CMOS Electronic Shutter: Global vs. Rolling dan Cara Memilih |

Dalam dunia pencitraan digital, hanya sedikit faktor teknis yang memengaruhi kualitas gambar sebanyak jenis rana elektronik pada sensor Anda. Baik Anda merekam proses industri berkecepatan tinggi, merekam rangkaian sinematik, atau menangkap fenomena astronomi yang samar, teknologi rana di dalam kamera CMOS Anda memainkan peran penting dalam hasil akhir gambar Anda.

Dua jenis rana elektronik CMOS yang dominan, rana global dan rana gulung, menggunakan pendekatan yang sangat berbeda dalam hal pencahayaan dan pembacaan cahaya dari sensor. Memahami perbedaan, kelebihan, dan kekurangannya sangat penting jika Anda ingin menyesuaikan sistem pencitraan dengan aplikasi Anda.

Artikel ini akan menjelaskan apa itu rana elektronik CMOS, cara kerja rana global dan rana bergulir, cara kerjanya dalam situasi dunia nyata, dan cara memutuskan mana yang terbaik bagi Anda.

Apa itu CMOS Electronic Shutter?

Sensor CMOS adalah jantung dari sebagian besar kamera modern. Sensor ini bertanggung jawab untuk mengubah cahaya yang masuk menjadi sinyal listrik yang dapat diproses menjadi gambar. "Rana" dalamKamera CMOStidak selalu merupakan tirai mekanis—banyak desain modern mengandalkan rana elektronik yang mengontrol bagaimana dan kapan piksel menangkap cahaya.

Berbeda dengan rana mekanis yang secara fisik menghalangi cahaya, rana elektronik bekerja dengan memulai dan menghentikan aliran muatan di dalam setiap piksel. Dalam pencitraan CMOS, terdapat dua arsitektur rana elektronik utama: rana global dan rana bergulir.

Mengapa perbedaan itu penting? Karena metode pemaparan dan pembacaan secara langsung memengaruhi:

● Rendering dan distorsi gerakan
● Ketajaman gambar
● Sensitivitas cahaya rendah
● Kecepatan bingkai dan latensi
● Kesesuaian keseluruhan untuk berbagai jenis fotografi, video, dan pencitraan ilmiah

Memahami Global Shutter

Sumber: Sensor Rana Global GMAX3405

Cara Kerja Global Shutter

Kamera CMOS Global Shutter memulai dan mengakhiri eksposurnya secara bersamaan di seluruh sensor. Hal ini dicapai dengan menggunakan 5 transistor atau lebih per piksel, dan sebuah 'storageode' yang menyimpan muatan fotoelektron yang diperoleh selama pembacaan. Urutan eksposur adalah sebagai berikut:

1. Mulailah pemaparan secara serentak pada setiap piksel dengan membersihkan muatan yang diperoleh ke tanah.

2. Tunggu waktu pencahayaan yang dipilih.

3. Pada akhir pemaparan, pindahkan muatan yang diperoleh ke simpul penyimpanan di setiap piksel, yang mengakhiri pemaparan bingkai tersebut.

4. Baris demi baris, pindahkan elektron ke kapasitor pembacaan piksel, dan sampaikan tegangan yang terakumulasi ke arsitektur pembacaan, yang berpuncak pada konverter analog-ke-digital (ADC). Eksposur berikutnya biasanya dapat dilakukan bersamaan dengan langkah ini.

Keuntungan Global Shutter

● Tidak Ada Distorsi Gerakan – Subjek yang bergerak mempertahankan bentuk dan geometrinya tanpa kemiringan atau goyangan yang dapat terjadi pada pembacaan berurutan.
● Perekaman Kecepatan Tinggi – Ideal untuk membekukan gerakan dalam adegan yang bergerak cepat, seperti dalam olahraga, robotika, atau kontrol kualitas manufaktur.
● Latensi Rendah – Semua data gambar tersedia sekaligus, memungkinkan sinkronisasi yang tepat dengan peristiwa eksternal, seperti pulsa laser atau lampu strobo.

Keterbatasan Global Shutter

● Sensitivitas Cahaya Lebih Rendah – Beberapa desain piksel rana global mengorbankan efisiensi pengumpulan cahaya untuk mengakomodasi sirkuit yang dibutuhkan untuk pencahayaan simultan.
● Biaya & Kompleksitas Lebih Tinggi – Pembuatannya lebih menantang, sehingga harganya sering kali lebih mahal dibandingkan dengan rolling shutter.
● Potensi Peningkatan Noise – Bergantung pada desain sensor, perangkat elektronik tambahan per piksel dapat menyebabkan noise pembacaan yang sedikit lebih tinggi.

Memahami Rolling Shutter

Cara Kerja Rolling Shutter

Hanya menggunakan 4 transistor dan tanpa node penyimpanan, bentuk desain piksel CMOS yang lebih sederhana ini menghasilkan operasi rana elektronik yang lebih rumit. Piksel rana bergulir memulai dan menghentikan pencahayaan sensor satu baris pada satu waktu, "menggulung" sensor ke bawah. Urutan sebaliknya (juga ditunjukkan pada gambar) diikuti untuk setiap pencahayaan:

Gambar: Proses rolling shutter untuk sensor kamera 6x6 piksel

Bingkai pertama memulai eksposur (kuning) di bagian atas sensor, bergerak ke bawah dengan kecepatan satu baris per baris. Setelah eksposur selesai untuk baris teratas, pembacaan (ungu) diikuti oleh awal eksposur berikutnya (biru) bergerak ke bawah sensor.

1. Mulailah pemaparan pada baris teratas sensor dengan membersihkan muatan yang diperoleh ke ground.
2. Setelah 'waktu baris' berlalu, pindahlah ke baris kedua sensor dan mulai pemaparan, ulangi hingga ke sensor.
3. Setelah waktu pencahayaan yang diminta untuk baris teratas selesai, akhiri pencahayaan dengan mengirimkan muatan yang diperoleh melalui arsitektur pembacaan. Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan ini disebut 'waktu baris'.
4. Begitu pembacaan selesai untuk satu baris, baris tersebut siap untuk memulai pemaparan lagi dari Langkah 1, bahkan jika itu berarti tumpang tindih dengan baris lain yang melakukan pemaparan sebelumnya.

Keuntungan Rolling Shutter

●Performa Cahaya Rendah yang Lebih Baik– Desain piksel dapat memprioritaskan pengumpulan cahaya, meningkatkan rasio sinyal terhadap derau dalam kondisi redup.
●Rentang Dinamis Lebih Tinggi– Desain pembacaan berurutan dapat menangani sorotan yang lebih terang dan bayangan yang lebih gelap dengan lebih anggun.
●Lebih Terjangkau– Sensor CMOS rana gulung lebih umum dan hemat biaya untuk diproduksi.

Keterbatasan Rolling Shutter

●Artefak Gerak– Subjek yang bergerak cepat mungkin tampak miring atau bengkok, yang dikenal sebagai “efek rana bergulir.”
●Efek Jello dalam Video– Rekaman genggam dengan getaran atau gerakan cepat dapat menyebabkan gambar bergoyang.
●Tantangan Sinkronisasi– Kurang ideal untuk aplikasi yang memerlukan pengaturan waktu yang tepat dengan kejadian eksternal.

Global vs. Rolling Shutter: Perbandingan Berdampingan

Berikut gambaran umum tentang perbandingan antara rolling shutter dan global shutter:

Fitur	Rolling Shutter	Rana Global
Desain Piksel	4-transistor (4T), tidak ada node penyimpanan	5+ transistor, termasuk node penyimpanan
Sensitivitas Cahaya	Faktor pengisian lebih tinggi, mudah disesuaikan dengan format iluminasi belakang → QE lebih tinggi	Faktor pengisian lebih rendah, BSI lebih kompleks
Kinerja Kebisingan	Umumnya kebisingan pembacaan lebih rendah	Mungkin memiliki tingkat kebisingan yang sedikit lebih tinggi karena penambahan sirkuit
Distorsi Gerak	Mungkin (miring, goyangan, efek jeli)	Tidak ada — semua piksel terekspos secara bersamaan
Potensi Kecepatan	Dapat tumpang tindih eksposur dan membaca beberapa baris; seringkali lebih cepat dalam beberapa desain	Dibatasi oleh pembacaan bingkai penuh, meskipun pembacaan terpisah dapat membantu
Biaya	Biaya produksi lebih rendah	Biaya produksi lebih tinggi
Kasus Penggunaan Terbaik	Pencitraan cahaya rendah, sinematografi, fotografi umum	Penangkapan gerak kecepatan tinggi, inspeksi industri, metrologi presisi

Perbedaan Kinerja Inti

Piksel rana bergulir biasanya menggunakan desain 4-transistor (4T) tanpa simpul penyimpanan, sementara rana global memerlukan 5 atau lebih transistor per piksel ditambah sirkuit tambahan untuk menyimpan fotoelektron sebelum pembacaan.

●Faktor Pengisian & SensitivitasArsitektur 4T yang lebih sederhana memungkinkan faktor pengisian piksel yang lebih tinggi, yang berarti lebih banyak permukaan setiap piksel didedikasikan untuk pengumpulan cahaya. Desain ini, dikombinasikan dengan fakta bahwa sensor rana bergulir dapat diadaptasi lebih mudah ke format iluminasi belakang, seringkali menghasilkan efisiensi kuantum yang lebih tinggi.
●Kinerja Kebisingan– Transistor yang lebih sedikit dan sirkuit yang kurang kompleks secara umum berarti rolling shutter menunjukkan kebisingan pembacaan yang lebih rendah, sehingga lebih cocok untuk aplikasi dengan cahaya redup.
●Potensi Kecepatan– Rolling shutter dapat lebih cepat dalam arsitektur tertentu karena memungkinkan paparan dan pembacaan yang tumpang tindih, meskipun hal ini sangat bergantung pada desain sensor dan elektronik pembacaan.

Biaya & Produksi – Kesederhanaan piksel rana bergulir biasanya menghasilkan biaya produksi yang lebih rendah dibandingkan dengan rana global.

Pertimbangan dan Teknik Lanjutan

Pseudo-Global Shutter

Dalam situasi di mana Anda dapat mengontrol secara presisi kapan cahaya mencapai sensor—seperti menggunakan sumber cahaya LED atau laser yang dipicu oleh perangkat keras—Anda dapat mencapai hasil "global" dengan rana bergulir. Metode rana pseudo-global ini menyinkronkan pencahayaan dengan jendela pencahayaan, meminimalkan artefak gerakan tanpa memerlukan desain rana global yang sesungguhnya.

Gambar Tumpang Tindih

Sensor rana bergulir dapat mulai mengekspos bingkai berikutnya sebelum pembacaan bingkai saat ini selesai. Eksposur yang tumpang tindih ini meningkatkan siklus kerja dan bermanfaat untuk aplikasi kecepatan tinggi di mana pengambilan jumlah bingkai maksimum per detik sangat penting, tetapi dapat mempersulit eksperimen yang sensitif terhadap waktu.

Pembacaan Beberapa Baris

Banyak kamera CMOS berkecepatan tinggi dapat membaca lebih dari satu baris piksel sekaligus. Dalam beberapa mode, baris-baris piksel dibaca berpasangan; dalam desain yang lebih canggih, hingga empat baris piksel dapat dibaca secara bersamaan, sehingga secara efektif mengurangi waktu pembacaan bingkai secara keseluruhan.

Arsitektur Sensor Terpisah

Baik rolling shutter maupun global shutter dapat menggunakan tata letak sensor terpisah, yang mana sensor gambar dibagi secara vertikal menjadi dua bagian, masing-masing dengan baris ADC-nya sendiri.

● Pada sensor split rana bergulir, pembacaan sering kali dimulai dari bagian tengah dan bergulir ke luar menuju bagian atas dan bawah, yang selanjutnya mengurangi latensi.
● Dalam desain rana global, pembacaan terpisah dapat meningkatkan kecepatan bingkai tanpa mengubah keserempakan pencahayaan.

Bagaimana Memilih untuk Aplikasi Anda: Rolling atau Global Shutter?

Penutup global mungkin bermanfaat bagi aplikasi

● Memerlukan ketepatan waktu kejadian yang tinggi

● Membutuhkan waktu pencahayaan yang sangat singkat

● Memerlukan penundaan sub-milidetik sebelum dimulainya akuisisi untuk melakukan sinkronisasi dengan suatu peristiwa

● Menangkap gerakan atau dinamika skala besar pada skala waktu yang sama atau lebih cepat dengan rolling shutter

● Memerlukan akuisisi simultan di seluruh sensor, tetapi tidak dapat mengontrol sumber cahaya untuk menggunakan rana pseudo-global di area yang luas

Rolling shutter mungkin bermanfaat untuk aplikasi

● Aplikasi cahaya rendah yang menantang: Efisiensi kuantum tambahan dan noise yang lebih rendah dari kamera rana bergulir sering kali menghasilkan SNR yang lebih baik

● Aplikasi kecepatan tinggi di mana keserempakan yang tepat di seluruh sensor tidak penting, atau penundaannya kecil dibandingkan dengan skala waktu eksperimental

● Aplikasi lain yang lebih umum di mana kesederhanaan manufaktur dan biaya rendah dari kamera rolling shutter bermanfaat

Kesalahpahaman Umum

1. "Rolling shutter selalu buruk."

Tidak benar—rolling shutter ideal untuk banyak kasus penggunaan dan sering kali mengungguli global shutter dalam cahaya rendah dan rentang dinamis.

2. "Global shutter selalu lebih baik."

Meskipun penangkapan bebas distorsi merupakan suatu keuntungan, namun pengorbanan dalam hal biaya, noise, dan sensitivitas mungkin lebih besar daripada manfaat dari pencitraan yang berjalan lebih lambat.

3. "Anda tidak dapat merekam video dengan rana bergulir."

Banyak kamera sinema kelas atas menggunakan rana bergulir secara efektif; teknik pengambilan gambar yang cermat dapat meminimalkan artefak.

4. "Global shutter menghilangkan semua kaburnya gerakan."

Mereka mencegah distorsi geometris, tetapi kaburnya gerakan akibat waktu pencahayaan yang lama masih dapat terjadi.

Kesimpulan

Pilihan antara teknologi rana global dan rana bergulir dalam kamera CMOS bermuara pada keseimbangan antara penanganan gerakan, sensitivitas cahaya, biaya, dan kebutuhan aplikasi spesifik Anda.

● Jika Anda memerlukan pengambilan gambar bebas distorsi untuk pemandangan yang bergerak cepat, rana global adalah pilihan yang tepat.

● Jika Anda memprioritaskan performa cahaya rendah, rentang dinamis, dan anggaran, rolling shutter sering kali memberikan hasil terbaik.

Memahami perbedaan ini memastikan Anda dapat memilih alat yang tepat—baik untuk pencitraan ilmiah, pemantauan industri, atau produksi kreatif.

Tanya Jawab Umum

Jenis rana mana yang lebih baik untuk fotografi udara atau pemetaan drone?

Untuk pemetaan, survei, dan inspeksi yang membutuhkan akurasi geometrik, rana global lebih disukai untuk menghindari distorsi. Namun, untuk video udara yang kreatif, rana bergulir tetap dapat memberikan hasil yang sangat baik jika gerakannya terkontrol.

Bagaimana pilihan rana memengaruhi pengambilan gambar dalam cahaya redup?

Rolling shutter umumnya memiliki keunggulan dalam performa cahaya rendah karena desain pikselnya dapat memprioritaskan efisiensi pengumpulan cahaya. Global shutter mungkin memerlukan sirkuit yang lebih kompleks yang dapat sedikit mengurangi sensitivitas, meskipun desain modern telah menutup celah ini.

Bagaimana jenis rana mempengaruhikamera ilmiah?

Dalam pencitraan ilmiah berkecepatan tinggi—seperti pelacakan partikel, dinamika sel, atau balistik—rana global seringkali penting untuk menghindari distorsi gerakan. Namun, untuk mikroskop fluoresensi cahaya rendah,kamera sCMOSdengan rolling shutter dapat dipilih untuk memaksimalkan sensitivitas dan jangkauan dinamis.

Mana yang lebih baik untuk inspeksi industri?

Dalam sebagian besar tugas inspeksi industri—terutama yang melibatkan pergerakan sabuk konveyor, robotika, atau visi mesin—global shutter merupakan pilihan yang lebih aman untuk memastikan pengukuran yang presisi tanpa kesalahan geometri yang disebabkan oleh gerakan.