és kifelé halad felfelé és lefelé, tovább csökkentve a késleltetést.
● Globális zárszerkezet esetén az osztott kiolvasás javíthatja a képkockasebességet az expozíció egyidejűségének megváltoztatása nélkül.
Hogyan válasszunk az alkalmazásunkhoz: Rolling Shutter vagy Global Shutter?
A globális zár előnyös lehet az alkalmazások számára
● Az események nagy pontosságú időzítését igénylik
● Nagyon rövid expozíciós időt igényel
● Ezredmásodpercnél rövidebb késleltetést igényel az adatgyűjtés megkezdése előtt az esemény szinkronizálásához
● Nagy léptékű mozgás vagy dinamika rögzítése hasonló vagy gyorsabb időskálán, mint egy gördülő zárral
● Egyidejű jelfeldolgozást igényel az érzékelőn keresztül, de nem vezérelhető fényforrások pszeudoglobális zárhasználathoz nagy területen
A gördülő redőny előnyös lehet az alkalmazások számára
● Kihívást jelentő gyenge fényviszonyok melletti alkalmazások: A gördülő záras kamerák fokozott kvantumhatékonysága és alacsonyabb zajszintje gyakran jobb jel-zaj arányt eredményez.
● Nagysebességű alkalmazások, ahol a szenzoron belüli pontos egyidejűség nem fontos, vagy a késleltetés kicsi a kísérleti időskálákhoz képest
● Egyéb általánosabb alkalmazások, ahol a gördülő redőnyös kamerák gyártási egyszerűsége és alacsonyabb költsége előnyös
Gyakori tévhitek
1. „A redőny mindig rossz.”
Ez nem igaz – a görgős redőnyök számos felhasználási esetre ideálisak, és gyenge fényviszonyok és dinamikus tartomány esetén gyakran felülmúlják a globális redőnyöket.
2. „A globális zár mindig jobb.”
Bár a torzításmentes rögzítés előny, a költségek, a zaj és az érzékenység terén mutatkozó kompromisszumok meghaladhatják a lassabb ütemű képalkotás előnyeit.
3. „Gördülő zárral nem lehet videót készíteni.”
Sok csúcskategóriás mozikamera hatékonyan használja a gördülő zárakat; a gondos felvételi technikák minimalizálhatják a képhibákat.
4. „A globális zárak kiküszöbölik az összes mozgás okozta elmosódást.”
Megakadályozzák a geometriai torzítást, de a hosszú expozíciós idők miatti mozgás okozta elmosódás továbbra is előfordulhat.
Következtetés
A CMOS kamerákban a globális és a gördülő zár technológia közötti választás a mozgáskezelés, a fényérzékenység, a költség és az adott alkalmazási igények közötti egyensúlyon múlik.
● Ha torzításmentes rögzítésre van szüksége gyorsan mozgó jelenetekhez, a globális zár a legjobb választás.
● Ha a gyenge fényviszonyok melletti teljesítményt, a dinamikatartományt és a költségvetést helyezed előtérbe, a gördülő zár gyakran hozza a legjobb eredményt.
Ezen különbségek megértése biztosítja, hogy a megfelelő eszközt választhassa – legyen szó akár tudományos képalkotásról, ipari monitorozásról vagy kreatív gyártásról.
GYIK
Melyik zártípus jobb légifotózáshoz vagy drónos térképezéshez?
Térképezéshez, felméréshez és ellenőrzéshez, ahol a geometriai pontosság kulcsfontosságú, a torzítás elkerülése érdekében a globális zár előnyösebb. Kreatív légifelvételekhez azonban a gördülő zár is kiváló eredményeket hozhat, ha a mozgások kontrolláltak.
Hogyan befolyásolja a záridő megválasztása a gyenge fényviszonyok melletti képalkotást?
A redőnyök általában előnyösek a gyenge fényviszonyok melletti teljesítmény terén, mivel pixeles kialakításuk a fénygyűjtés hatékonyságát helyezheti előtérbe. A globális redőnyök bonyolultabb áramköröket igényelhetnek, amelyek kissé csökkenthetik az érzékenységet, bár a modern kialakítások ezt a hiányosságot igyekeznek áthidalni.
Hogyan befolyásolja a redőny típusa atudományos kamera?
A nagy sebességű tudományos képalkotásban – például részecskekövetésben, sejtdinamikában vagy ballisztikában – a globális zár gyakran elengedhetetlen a mozgástorzulás elkerülése érdekében. Azonban a gyenge fényviszonyok melletti fluoreszcens mikroszkópiához egysCMOS kameragördülő zárral választható az érzékenység és a dinamikatartomány maximalizálása érdekében.
Melyik a jobb ipari ellenőrzéshez?
A legtöbb ipari ellenőrzési feladatban – különösen a mozgó szállítószalagokkal, robotikával vagy gépi látásssal kapcsolatos feladatokban – a globális zár a biztonságosabb választás a mozgás okozta geometriai hibák nélküli pontos mérések biztosítására.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Minden jog fenntartva. Hivatkozáskor kérjük, tüntesse fel a forrást:www.tucsen.com
