25/08/21Nel mondo dell'imaging digitale, pochi fattori tecnici influenzano la qualità dell'immagine quanto il tipo di otturatore elettronico del sensore. Che si tratti di riprendere processi industriali ad alta velocità, sequenze cinematografiche o fenomeni astronomici poco evidenti, la tecnologia dell'otturatore della fotocamera CMOS gioca un ruolo fondamentale nel risultato finale dell'immagine.
I due principali tipi di otturatori elettronici CMOS, gli otturatori globali e gli otturatori scorrevoli, adottano approcci molto diversi per l'esposizione e la lettura della luce proveniente da un sensore. Comprenderne le differenze, i punti di forza e i compromessi è essenziale se si desidera adattare il sistema di imaging alla propria applicazione.
In questo articolo spiegheremo cosa sono gli otturatori elettronici CMOS, come funzionano gli otturatori globali e quelli scorrevoli, come si comportano in situazioni reali e come decidere quale sia il più adatto alle proprie esigenze.
Cosa sono gli otturatori elettronici CMOS?
Un sensore CMOS è il cuore della maggior parte delle fotocamere moderne. È responsabile della conversione della luce in ingresso in segnali elettrici che possono essere elaborati per creare un'immagine. L'otturatore in unaFotocamera CMOSnon è necessariamente una tenda meccanica: molti modelli moderni si basano su un otturatore elettronico che controlla come e quando i pixel catturano la luce.
A differenza di un otturatore meccanico che blocca fisicamente la luce, un otturatore elettronico funziona avviando e arrestando il flusso di carica all'interno di ciascun pixel. Nell'imaging CMOS, esistono due principali architetture di otturatore elettronico: otturatore globale e otturatore rotante.
Perché la distinzione è importante? Perché il metodo di esposizione e lettura influenza direttamente:
● Rendering e distorsione del movimento
● Nitidezza dell'immagine
● Sensibilità alla scarsa illuminazione
● Frame rate e latenza
● Idoneità generale per diversi tipi di fotografia, video e imaging scientifico
Capire Global Shutter
Fonte: sensore otturatore globale GMAX3405
Come funziona Global Shutter
Le telecamere CMOS con otturatore globale iniziano e terminano l'esposizione simultaneamente su tutto il sensore. Questo risultato è ottenuto utilizzando 5 o più transistor per pixel e un "nodo di memorizzazione" che conserva le cariche fotoelettroniche acquisite durante la lettura. La sequenza di un'esposizione è la seguente:
1. Iniziare l'esposizione simultaneamente in ogni pixel scaricando a terra le cariche acquisite.
2. Attendere il tempo di esposizione scelto.
3. Al termine dell'esposizione, spostare le cariche acquisite nel nodo di archiviazione in ciascun pixel, terminando l'esposizione di quel fotogramma.
4. Riga per riga, gli elettroni vengono trasferiti nel condensatore di lettura del pixel e la tensione accumulata viene trasmessa all'architettura di lettura, che culmina nei convertitori analogico-digitali (ADC). L'esposizione successiva può in genere essere eseguita contemporaneamente a questa fase.
Vantaggi di Global Shutter
● Nessuna distorsione del movimento: i soggetti in movimento mantengono la loro forma e geometria senza l'inclinazione o l'oscillazione che possono verificarsi con la lettura sequenziale.
● Acquisizione ad alta velocità: ideale per congelare il movimento in scene in rapido movimento, come nello sport, nella robotica o nel controllo qualità della produzione.
● Bassa latenza: tutti i dati dell'immagine sono disponibili contemporaneamente, consentendo una sincronizzazione precisa con eventi esterni, come impulsi laser o luci stroboscopiche.
Limitazioni dell'otturatore globale
● Minore sensibilità alla luce: alcuni progetti di pixel dell'otturatore globale sacrificano l'efficienza di raccolta della luce per adattarsi ai circuiti necessari per l'esposizione simultanea.
● Costi e complessità maggiori: la fabbricazione è più impegnativa, il che spesso comporta prezzi più elevati rispetto alle controparti con saracinesca.
● Potenziale aumento del rumore: a seconda della progettazione del sensore, l'elettronica aggiuntiva per pixel può comportare un rumore di lettura leggermente più elevato.
Capire la tapparella
Come funziona la tapparella
Utilizzando solo 4 transistor e nessun nodo di memorizzazione, questa forma più semplice di progettazione dei pixel CMOS comporta un funzionamento dell'otturatore elettronico più complesso. I pixel dell'otturatore rotante avviano e arrestano l'esposizione del sensore una riga alla volta, "scorrendo" lungo il sensore. Per ogni esposizione viene seguita la sequenza opposta (mostrata anche in figura):
Figura: Processo di otturatore rotante per un sensore di fotocamera da 6x6 pixel
Il primo fotogramma inizia l'esposizione (in giallo) nella parte superiore del sensore, scorrendo verso il basso a una velocità di una linea per volta. Una volta completata l'esposizione per la linea superiore, la lettura (in viola) seguita dall'inizio dell'esposizione successiva (in blu) scorre verso il basso sul sensore.
1. Iniziare l'esposizione alla fila superiore del sensore scaricando a terra le cariche acquisite.
2. Una volta trascorso il "tempo di riga", passare alla seconda riga del sensore e iniziare l'esposizione, ripetendo la stessa operazione lungo tutto il sensore.
3. Una volta terminato il tempo di esposizione richiesto per la riga superiore, terminare l'esposizione inviando le cariche acquisite attraverso l'architettura di lettura. Il tempo impiegato per questa operazione è il "tempo di riga".
4. Non appena la lettura di una riga è completata, è possibile ricominciare l'esposizione dal passaggio 1, anche se ciò comporta una sovrapposizione con altre righe che eseguono l'esposizione precedente.
Vantaggi della tapparella avvolgibile
●Migliori prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione– I design dei pixel possono dare priorità alla raccolta della luce, migliorando il rapporto segnale/rumore in condizioni di scarsa illuminazione.
●Gamma dinamica più elevata– I progetti di lettura sequenziale riescono a gestire in modo più elegante le luci più luminose e le ombre più scure.
●Più conveniente– I sensori CMOS a otturatore rotante sono più comuni e più economici da produrre.
Limitazioni delle tapparelle
●Artefatti da movimento– I soggetti in rapido movimento possono apparire distorti o piegati, fenomeno noto come "effetto rolling shutter".
●Effetto gelatina nel video– Le riprese effettuate a mano con vibrazioni o panoramiche rapide possono causare oscillazioni nell'immagine.
●Sfide di sincronizzazione– Meno ideale per applicazioni che richiedono una temporizzazione precisa con eventi esterni.
Globale vs. Rolling Shutter: confronto affiancato
Ecco una panoramica generale del confronto tra tapparelle avvolgibili e tapparelle globali:
| Caratteristica | Tapparella avvolgibile | Otturatore globale |
| Progettazione pixel | 4 transistor (4T), nessun nodo di archiviazione | 5+ transistor, include nodo di archiviazione |
| Sensibilità alla luce | Fattore di riempimento più elevato, facilmente adattabile al formato retroilluminato → QE più elevato | Fattore di riempimento inferiore, BSI più complesso |
| Prestazioni acustiche | Rumore di lettura generalmente inferiore | Può avere un rumore leggermente più alto a causa dei circuiti aggiunti |
| Distorsione del movimento | Possibile (inclinazione, oscillazione, effetto gelatina) | Nessuno: tutti i pixel esposti simultaneamente |
| Potenziale di velocità | Può sovrapporre le esposizioni e leggere più righe; spesso più veloce in alcuni progetti | Limitato dalla lettura full-frame, anche se la lettura divisa può aiutare |
| Costo | Costi di produzione inferiori | Costi di produzione più elevati |
| Casi d'uso migliori | Immagini in condizioni di scarsa illuminazione, cinematografia, fotografia generale | Acquisizione di movimento ad alta velocità, ispezione industriale, metrologia di precisione |
Differenze nelle prestazioni del core
I pixel a otturatore rotante utilizzano in genere un design a 4 transistor (4T) senza nodo di archiviazione, mentre gli otturatori globali richiedono 5 o più transistor per pixel, oltre a circuiti aggiuntivi per archiviare i fotoelettroni prima della lettura.
●Fattore di riempimento e sensibilità– L'architettura 4T più semplice consente un fattore di riempimento dei pixel più elevato, il che significa che una maggiore superficie di ciascun pixel è dedicata alla raccolta della luce. Questo design, combinato con il fatto che i sensori rolling shutter possono essere adattati più facilmente a un formato retroilluminato, si traduce spesso in una maggiore efficienza quantistica.
●Prestazioni acustiche– Un minor numero di transistor e circuiti meno complessi comportano generalmente che le tapparelle presentino un rumore di lettura inferiore, rendendole più adatte alle applicazioni in condizioni di scarsa illuminazione.
●Potenziale di velocità– Le tapparelle possono essere più veloci in alcune architetture perché consentono la sovrapposizione di esposizione e lettura, anche se questo dipende in larga misura dalla progettazione del sensore e dall'elettronica di lettura.
Costi e produzione: la semplicità dei pixel a otturatore rotante si traduce solitamente in costi di produzione inferiori rispetto agli otturatori globali.
Considerazioni e tecniche avanzate
Otturatore pseudo-globale
Nelle situazioni in cui è possibile controllare con precisione il momento in cui la luce raggiunge il sensore, ad esempio utilizzando una sorgente luminosa LED o laser attivata dall'hardware, è possibile ottenere risultati "di tipo globale" con un otturatore rotante. Questo metodo di otturatore pseudo-globale sincronizza l'illuminazione con la finestra di esposizione, riducendo al minimo gli artefatti da movimento senza richiedere un vero e proprio otturatore globale.
Sovrapposizione di immagini
I sensori a otturatore rotante possono iniziare a esporre il fotogramma successivo prima che la lettura del fotogramma corrente sia completata. Questa esposizione sovrapposta migliora il ciclo di lavoro ed è vantaggiosa per le applicazioni ad alta velocità in cui è fondamentale catturare il massimo numero di fotogrammi al secondo, ma può complicare gli esperimenti sensibili alla tempistica.
Lettura di più righe
Molte telecamere CMOS ad alta velocità possono leggere più di una riga di pixel alla volta. In alcune modalità, le righe vengono lette a coppie; nei modelli più avanzati, è possibile leggere fino a quattro righe contemporaneamente, riducendo di fatto il tempo totale di lettura dei fotogrammi.
Architettura del sensore diviso
Sia gli otturatori a rotazione che quelli globali possono utilizzare un layout con sensore diviso, in cui il sensore di immagine è diviso verticalmente in due metà, ciascuna con la propria fila di ADC.
● Nei sensori a tapparella divisi, la lettura spesso inizia dal centro e prosegue verso l'esterno, sia in alto che in basso, riducendo ulteriormente la latenza.
● Nei progetti con otturatore globale, la lettura divisa può migliorare la frequenza dei fotogrammi senza alterare la simultaneità dell'esposizione.
Come scegliere per la tua applicazione: tapparella avvolgibile o globale?
L'otturatore globale può essere utile alle applicazioni
● Richiedere tempi di eventi ad alta precisione
● Richiedono tempi di esposizione molto brevi
● Richiedere un ritardo inferiore al millisecondo prima dell'inizio di un'acquisizione per sincronizzarsi con un evento
● Cattura movimenti o dinamiche su larga scala in una scala temporale simile o più veloce di un otturatore rotante
● Richiede l'acquisizione simultanea sul sensore, ma non può controllare le sorgenti luminose per utilizzare l'otturatore pseudo-globale su un'ampia area
La serranda avvolgibile può essere utile per le applicazioni
● Applicazioni difficili in condizioni di scarsa illuminazione: l'ulteriore efficienza quantistica e il rumore inferiore delle telecamere a otturatore rotante spesso portano a un SNR migliorato
● Applicazioni ad alta velocità in cui la simultaneità esatta sul sensore non è importante o il ritardo è piccolo rispetto alle scale temporali sperimentali
● Altre applicazioni più generali in cui la semplicità di produzione e il costo inferiore delle telecamere a otturatore rotante sono vantaggiosi
Idee sbagliate comuni
1. "Le tapparelle sono sempre un male."
Non è vero: gli otturatori a rullo sono ideali per molti casi d'uso e spesso hanno prestazioni migliori degli otturatori globali in condizioni di scarsa illuminazione e gamma dinamica.
2. "L'otturatore globale è sempre migliore."
Sebbene l'acquisizione senza distorsioni sia un vantaggio, i compromessi in termini di costi, rumore e sensibilità potrebbero superare i vantaggi di un'acquisizione delle immagini più lenta.
3. "Non è possibile girare un video con un otturatore rotante."
Molte cineprese di fascia alta sfruttano efficacemente gli otturatori rotanti; tecniche di ripresa accurate possono ridurre al minimo gli artefatti.
4. "Gli otturatori globali eliminano ogni sfocatura da movimento."
Evitano la distorsione geometrica, ma può comunque verificarsi un effetto mosso dovuto a tempi di esposizione prolungati.
Conclusione
La scelta tra la tecnologia globale e quella a otturatore rotante in una telecamera CMOS si riduce all'equilibrio tra gestione del movimento, sensibilità alla luce, costo ed esigenze applicative specifiche.
● Se hai bisogno di catturare scene in rapido movimento senza distorsioni, l'otturatore globale è la scelta migliore.
● Se si dà priorità alle prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione, alla gamma dinamica e al budget, l'otturatore rotante spesso offre i risultati migliori.
Comprendere queste differenze ti permetterà di scegliere lo strumento giusto, che si tratti di imaging scientifico, monitoraggio industriale o produzione creativa.
Domande frequenti
Quale tipo di otturatore è migliore per la fotografia aerea o la mappatura con i droni?
Per la mappatura, il rilievo e l'ispezione, dove la precisione geometrica è fondamentale, è preferibile un otturatore globale per evitare distorsioni. Tuttavia, per riprese aeree creative, un otturatore rotante può comunque fornire risultati eccellenti se i movimenti sono controllati.
In che modo la scelta dell'otturatore influisce sulle immagini in condizioni di scarsa illuminazione?
Le tapparelle offrono generalmente un vantaggio in termini di prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione perché il design dei pixel può dare priorità all'efficienza di raccolta della luce. Le tapparelle globali possono richiedere circuiti più complessi che possono ridurre leggermente la sensibilità, sebbene i design moderni stiano colmando questo divario.
In che modo il tipo di otturatore influisce su unmacchina fotografica scientifica?
Nell'imaging scientifico ad alta velocità, come il tracciamento di particelle, la dinamica cellulare o la balistica, un otturatore globale è spesso essenziale per evitare distorsioni del movimento. Ma per la microscopia a fluorescenza a bassa luminosità, unfotocamera sCMOScon otturatore rotante può essere scelto per massimizzare la sensibilità e la gamma dinamica.
Quale è meglio per l'ispezione industriale?
Nella maggior parte delle attività di ispezione industriale, in particolare quelle che coinvolgono nastri trasportatori in movimento, robotica o visione artificiale, un otturatore globale è la scelta più sicura per garantire misurazioni precise senza errori geometrici indotti dal movimento.
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