25/08/21ციფრული გამოსახულების სამყაროში, ცოტა ტექნიკური ფაქტორი ახდენს ისე გავლენას გამოსახულების ხარისხზე, როგორც თქვენი სენსორის ელექტრონული ჩამკეტის ტიპი. იქნება ეს მაღალსიჩქარიანი სამრეწველო პროცესების გადაღება, კინემატოგრაფიული სცენების გადაღება თუ მკრთალი ასტრონომიული მოვლენების აღბეჭდვა, თქვენი CMOS კამერის ჩამკეტის ტექნოლოგია გადამწყვეტ როლს თამაშობს საბოლოო გამოსახულების მიღებაში.
CMOS ელექტრონული ჩამკეტების ორი დომინანტური ტიპი, გლობალური ჩამკეტები და მოძრავი ჩამკეტები, სენსორიდან გამომავალი სინათლის ექსპოზიციისა და წაკითხვის ძალიან განსხვავებულ მიდგომებს იყენებენ. მათი განსხვავებების, ძლიერი მხარეებისა და კომპრომისების გააზრება აუცილებელია, თუ გსურთ, რომ თქვენი ვიზუალიზაციის სისტემა თქვენს აპლიკაციას შეუსაბამოთ.
ეს სტატია აგიხსნით, თუ რა არის CMOS ელექტრონული ჟალუზები, როგორ მუშაობს გლობალური და მოძრავი ჟალუზები, როგორ მუშაობენ ისინი რეალურ სიტუაციებში და როგორ გადაწყვიტოთ, რომელია თქვენთვის საუკეთესო.
რა არის CMOS ელექტრონული საკეტები?
CMOS სენსორი თანამედროვე კამერების უმეტესობის გულია. ის პასუხისმგებელია შემომავალი სინათლის ელექტრულ სიგნალებად გარდაქმნაზე, რომელთა დამუშავებაც შესაძლებელია გამოსახულებად. „ჩამკეტი“CMOS კამერაარ არის აუცილებლად მექანიკური ფარდა - ბევრი თანამედროვე დიზაინი ეყრდნობა ელექტრონულ ჩამკეტს, რომელიც აკონტროლებს, თუ როგორ და როდის იჭერენ პიქსელები სინათლეს.
მექანიკური ჩამკეტისგან განსხვავებით, რომელიც ფიზიკურად ბლოკავს სინათლეს, ელექტრონული ჩამკეტი მუშაობს თითოეულ პიქსელში მუხტის ნაკადის დაწყებით და შეჩერებით. CMOS ვიზუალიზაციაში არსებობს ელექტრონული ჩამკეტის ორი ძირითადი არქიტექტურა: გლობალური ჩამკეტი და მოძრავი ჩამკეტი.
რატომ არის განსხვავება მნიშვნელოვანი? იმიტომ, რომ ექსპოზიციისა და მონაცემების ჩვენების მეთოდი პირდაპირ გავლენას ახდენს:
● მოძრაობის რენდერინგი და დისტორსია
● გამოსახულების სიმკვეთრე
● დაბალი განათების მგრძნობელობა
● კადრების სიხშირე და შეყოვნება
● საერთო შესაბამისობა სხვადასხვა ტიპის ფოტოგრაფიისთვის, ვიდეოსთვის და სამეცნიერო გამოსახულების გადაღებისთვის
გლობალური ჩამკეტის გაგება
წყარო: GMAX3405 გლობალური ჩამკეტის სენსორი
როგორ მუშაობს გლობალური ჩამკეტი
CMOS გლობალური ჩამკეტის მქონე კამერები ექსპოზიციას ერთდროულად იწყებენ და ასრულებენ მთელ სენსორზე. ეს მიიღწევა პიქსელზე 5 ან მეტი ტრანზისტორის და „შენახვის კვანძის“ გამოყენებით, რომელიც ინახავს მიღებულ ფოტოელექტრონულ მუხტებს წაკითხვის დროს. ექსპოზიციის თანმიმდევრობა შემდეგია:
1. დაიწყეთ ექსპოზიცია თითოეულ პიქსელში ერთდროულად, მიღებული მუხტების მიწასთან გასწორებით.
2. დაელოდეთ არჩეულ ექსპოზიციის დროს.
3. ექსპოზიციის დასრულების შემდეგ, შეძენილი მუხტები გადაიტანეთ თითოეულ პიქსელში არსებულ შენახვის კვანძში, რითაც დასრულდება ამ კადრის ექსპოზიცია.
4. რიგით რიგით გადაიტანეთ ელექტრონები პიქსელის წამკითხველ კონდენსატორში და დაგროვილი ძაბვა გადაეცით წამკითხველ არქიტექტურას, რაც კულმინაციას აღწევს ანალოგურ-ციფრული გადამყვანებით (ADC). შემდეგი ექსპოზიცია, როგორც წესი, შეიძლება შესრულდეს ამ ეტაპზე ერთდროულად.
გლობალური ჩამკეტის უპირატესობები
● მოძრაობის დამახინჯების გარეშე – მოძრავი ობიექტები ინარჩუნებენ ფორმასა და გეომეტრიას იმ დახრილობისა და რხევის გარეშე, რაც შეიძლება თანმიმდევრული წაკითხვის დროს წარმოიშვას.
● მაღალსიჩქარიანი გადაღება – იდეალურია სწრაფი მოძრაობის სცენებში მოძრაობის გაყინვისთვის, როგორიცაა სპორტი, რობოტიკა ან წარმოების ხარისხის კონტროლი.
● დაბალი შეყოვნება – გამოსახულების ყველა მონაცემი ერთდროულად არის ხელმისაწვდომი, რაც უზრუნველყოფს ზუსტ სინქრონიზაციას გარე მოვლენებთან, როგორიცაა ლაზერული იმპულსები ან სტრობოსკოპული განათება.
გლობალური ჩამკეტის შეზღუდვები
● სინათლისადმი დაბალი მგრძნობელობა – ზოგიერთი გლობალური ჩამკეტის პიქსელის დიზაინი სინათლის შეგროვების ეფექტურობას ამცირებს ერთდროული ექსპოზიციისთვის საჭირო სქემების გათვალისწინებით.
● უფრო მაღალი ღირებულება და სირთულე – დამზადება უფრო რთულია, რაც ხშირად იწვევს უფრო მაღალ ფასებს რულონისებრ ანალოგებთან შედარებით.
● ხმაურის გაზრდის პოტენციალი – სენსორის დიზაინიდან გამომდინარე, პიქსელზე დამატებითმა ელექტრონიკამ შეიძლება გამოიწვიოს წაკითხვის ხმაურის ოდნავ გაზრდა.
როლიკებით ჩამკეტის გაგება
როგორ მუშაობს მოძრავი ჩამკეტი
მხოლოდ 4 ტრანზისტორის და შენახვის კვანძის გარეშე, CMOS პიქსელის დიზაინის ეს უფრო მარტივი ფორმა იწვევს ელექტრონული ჩამკეტის უფრო რთულ ოპერაციას. მოძრავი ჩამკეტის პიქსელები იწყებენ და აჩერებენ სენსორის ექსპოზიციას ზედიზედ, სენსორზე „მოძრავებით“. თითოეული ექსპოზიციისთვის დაცულია საპირისპირო თანმიმდევრობა (ასევე ნაჩვენებია ფიგურაზე):
სურათი: 6x6 პიქსელიანი კამერის სენსორისთვის მოძრავი ჩამკეტის პროცესი
პირველი კადრი ექსპოზიციას (ყვითელი) სენსორის ზედა ნაწილიდან იწყებს და სტრიქონზე ერთი ხაზის სიჩქარით ქვემოთ მოძრაობს. ზედა ხაზის ექსპოზიციის დასრულების შემდეგ, სენსორის გასწვრივ ქვემოთ მოძრაობს ჩაწერილი სურათი (იისფერი), რასაც მოჰყვება შემდეგი ექსპოზიციის დაწყება (ლურჯი).
1. სენსორის ზედა რიგის ექსპოზიცია დაიწყეთ მიღებული მუხტების მიწასთან გასწორებით.
2. „რიგის დროის“ ამოწურვის შემდეგ, გადადით სენსორის მეორე რიგში და დაიწყეთ ექსპოზიცია, გაიმეორეთ ეს პროცესი სენსორზე.
3. ზედა რიგისთვის მოთხოვნილი ექსპოზიციის დროის დასრულების შემდეგ, ექსპოზიცია დაასრულეთ მიღებული მუხტების წაკითხვის არქიტექტურის მეშვეობით გაგზავნით. ამისთვის საჭირო დრო „რიგის დროა“.
4. როგორც კი რიგის წაკითხვა დასრულდება, ის მზადაა ექსპოზიციის ხელახლა დასაწყებად 1-ლი ნაბიჯიდან, მაშინაც კი, თუ ეს ნიშნავს წინა ექსპოზიციის შემსრულებელ სხვა რიგებთან გადაფარვას.
როლიკებით ჩამკეტის უპირატესობები
●უკეთესი შესრულება დაბალი განათების პირობებში– პიქსელების დიზაინს შეუძლია პრიორიტეტი მიანიჭოს სინათლის შეგროვებას, რაც აუმჯობესებს სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობას ბნელ პირობებში.
●უფრო მაღალი დინამიური დიაპაზონი– თანმიმდევრული წაკითხვის დიზაინს შეუძლია უფრო ელეგანტურად დაამუშაოს უფრო ნათელი განათებები და მუქი ჩრდილები.
●უფრო ხელმისაწვდომი– როლიკებიანი ჩამკეტის CMOS სენსორები უფრო გავრცელებული და ეკონომიურია წარმოებაში.
როლიკებით ჩამკეტის შეზღუდვები
●მოძრაობის არტეფაქტები– სწრაფად მოძრავი ობიექტები შეიძლება დახრილი ან დახრილი ჩანდეს, რაც ცნობილია როგორც „მოძრავი ჩამკეტის ეფექტი“.
●ჟელეს ეფექტი ვიდეოში– ხელით გადაღებულმა კადრებმა, რომლებსაც ვიბრაცია ან სწრაფი პანორამირება აქვთ, შეიძლება გამოსახულების რყევა გამოიწვიოს.
●სინქრონიზაციის გამოწვევები– ნაკლებად იდეალურია გარე მოვლენების ზუსტი დროის მოთხოვნის მქონე აპლიკაციებისთვის.
გლობალური და მოძრავი ჩამკეტები: შედარება
აქ მოცემულია მოძრავი და გლობალური ჟალუზების შედარების ზოგადი მიმოხილვა:
| ფუნქცია | მოძრავი ჩამკეტი | გლობალური ჩამკეტი |
| პიქსელის დიზაინი | 4-ტრანზისტორი (4T), შენახვის კვანძის გარეშე | 5+ ტრანზისტორი, მოიცავს შენახვის კვანძს |
| სინათლის მგრძნობელობა | უფრო მაღალი შევსების ფაქტორი, ადვილად ადაპტირებადი უკნიდან განათებულ ფორმატთან → უფრო მაღალი QE | დაბალი შევსების ფაქტორი, BSI უფრო რთული |
| ხმაურის შესრულება | ზოგადად, წაკითხვის ხმაური უფრო დაბალია | შეიძლება ოდნავ მაღალი ხმაური იყოს დამატებითი სქემების გამო |
| მოძრაობის დამახინჯება | შესაძლებელია (დახრილობა, რხევა, ჟელეს ეფექტი) | არცერთი — ყველა პიქსელი ერთდროულად არის გამოფენილი |
| სიჩქარის პოტენციალი | შეუძლია ექსპოზიციების გადაფარვა და მრავალი რიგის წაკითხვა; ზოგიერთ დიზაინში ხშირად უფრო სწრაფია | შეზღუდულია სრული კადრის ჩვენებით, თუმცა გაყოფილი ჩვენება შეიძლება დაგეხმაროთ |
| ღირებულება | წარმოების დაბალი ღირებულება | წარმოების უფრო მაღალი ღირებულება |
| საუკეთესო გამოყენების შემთხვევები | დაბალი განათების პირობებში გადაღება, კინემატოგრაფია, ზოგადი ფოტოგრაფია | მაღალსიჩქარიანი მოძრაობის აღრიცხვა, სამრეწველო შემოწმება, ზუსტი მეტროლოგია |
ძირითადი შესრულების განსხვავებები
როლიკებით ჩამკეტის პიქსელები, როგორც წესი, იყენებენ 4-ტრანზისტორულ (4T) დიზაინს შენახვის კვანძის გარეშე, ხოლო გლობალურ ჩამკეტებს სჭირდებათ 5 ან მეტი ტრანზისტორი თითო პიქსელზე, პლუს დამატებითი სქემები ფოტოელექტრონების შესანახად წაკითხვამდე.
●შევსების ფაქტორი და მგრძნობელობა– უფრო მარტივი 4T არქიტექტურა პიქსელების შევსების უფრო მაღალი კოეფიციენტის საშუალებას იძლევა, რაც იმას ნიშნავს, რომ თითოეული პიქსელის ზედაპირის უფრო მეტი ნაწილი სინათლის შეგროვებას ეთმობა. ეს დიზაინი, იმ ფაქტთან ერთად, რომ მოძრავი ჩამკეტის სენსორების უფრო ადვილად ადაპტირება შესაძლებელია უკნიდან განათების ფორმატზე, ხშირად უფრო მაღალ კვანტურ ეფექტურობას იწვევს.
●ხმაურის შესრულება– ნაკლები ტრანზისტორი და ნაკლებად რთული სქემები ზოგადად ნიშნავს, რომ მოძრავი ჟალუზები უფრო დაბალ წაკითხვის ხმაურს ავლენენ, რაც მათ უკეთესად შეეფერებათ დაბალი განათების პირობებში გამოყენებისთვის.
●სიჩქარის პოტენციალი– გარკვეულ არქიტექტურებში მოძრავი ჟალუზები შეიძლება უფრო სწრაფი იყოს, რადგან ისინი ექსპოზიციისა და ჩვენების გადაფარვის საშუალებას იძლევიან, თუმცა ეს დიდად არის დამოკიდებული სენსორის დიზაინსა და ჩვენების ელექტრონიკაზე.
ღირებულება და წარმოება – მოძრავი ჟალუზების პიქსელების სიმარტივე, როგორც წესი, წარმოების დაბალ ხარჯებს იწვევს გლობალურ ჟალუზებთან შედარებით.
დამატებითი მოსაზრებები და ტექნიკა
ფსევდო-გლობალური ჩამკეტი
იმ სიტუაციებში, როდესაც შეგიძლიათ ზუსტად აკონტროლოთ, როდის აღწევს სინათლე სენსორამდე — მაგალითად, აპარატურით გააქტიურებული LED ან ლაზერული სინათლის წყაროს გამოყენებით — შეგიძლიათ მიაღწიოთ „გლობალურ მსგავს“ შედეგებს მოძრავი ჩამკეტის გამოყენებით. ფსევდოგლობალური ჩამკეტის ეს მეთოდი სინქრონიზებს განათებას ექსპოზიციის ფანჯარასთან, რაც მინიმუმამდე ამცირებს მოძრაობის არტეფაქტებს ნამდვილი გლობალური ჩამკეტის დიზაინის საჭიროების გარეშე.
სურათის გადაფარვა
როლიკებით ჩამკეტის სენსორებს შეუძლიათ შემდეგი კადრის ექსპოზიცია მიმდინარე კადრის წაკითხვამდე დაიწყონ. ასეთი გადაფარვის ექსპოზიცია აუმჯობესებს სამუშაო ციკლს და სასარგებლოა მაღალსიჩქარიანი აპლიკაციებისთვის, სადაც წამში კადრების მაქსიმალური რაოდენობის გადაღება კრიტიკულად მნიშვნელოვანია, მაგრამ შეიძლება გაართულოს დროის მიმართ მგრძნობიარე ექსპერიმენტები.
მრავალი რიგის წაკითხვა
ბევრ მაღალსიჩქარიან CMOS კამერას შეუძლია პიქსელების ერთზე მეტი რიგის ერთდროულად წაკითხვა. ზოგიერთ რეჟიმში რიგები წყვილებად იკითხება; მოწინავე დიზაინებში ერთდროულად ოთხ რიგამდე წაკითხვაა შესაძლებელი, რაც ეფექტურად ამცირებს კადრის წაკითხვის მთლიან დროს.
გაყოფილი სენსორის არქიტექტურა
როგორც მოძრავი, ასევე გლობალური ჩამკეტებით შესაძლებელია გაყოფილი სენსორის განლაგების გამოყენება, სადაც გამოსახულების სენსორი ვერტიკალურად იყოფა ორ ნაწილად, თითოეულს აქვს საკუთარი ანალოგური გადამყვანების რიგი.
● მოძრავი ჩამკეტის გაყოფილი სენსორების შემთხვევაში, ჩვენება ხშირად იწყება ცენტრიდან და გორავს გარეთ, როგორც ზემოდან, ასევე ქვემოდან, რაც კიდევ უფრო ამცირებს შეყოვნებას.
● გლობალური ჩამკეტის დიზაინში, გაყოფილი წაკითხვა აუმჯობესებს კადრების სიხშირეს ექსპოზიციის ერთდროულობის შეცვლის გარეშე.
როგორ ავირჩიოთ თქვენი აპლიკაციისთვის: მოძრავი თუ გლობალური ჩამკეტი?
გლობალურმა ჩამკეტმა შესაძლოა აპლიკაციებისთვის სასარგებლო იყოს
● მოვლენების მაღალი სიზუსტის დროის მოთხოვნა
● ძალიან მოკლე ექსპოზიციის დრო სჭირდება
● მოვლენასთან სინქრონიზაციისთვის, შეგროვების დაწყებამდე მილიწამზე ნაკლები დაყოვნების მოთხოვნა
● გადაიღეთ დიდი მასშტაბის მოძრაობა ან დინამიკა მსგავს ან უფრო სწრაფად დროში, როგორც მოძრავი ჩამკეტი
● სენსორს შორის ერთდროული გადაღებაა საჭირო, მაგრამ დიდ ფართობზე ფსევდოგლობალური ჩამკეტის გამოსაყენებლად სინათლის წყაროების კონტროლი შეუძლებელია
მოძრავი ჩამკეტი შეიძლება სასარგებლო იყოს აპლიკაციებისთვის
● დაბალი განათების პირობებში რთული აპლიკაციები: მოძრავი ჩამკეტის კამერების დამატებითი კვანტური ეფექტურობა და დაბალი ხმაური ხშირად იწვევს გაუმჯობესებულ SNR-ს
● მაღალსიჩქარიანი აპლიკაციები, სადაც სენსორზე ზუსტი ერთდროულობა არ არის მნიშვნელოვანი, ან შეფერხება მცირეა ექსპერიმენტულ ვადებთან შედარებით
● სხვა, უფრო ზოგადი გამოყენების სფეროები, სადაც მოძრავი ჩამკეტის კამერების წარმოების სიმარტივე და დაბალი ღირებულება სასარგებლოა
გავრცელებული მცდარი წარმოდგენები
1. „როლინგ-შლეიდერის ჩართვა ყოველთვის ცუდია“.
ეს სიმართლეს არ შეესაბამება — მოძრავი ჟალუზები იდეალურია მრავალი შემთხვევისთვის და ხშირად დაბალი განათებისა და დინამიური დიაპაზონის პირობებში გლობალურ ჟალუზებს აჯობებს.
2. „გლობალური ჩამკეტი ყოველთვის უკეთესია“.
მიუხედავად იმისა, რომ დამახინჯების გარეშე გადაღება უპირატესობას წარმოადგენს, ფასის, ხმაურისა და მგრძნობელობის კომპრომისებმა შეიძლება გადააჭარბოს ნელი ტემპით გადაღების უპირატესობებს.
3. „ვიდეოს გადაღება მოძრავი ჩამკეტით შეუძლებელია.“
ბევრი მაღალი კლასის კინოკამერა ეფექტურად იყენებს მოძრავი ჩამკეტებს; გადაღების ფრთხილად ტექნიკას შეუძლია არტეფაქტების მინიმუმამდე დაყვანა.
4. „გლობალური ჩამკეტები გამორიცხავს მოძრაობისას დაბინდვას“.
ისინი ხელს უშლიან გეომეტრიულ დამახინჯებას, თუმცა ხანგრძლივი ექსპოზიციის დროით გამოწვეული მოძრაობის დაბინდვა მაინც შეიძლება წარმოიშვას.
დასკვნა
CMOS კამერაში გლობალურ და მოძრავი ჩამკეტის ტექნოლოგიას შორის არჩევანი დამოკიდებულია მოძრაობის დამუშავების, სინათლის მგრძნობელობის, ღირებულებისა და თქვენი კონკრეტული აპლიკაციის საჭიროებებს შორის ბალანსზე.
● თუ სწრაფი მოძრავი სცენებისთვის დამახინჯების გარეშე გადაღება გჭირდებათ, გლობალური ჩამკეტის რეჟიმი ნამდვილად საუკეთესო არჩევანია.
● თუ დაბალი განათების პირობებში მუშაობისას უპირატესობას ანიჭებთ მუშაობას, დინამიურ დიაპაზონსა და ბიუჯეტს, მოძრავი ჩამკეტი ხშირად საუკეთესო შედეგებს იძლევა.
ამ განსხვავებების გააზრება უზრუნველყოფს, რომ შეგიძლიათ აირჩიოთ სწორი ინსტრუმენტი — იქნება ეს სამეცნიერო ვიზუალიზაციისთვის, სამრეწველო მონიტორინგისთვის თუ შემოქმედებითი წარმოებისთვის.
ხშირად დასმული კითხვები
რომელი ტიპის ჩამკეტია უკეთესი აეროფოტოგრაფიისთვის ან დრონის რუკების გადასაღებად?
რუკების შედგენის, აზომვისა და შემოწმებისთვის, სადაც გეომეტრიული სიზუსტე გადამწყვეტია, დამახინჯების თავიდან ასაცილებლად უპირატესობა ენიჭება გლობალურ ჩამკეტს. თუმცა, კრეატიული აეროვიდეოსთვის, მოძრავი ჩამკეტით მაინც შესაძლებელია შესანიშნავი შედეგების მიღება, თუ მოძრაობები კონტროლირებადია.
როგორ მოქმედებს ჩამკეტის არჩევანი დაბალი განათების პირობებში გადაღებაზე?
როგორც წესი, დაბალი განათების პირობებში როლიკებით მოძრავ ჟალუზებს უპირატესობა აქვთ, რადგან მათი პიქსელების დიზაინი სინათლის შეგროვების ეფექტურობას ანიჭებს უპირატესობას. გლობალურ ჟალუზებს შეიძლება უფრო რთული სქემები დასჭირდეთ, რამაც შეიძლება მგრძნობელობა ოდნავ შეამციროს, თუმცა თანამედროვე დიზაინი ამ ხარვეზს ამცირებს.
როგორ მოქმედებს ჩამკეტის ტიპისამეცნიერო კამერა?
მაღალსიჩქარიანი სამეცნიერო ვიზუალიზაციისას — როგორიცაა ნაწილაკების თვალყურის დევნება, უჯრედის დინამიკა ან ბალისტიკა — გლობალური ჩამკეტი ხშირად აუცილებელია მოძრაობის დამახინჯების თავიდან ასაცილებლად. თუმცა, დაბალი განათების პირობებში ფლუორესცენტული მიკროსკოპიისთვის,sCMOS კამერამგრძნობელობისა და დინამიური დიაპაზონის მაქსიმიზაციისთვის შეიძლება შეირჩეს მოძრავი ჩამკეტი.
რომელია უკეთესი სამრეწველო შემოწმებისთვის?
სამრეწველო შემოწმების ამოცანების უმეტესობაში, განსაკუთრებით ისეთებში, რომლებიც დაკავშირებულია კონვეიერის ლენტების გადაადგილებასთან, რობოტიკასთან ან მანქანურ ხედვასთან, გლობალური ჩამკეტი უფრო უსაფრთხო არჩევანია მოძრაობით გამოწვეული გეომეტრიული შეცდომების გარეშე ზუსტი გაზომვების უზრუნველსაყოფად.
Tucsen Photonics Co., Ltd. ყველა უფლება დაცულია. ციტირებისას, გთხოვთ, მიუთითოთ წყარო:www.tucsen.com
