25/08/21Թվային պատկերման աշխարհում պատկերի որակի վրա այնքան քիչ տեխնիկական գործոններ են ազդում, որքան ձեր սենսորի էլեկտրոնային փակաղակի տեսակը: Անկախ նրանից, թե դուք նկարահանում եք բարձր արագությամբ արդյունաբերական գործընթացներ, կինեմատոգրաֆիկ տեսարաններ, թե ֆիքսում եք թույլ աստղագիտական ֆենոմեններ, ձեր CMOS տեսախցիկի ներսում գտնվող փակաղակի տեխնոլոգիան կարևոր դեր է խաղում վերջնական պատկերի ստացման գործում:
CMOS էլեկտրոնային փակաղակների երկու գերիշխող տեսակները՝ գլոբալ փակաղակները և գլանաձև փակաղակները, շատ տարբեր մոտեցումներ ունեն սենսորից եկող լույսի ազդեցության և ընթերցման համար: Դրանց տարբերությունները, ուժեղ կողմերը և փոխզիջումները հասկանալը կարևոր է, եթե ցանկանում եք ձեր պատկերագրման համակարգը համապատասխանեցնել ձեր կիրառմանը:
Այս հոդվածը կբացատրի, թե ինչ են CMOS էլեկտրոնային փեղկերը, ինչպես են աշխատում գլոբալ և գլանաձև փեղկերը, ինչպես են դրանք գործում իրական աշխարհի իրավիճակներում և ինչպես որոշել, թե որն է ձեզ համար լավագույնը։
Ի՞նչ են CMOS էլեկտրոնային փակաղակները:
CMOS սենսորը ժամանակակից տեսախցիկների մեծ մասի սիրտն է։ Այն պատասխանատու է մուտքային լույսը էլեկտրական ազդանշանների վերածելու համար, որոնք կարող են մշակվել պատկերի մեջ։ «Փակիչը» տեսախցիկումCMOS տեսախցիկպարտադիր չէ, որ մեխանիկական վարագույր լինի. շատ ժամանակակից դիզայններ հիմնված են էլեկտրոնային փակաղակի վրա, որը կարգավորում է, թե ինչպես և երբ են պիքսելները լույսը կլանում։
Ի տարբերություն մեխանիկական փակաղակի, որը ֆիզիկապես արգելափակում է լույսը, էլեկտրոնային փակաղակը գործում է՝ սկսելով և դադարեցնելով յուրաքանչյուր պիքսելի ներսում լիցքի հոսքը: CMOS պատկերման մեջ կան էլեկտրոնային փակաղակի երկու հիմնական ճարտարապետություն՝ գլոբալ փակաղակ և գլանաձև փակաղակ:
Ինչո՞ւ է տարբերակումը կարևոր։ Որովհետև ազդեցության և ցուցմունքի մեթոդը անմիջականորեն ազդում է.
● Շարժման ռենդերինգ և աղավաղում
● Պատկերի սրություն
● Ցածր լույսի նկատմամբ զգայունություն
● Կադրերի հաճախականություն և լատենտություն
● Ընդհանուր պիտանիություն տարբեր տեսակի լուսանկարչության, տեսանյութերի և գիտական պատկերագրության համար
Գլոբալ փակիչի հասկացողությունը
Աղբյուր՝ GMAX3405 Global Shutter Sensor
Ինչպես է աշխատում գլոբալ փակիչը
CMOS գլոբալ փակիչով տեսախցիկները սկսում և ավարտում են իրենց էքսպոզիցիան միաժամանակ ամբողջ սենսորի վրա: Սա իրականացվում է պիքսելի համար 5 կամ ավելի տրանզիստորների և «պահեստային հանգույցի» միջոցով, որը պահում է ստացված ֆոտոէլեկտրոնային լիցքերը ընթերցման ընթացքում: Էքսպոզիցիայի հաջորդականությունը հետևյալն է.
1. Սկսեք էքսպոզիցիաները միաժամանակ յուրաքանչյուր պիքսելում՝ ստացված լիցքերը գետնին չեզոքացնելով։
2. Սպասեք ընտրված ազդեցության ժամանակին։
3. Էքսպոզիցիայի ավարտին տեղափոխեք ստացված լիցքերը յուրաքանչյուր պիքսելի պահեստային հանգույց՝ ավարտելով այդ կադրի էքսպոզիցիան։
4. Շարք առ շարք տեղափոխեք էլեկտրոնները պիքսելի ընթերցման կոնդենսատորի մեջ և կուտակված լարումը փոխանցեք ընթերցման ճարտարապետությանը, որի արդյունքում ստացվում են անալոգ-թվային փոխարկիչներ (ADC): Հաջորդ էքսպոզիցիան սովորաբար կարող է իրականացվել այս քայլի հետ միաժամանակ:
Global Shutter-ի առավելությունները
● Շարժման աղավաղում չկա – Շարժվող օբյեկտները պահպանում են իրենց ձևն ու երկրաչափությունը՝ առանց հաջորդական ընթերցման ժամանակ առաջացող թեքության կամ տատանման։
● Բարձր արագությամբ նկարահանում – Իդեալական է արագընթաց տեսարաններում, օրինակ՝ սպորտում, ռոբոտաշինության կամ արտադրության որակի վերահսկման մեջ, շարժումը սառեցնելու համար։
● Ցածր լատենտություն – Բոլոր պատկերի տվյալները հասանելի են միաժամանակ, ինչը հնարավորություն է տալիս ճշգրիտ համաժամեցնել արտաքին իրադարձությունների հետ, ինչպիսիք են լազերային իմպուլսները կամ լուսային լույսերը:
Global Shutter-ի սահմանափակումները
● Լույսի ցածր զգայունություն – Որոշ գլոբալ փակիչի պիքսելների դիզայն զոհաբերում է լույսի հավաքման արդյունավետությունը՝ միաժամանակյա ազդեցության համար անհրաժեշտ սխեմաները հարմարեցնելու համար:
● Ավելի բարձր արժեք և բարդություն – Արտադրությունն ավելի դժվար է, ինչը հաճախ հանգեցնում է ավելի բարձր գների՝ գլանաձև փեղկերի համեմատ:
● Աղմուկի աճի հավանականություն – Կախված սենսորի դիզայնից, յուրաքանչյուր պիքսելի համար լրացուցիչ էլեկտրոնիկայի առկայությունը կարող է հանգեցնել ընթերցման աղմուկի մի փոքր ավելի բարձր մակարդակի։
Գլանաձև փակաղակի հասկացողությունը
Ինչպես է աշխատում գլանափաթեթը
Օգտագործելով ընդամենը 4 տրանզիստոր և առանց պահեստավորման հանգույցի, CMOS պիքսելային դիզայնի այս ավելի պարզ ձևը հանգեցնում է էլեկտրոնային փակաղակի ավելի բարդ գործողության: Շրջանաձև փակաղակի պիքսելները սկսում և դադարեցնում են սենսորի էքսպոզիցիան մեկ շարքով միաժամանակ՝ «գլորվելով» սենսորի վրայով ներքև: Հակառակ հաջորդականությունը (նույնպես ցույց է տրված նկարում) հետևվում է յուրաքանչյուր էքսպոզիցիայի համար.
Նկար՝ 6x6 պիքսելային տեսախցիկի սենսորի համար գլորվող փակիչի գործընթացը
Առաջին կադրը սկսում է էքսպոզիցիան (դեղին) սենսորի վերին մասից՝ սահելով ներքև՝ տողի համար մեկ տող հաճախականությամբ։ Երբ էքսպոզիցիան ավարտվում է վերին գծի համար, ցուցմունքը (մանուշակագույն), որին հաջորդում է հաջորդ էքսպոզիցիայի սկիզբը (կապույտ), սահում է ներքև՝ սենսորի վրայով։
1. Սկսեք սենսորի վերին շարքի ազդեցությունը՝ ստացված լիցքերը հողին հավասարեցնելով։
2. «Շարքի ժամանակը» լրանալուց հետո անցեք սենսորի երկրորդ շարքին և սկսեք էքսպոզիցիա անել՝ կրկնելով գործընթացը սենսորի վրա։
3. Երբ վերին շարքի համար պահանջվող էքսպոզիցիայի ժամանակը լրացել է, ավարտեք էքսպոզիցիան՝ ստացված լիցքերը ուղարկելով ընթերցման ճարտարապետության միջոցով: Դրա համար անհրաժեշտ ժամանակը կոչվում է «շարքի ժամանակ»:
4. Հենց որ տողի ցուցմունքն ավարտվի, այն պատրաստ կլինի նորից սկսել էքսպոզիցիա 1-ին քայլից, նույնիսկ եթե դա նշանակում է համընկնում նախորդ էքսպոզիցիա կատարող այլ տողերի հետ։
Գլանաձև փակաղակի առավելությունները
●Ավելի լավ աշխատանք ցածր լուսավորության պայմաններում– Պիքսելների դիզայնը կարող է առաջնահերթություն տալ լույսի հավաքագրմանը՝ բարելավելով ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը մթության պայմաններում։
●Ավելի բարձր դինամիկ տիրույթ– Հաջորդական ընթերցման դիզայնը կարող է ավելի նրբագեղ կերպով մշակել ավելի պայծառ լուսավոր գծերը և ավելի մուգ ստվերները։
●Ավելի մատչելի– Գլանաձև փակաղակի CMOS սենսորներն ավելի տարածված են և մատչելի արտադրության համար։
Գլանաձև փակաղակի սահմանափակումները
●Շարժման արտեֆակտներ– Արագ շարժվող օբյեկտները կարող են թվալ թեքված կամ ծռված, ինչը հայտնի է որպես «գլորվող փակաղակի էֆեկտ»։
●Ժելեի էֆեկտ տեսանյութում– Ձեռքով նկարահանված կադրերը, որոնք ունեն թրթռում կամ արագ շարժում, կարող են պատկերի տատանումներ առաջացնել։
●Սինխրոնիզացիայի մարտահրավերներ– Ավելի քիչ իդեալական է արտաքին իրադարձությունների հետ ճշգրիտ ժամանակացույց պահանջող ծրագրերի համար։
Գլոբալ ընդդեմ գլանափաթեթի. կողք կողքի համեմատություն
Ահա գլանաձև և գլոբալ փեղկերի համեմատության ընդհանուր պատկերը.
| Հատկանիշ | Գլանաձև փակաղակ | Գլոբալ փակիչ |
| Պիքսելային դիզայն | 4-տրանզիստոր (4T), պահեստավորման հանգույց չկա | 5+ տրանզիստորներ, ներառյալ պահեստավորման հանգույցը |
| Լույսի զգայունություն | Ավելի բարձր լցման գործակից, հեշտությամբ հարմարվողական հետին լուսավորությամբ ձևաչափին → ավելի բարձր QE | Ավելի ցածր լրացման գործակից, BSI-ն ավելի բարդ է |
| Աղմուկի կատարողականություն | Ընդհանուր առմամբ ավելի ցածր ընթերցման աղմուկ | Կարող է մի փոքր ավելի բարձր աղմուկ ունենալ՝ ավելացված սխեմայի պատճառով |
| Շարժման աղավաղում | Հնարավոր է (թեքություն, տատանում, դոնդողի էֆեկտ) | Ոչ մի — բոլոր պիքսելները միաժամանակ են ցուցադրվում |
| Արագության պոտենցիալ | Կարող է համընկնել էքսպոզիցիաների հետ և կարդալ մի քանի տողեր. որոշ դիզայններում հաճախ ավելի արագ է | Սահմանափակված է լրիվ կադրի ընթերցմամբ, չնայած բաժանված ընթերցումը կարող է օգնել |
| Արժեքը | Արտադրության ավելի ցածր ծախսեր | Արտադրության ավելի բարձր ծախսեր |
| Լավագույն օգտագործման դեպքեր | Լուսանկարչություն թույլ լուսավորության պայմաններում, կինեմատոգրաֆիա, ընդհանուր լուսանկարչություն | Բարձր արագությամբ շարժման գրանցում, արդյունաբերական ստուգում, ճշգրիտ չափագիտություն |
Հիմնական կատարողականի տարբերությունները
Գլանաձև փակիչի պիքսելները սովորաբար օգտագործում են 4-տրանզիստորային (4T) դիզայն՝ առանց պահեստավորման հանգույցի, մինչդեռ գլոբալ փակիչի համար անհրաժեշտ է 5 կամ ավելի տրանզիստոր մեկ պիքսելի համար, գումարած լրացուցիչ սխեմաներ՝ ֆոտոէլեկտրոնները ընթերցումից առաջ պահելու համար։
●Լցման գործոն և զգայունություն– Ավելի պարզ 4T ճարտարապետությունը թույլ է տալիս ունենալ ավելի բարձր պիքսելային լցման գործակից, ինչը նշանակում է, որ յուրաքանչյուր պիքսելի մակերեսի ավելի մեծ մասը նախատեսված է լույսի հավաքման համար: Այս դիզայնը, զուգորդված այն փաստի հետ, որ գլանաձև փակաղակի սենսորները կարող են ավելի հեշտությամբ հարմարեցվել հետին լուսավորությամբ ձևաչափին, հաճախ հանգեցնում է ավելի բարձր քվանտային արդյունավետության:
●Աղմուկի կատարողականություն– Ավելի քիչ տրանզիստորները և ավելի քիչ բարդ սխեմաները սովորաբար նշանակում են, որ գլանաձև փակաղակները ցուցաբերում են ավելի ցածր ընթերցման աղմուկ, ինչը դրանք ավելի հարմար է դարձնում թույլ լուսավորության պայմաններում կիրառման համար։
●Արագության պոտենցիալ– Որոշակի ճարտարապետություններում գլանաձև փակաղակները կարող են ավելի արագ լինել, քանի որ դրանք թույլ են տալիս համընկնել էքսպոզիցիայի և ցուցմունքի ցուցանիշները, չնայած սա մեծապես կախված է սենսորների նախագծումից և ցուցմունքի էլեկտրոնիկայից։
Արժեք և արտադրություն – Գլանաձև փեղկերի պիքսելների պարզությունը սովորաբար հանգեցնում է արտադրական ավելի ցածր ծախսերի՝ համեմատած գլոբալ փեղկերի հետ։
Ավելի առաջադեմ նկատառումներ և տեխնիկաներ
Կեղծ գլոբալ փակիչ
Այն դեպքերում, երբ դուք կարող եք ճշգրտորեն կառավարել, թե երբ լույսը հասնում է սենսորին, օրինակ՝ օգտագործելով LED կամ լազերային լույսի աղբյուր, կարող եք «գլոբալ» արդյունքների հասնել գլանաձև փակաղակի միջոցով: Այս կեղծ-գլոբալ փակաղակի մեթոդը համաժամեցնում է լուսավորությունը էքսպոզիցիայի պատուհանի հետ՝ նվազագույնի հասցնելով շարժման արտեֆակտները՝ առանց իրական գլոբալ փակաղակի դիզայնի անհրաժեշտության:
Պատկերի համընկնում
Գլանաձև փակիչի սենսորները կարող են սկսել հաջորդ կադրի լուսարձակումը մինչև ընթացիկ կադրի ընթերցման ավարտը: Այս համընկնող լուսարձակումը բարելավում է աշխատանքային ցիկլը և օգտակար է բարձր արագությամբ կիրառությունների համար, որտեղ վայրկյանում կադրերի առավելագույն քանակը ֆիքսելը կարևոր է, բայց կարող է բարդացնել ժամանակի նկատմամբ զգայուն փորձերը:
Բազմակի տողերի ընթերցում
Շատ բարձր արագությամբ CMOS տեսախցիկներ կարող են միաժամանակ կարդալ պիքսելների մեկից ավելի շարքեր։ Որոշ ռեժիմներում տողերը կարդացվում են զույգերով, իսկ առաջադեմ դիզայններում՝ միաժամանակ կարելի է կարդալ մինչև չորս շարք, ինչը արդյունավետորեն կրճատում է կադրի ընթերցման ընդհանուր ժամանակը։
Բաշխված սենսորային ճարտարապետություն
Ե՛վ գլանաձև, և՛ գլոբալ փակաղակները կարող են օգտագործել բաժանված սենսորային դասավորություն, որտեղ պատկերի սենսորը ուղղահայաց բաժանված է երկու կեսի, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի իր սեփական ADC-ների շարքը։
● Գլանաձև փակիչի բաժանված սենսորներում ցուցմունքը հաճախ սկսվում է կենտրոնից և գլորվում դեպի դուրս՝ վերև և ներքև, ինչը էլ ավելի է նվազեցնում լատենտությունը։
● Գլոբալ փակիչի դիզայններում բաժանված ընթերցումը կարող է բարելավել կադրերի հաճախականությունը՝ առանց փոխելու էքսպոզիցիայի միաժամանակյա ազդեցությունը։
Ինչպե՞ս ընտրել ձեր կիրառման համար՝ գլանաձև, թե՞ գլոբալ փակիչ:
Գլոբալ փակիչը կարող է օգտակար լինել հավելվածների համար
● Պահանջել իրադարձությունների բարձր ճշգրտությամբ ժամանակագրություն
● Պահանջում է շատ կարճ ազդեցության ժամանակներ
● Պահանջել միլիվայրկյաններից մի փոքր պակաս ուշացում՝ իրադարձության հետ համաժամեցնելու համար, նախքան ձայնագրման մեկնարկը
● Նկարահանեք մեծածավալ շարժում կամ դինամիկա՝ գլանաձև փակաղակի նման կամ ավելի արագ ժամանակային սանդղակով
● Պահանջում է միաժամանակյա նկարահանում սենսորի միջոցով, բայց չի կարող կառավարել լույսի աղբյուրները՝ մեծ տարածքում կեղծ-գլոբալ փակաղակ օգտագործելու համար
Գլանաձև փակաղակը կարող է օգտակար լինել կիրառությունների համար
● Դժվարություններ ցածր լուսավորության պայմաններում կիրառման համար. գլանաձև փակաղակի տեսախցիկների լրացուցիչ քվանտային արդյունավետությունը և ցածր աղմուկը հաճախ հանգեցնում են SNR-ի բարելավմանը
● Բարձր արագությամբ կիրառություններ, որտեղ սենսորի վրա ճշգրիտ միաժամանակյա ազդեցությունը կարևոր չէ, կամ ուշացումը փոքր է փորձարարական ժամանակային սանդղակների համեմատ
● Այլ, ավելի ընդհանուր կիրառություններ, որտեղ գլանափաթեթավորող տեսախցիկների արտադրության պարզությունը և ցածր գինը օգտակար են
Հաճախակի տարածված սխալ պատկերացումներ
1. «Գլորվող փակաղակը միշտ վատ է»։
Սխալ է. գլանաձև փակաղակները իդեալական են բազմաթիվ օգտագործման դեպքերի համար և հաճախ գերազանցում են գլոբալ փակաղակներին թույլ լուսավորության և դինամիկ տիրույթի պայմաններում։
2. «Գլոբալ փակաղակը միշտ ավելի լավ է»։
Թեև աղավաղումից զերծ ձայնագրությունը առավելություն է, արժեքի, աղմուկի և զգայունության փոխզիջումները կարող են գերազանցել դանդաղ տեմպով պատկերման առավելությունները։
3. «Դուք չեք կարող տեսանյութ նկարահանել պտտվող փակաղակով»։
Բարձրակարգ կինոտեսախցիկների մեծ մասը արդյունավետորեն օգտագործում է գլանաձև փակաղակ։ նկարահանման զգույշ տեխնիկան կարող է նվազագույնի հասցնել արտեֆակտները։
4. «Գլոբալ փեղկերը վերացնում են շարժման բոլոր մշուշոտությունները»։
Դրանք կանխում են երկրաչափական աղավաղումը, սակայն երկար էքսպոզիցիայի ժամանակից առաջացող շարժման մշուշոտումը դեռ կարող է առաջանալ։
Եզրակացություն
CMOS տեսախցիկում գլոբալ և գլանաձև փակաղակի տեխնոլոգիայի միջև ընտրությունը կախված է շարժման կառավարման, լույսի զգայունության, արժեքի և ձեր կոնկրետ կիրառման կարիքների միջև հավասարակշռությունից:
● Եթե արագ զարգացող տեսարանների համար ձեզ անհրաժեշտ է աղավաղումից զերծ նկարահանում, գլոբալ փակիչի ռեժիմը անկասկած լավագույն ընտրությունն է։
● Եթե դուք առաջնահերթություն եք տալիս թույլ լուսավորության պայմաններում աշխատանքին, դինամիկ տիրույթին և բյուջեին, գլանաձև փակաղակը հաճախ ապահովում է լավագույն արդյունքները։
Այս տարբերությունները հասկանալը թույլ է տալիս ընտրել ճիշտ գործիքը՝ լինի դա գիտական պատկերման, արդյունաբերական մոնիթորինգի, թե ստեղծագործական արտադրության համար։
Հաճախակի տրվող հարցեր
Ո՞ր փակաղակի տեսակն է ավելի լավ օդային լուսանկարչության կամ անօդաչու թռչող սարքի քարտեզագրման համար:
Քարտեզագրման, չափագրման և հետազոտման համար, որտեղ երկրաչափական ճշգրտությունը կարևոր է, գլոբալ փակաղակիչը նախընտրելի է՝ աղավաղումից խուսափելու համար: Այնուամենայնիվ, ստեղծագործական օդային տեսանկարահանման համար գլանաձև փակաղակը կարող է գերազանց արդյունքներ ապահովել, եթե շարժումները վերահսկվեն:
Ինչպե՞ս է փակաղակի ընտրությունը ազդում թույլ լուսավորության պայմաններում պատկերի վրա։
Գլանաձև վարագույրները, որպես կանոն, առավելություն ունեն թույլ լուսավորության պայմաններում աշխատանքի առումով, քանի որ դրանց պիքսելային դիզայնը կարող է առաջնահերթություն տալ լույսի հավաքման արդյունավետությանը: Գլոբալ վարագույրները կարող են պահանջել ավելի բարդ սխեմաներ, որոնք կարող են փոքր-ինչ նվազեցնել զգայունությունը, չնայած ժամանակակից դիզայնը լրացնում է այս բացը:
Ինչպե՞ս է փակաղակի տեսակը ազդումգիտական տեսախցիկ?
Բարձր արագությամբ գիտական պատկերման մեջ, ինչպիսիք են մասնիկների հետևումը, բջջային դինամիկան կամ բալիստիկան, գլոբալ փակիչը հաճախ անհրաժեշտ է շարժման աղավաղումից խուսափելու համար: Սակայն թույլ լուսավորության պայմաններում ֆլուորեսցենտային մանրադիտակի համար,sCMOS տեսախցիկզգայունությունը և դինամիկ տիրույթը մեծացնելու համար կարող է ընտրվել գլանաձև փակաղակ։
Ո՞րն է ավելի լավ արդյունաբերական ստուգման համար:
Արդյունաբերական ստուգման առաջադրանքների մեծ մասում, հատկապես փոխադրիչ ժապավենների շարժման, ռոբոտաշինության կամ մեքենայական տեսողության հետ կապված աշխատանքներում, գլոբալ փակաղակը ավելի անվտանգ ընտրություն է՝ շարժման հետևանքով առաջացած երկրաչափական սխալներից զերծ ճշգրիտ չափումներ ապահովելու համար։
Tucsen Photonics Co., Ltd. Բոլոր իրավունքները պաշտպանված են։ Մեջբերելիս խնդրում ենք նշել աղբյուրը։www.tucsen.com
