25/08/21Сандық бейнелеу әлемінде сенсордағы электронды ысырма түрі сияқты кескін сапасына бірнеше техникалық факторлар әсер етеді. Жоғары жылдамдықтағы өндірістік процестерді түсіріп жатсаңыз да, кинематографиялық тізбектерді түсіріп жатсаңыз немесе әлсіз астрономиялық құбылыстарды түсіріп жатсаңыз да, CMOS камераңыздағы ысырма технологиясы соңғы кескініңіздің қалай болатынында маңызды рөл атқарады.
CMOS электронды жапқыштарының екі басым түрі, жаһандық жапқыштар және жылжымалы жапқыштар сенсордан жарық шығаруға және оқуға мүлдем басқаша тәсілдерді қолданады. Кескіндеу жүйесін қолданбаға сәйкестендіру үшін олардың айырмашылықтарын, күшті жақтарын және өзара тиімді жақтарын түсіну өте маңызды.
Бұл мақалада CMOS электронды жапқыштары дегеніміз не, жаһандық және жылжымалы жапқыштар қалай жұмыс істейтіні, олардың нақты жағдайларда қалай жұмыс істейтіні және қайсысы сізге қолайлы екенін қалай шешуге болатынын түсіндіреді.
CMOS электронды жапқыштары дегеніміз не?
CMOS сенсоры көптеген заманауи камералардың жүрегі болып табылады. Ол кіріс жарықты суретке өңдеуге болатын электрлік сигналдарға түрлендіруге жауапты. А-дағы «ысырма».CMOS камерасыміндетті түрде механикалық перде емес — көптеген заманауи конструкциялар пикселдердің жарықты қалай және қашан түсіретінін басқаратын электронды ысырмаға сүйенеді.
Жарықты физикалық түрде блоктайтын механикалық ысырмадан айырмашылығы, электронды ысырма әрбір пиксельдегі заряд ағынын бастау және тоқтату арқылы жұмыс істейді. CMOS кескінінде екі негізгі электронды ысырма архитектурасы бар: жаһандық ысырма және жылжымалы ысырма.
Неліктен айырмашылық маңызды? Себебі экспозиция және оқу әдісі тікелей әсер етеді:
● Қозғалыс көрсету және бұрмалау
● Кескін анықтығы
● Төмен жарыққа сезімталдық
● Кадр жиілігі және кідіріс
● Фотосуреттің, бейненің және ғылыми кескіннің әртүрлі түрлері үшін жалпы жарамдылық
Ғаламдық ысырманы түсіну
Дереккөз: GMAX3405 жаһандық ысырма сенсоры
Жаһандық ысырма қалай жұмыс істейді
CMOS Global ысырма камералары бір уақытта бүкіл сенсорда экспозицияны бастайды және аяқтайды. Бұл пиксельге 5 немесе одан да көп транзисторларды және оқу кезінде алынған фотоэлектрондық зарядтарды ұстайтын «сақтау түйінін» пайдалану арқылы қол жеткізіледі. Экспозицияның реті келесідей:
1. Жерге алынған зарядтарды тазарту арқылы әрбір пикселде бір уақытта экспозицияны бастаңыз.
2. Таңдалған экспозиция уақытын күтіңіз.
3. Экспозицияның соңында алынған зарядтарды әрбір пикселдегі сақтау түйініне жылжытып, сол кадрдың экспозициясын аяқтаңыз.
4. Қатар бойынша электрондарды пиксельдің оқу конденсаторына жылжытыңыз және жинақталған кернеуді аналогты-цифрлық түрлендіргіштермен (ADC) аяқталатын оқу архитектурасына жіберіңіз. Келесі экспозиция әдетте осы қадаммен бір уақытта орындалуы мүмкін.
Ғаламдық ысырманың артықшылықтары
● Қозғалыс бұрмаланбайды – қозғалатын нысандар ретті оқу кезінде орын алуы мүмкін қисаю немесе дірілсіз пішіні мен геометриясын сақтайды.
● Жоғары жылдамдықты түсіру – спорттағы, робототехникадағы немесе өндіріс сапасын бақылау сияқты жылдам қозғалатын көріністердегі қозғалысты тоқтату үшін өте қолайлы.
● Төмен кідіріс – барлық кескін деректері бір уақытта қолжетімді болып, лазерлік импульстар немесе строб шамдары сияқты сыртқы оқиғалармен дәл синхрондауға мүмкіндік береді.
Ғаламдық ысырманың шектеулері
● Төмен жарық сезімталдығы – кейбір жаһандық ысырма пикселдерінің конструкциялары бір уақытта экспозицияға қажетті схеманы орналастыру үшін жарық жинау тиімділігін жоғалтады.
● Жоғары құны және күрделілігі – өндіру қиынырақ, бұл көбінесе жылжымалы ысырмалармен салыстырғанда жоғары бағаға әкеледі.
● Шудың жоғарылау мүмкіндігі – сенсор дизайнына байланысты бір пиксельге қосымша электроника оқу шуының аздап жоғарылауына әкелуі мүмкін.
Айналмалы жапқыш туралы түсінік
Айналмалы жапқыш қалай жұмыс істейді
Тек 4 транзисторды және сақтау түйінін пайдаланбай, CMOS пиксельдік дизайнының бұл қарапайым түрі электронды ысырманың күрделірек жұмысына әкеледі. Жылжымалы ысырма пикселдері сенсордың экспозициясын бір уақытта бастайды және тоқтатады, сенсорды «төмен қарай айналдырады». Әрбір экспозиция үшін қарама-қарсы реттілік (суретте де көрсетілген) орындалады:
Сурет: 6x6 пиксель камера сенсорына арналған жылжымалы ысырма процесі
Бірінші кадр датчиктің жоғарғы жағында экспозицияны (сары) бастайды, әр жол уақытына бір жолдың жылдамдығымен төмен қарай жылжиды. Жоғарғы жол үшін экспозиция аяқталғаннан кейін оқылатын (күлгін), одан кейін келесі экспозицияның басталуы (көк) сенсорды төмен қарай жылжытады.
1. Жерге алынған зарядтарды тазарту арқылы сенсордың жоғарғы жолына әсер етуді бастаңыз.
2. «Қатар уақыты» өткеннен кейін сенсордың екінші жолына өтіп, сенсорды төмен қайталай отырып, экспозицияны бастаңыз.
3. Сұралған экспозиция уақыты жоғарғы жол үшін аяқталғаннан кейін, оқу архитектурасы арқылы алынған зарядтарды жіберу арқылы экспозицияны аяқтаңыз. Мұны істеуге кететін уақыт «қатар уақыты» болып табылады.
4. Жолды оқу аяқталғаннан кейін ол 1-қадамнан бастап экспозицияны қайта бастауға дайын болады, тіпті бұл алдыңғы экспозицияны орындайтын басқа жолдармен қабаттасуды білдірсе де.
Айналмалы жапқыштың артықшылықтары
●Төмен жарықта жақсырақ өнімділік– Пиксель конструкциялары күңгірт жағдайларда сигнал-шу қатынасын жақсарта отырып, жарық жинауға басымдық бере алады.
●Жоғары динамикалық диапазон– Тізбектелген оқу дизайндары жарқынырақ бөлектеулерді және күңгірт көлеңкелерді әдемірек өңдей алады.
●Неғұрлым қолжетімді– Айналмалы ысырманың CMOS сенсорлары кең таралған және өндірісте үнемді.
Айналмалы ысырманың шектеулері
●Қозғалыс артефактілері– Жылдам қозғалатын нысандар қисайған немесе майысқан болып көрінуі мүмкін, бұл «айналмалы ысырма әсері» деп аталады.
●Бейнедегі Jello эффектісі– Діріл немесе жылдам панорамалау бар қолмен түсірілген бейнелер кескінде діріл тудыруы мүмкін.
●Синхрондау қиындықтары– Сыртқы оқиғалармен дәл уақытты қажет ететін қолданбалар үшін қолайлы емес.
Жаһандық және жылжымалы ысырма: қатарлас салыстыру
Мұнда жылжымалы және жаһандық жапқыштардың қалай салыстырылатынының жоғары деңгейлі көрінісі берілген:
| Ерекшелік | Айналмалы жапқыш | Ғаламдық ысырма |
| Пиксель дизайны | 4-транзистор (4Т), сақтау түйіні жоқ | 5+ транзисторлар, сақтау түйінін қамтиды |
| Жарық сезімталдығы | Артқы жарықтандырылған форматқа оңай бейімделген жоғары толтыру коэффициенті → жоғары QE | Төменгі толтыру коэффициенті, BSI күрделірек |
| Шу өнімділігі | Әдетте төмен оқу шуы | Қосымша схемаға байланысты аздап жоғары шу болуы мүмкін |
| Қозғалыс бұрмалануы | Мүмкін (қисайу, тербелу, желе әсері) | Ешбір — барлық пикселдер бір уақытта көрсетіледі |
| Жылдамдық потенциалы | Экспозицияларды қабаттастырып, бірнеше жолдарды оқи алады; кейбір конструкцияларда жиі жылдамырақ | Бөлінген оқу көмектесуі мүмкін болса да, толық кадрды оқумен шектелген |
| Құны | Төменгі өндіріс құны | Жоғары өндіріс құны |
| Ең жақсы пайдалану жағдайлары | Жарықсыз бейнелеу, кинематография, жалпы фотосурет | Жоғары жылдамдықтағы қозғалысты түсіру, өнеркәсіптік тексеру, дәл метрология |
Негізгі өнімділік айырмашылықтары
Жылжымалы ысырма пикселдері әдетте сақтау түйіні жоқ 4 транзисторлы (4Т) дизайнды пайдаланады, ал жаһандық жапқыштар бір пиксельге 5 немесе одан да көп транзисторды және оқуға дейін фотоэлектрондарды сақтау үшін қосымша схеманы қажет етеді.
●Толтыру факторы және сезімталдық– Қарапайым 4T архитектурасы пиксельді толтыру коэффициентінің жоғарылауына мүмкіндік береді, яғни әрбір пиксель бетінің көбірек бөлігі жарық жинауға арналған. Бұл дизайн жылжымалы ысырма сенсорларын артқы жарықтандырылған форматқа оңай бейімдеуге болатындығымен үйлескенде, көбінесе кванттық тиімділіктің жоғарылауына әкеледі.
●Шу өнімділігі– Транзисторлардың аздығы және аз күрделі схемалар, әдетте, жылжымалы жапқыштар төмен оқу шуын көрсетеді, бұл оларды жарық аз қолданбаларға жақсырақ етеді.
●Жылдамдық потенциалы– Айналмалы жапқыштар белгілі бір архитектураларда жылдамырақ болуы мүмкін, өйткені олар бір-бірінің қабаттасатын экспозиция мен оқуға мүмкіндік береді, дегенмен бұл сенсор дизайны мен оқу электроникасына өте тәуелді.
Құны және өндіріс – Жылжымалы ысырма пикселдерінің қарапайымдылығы, әдетте, жаһандық жапқыштармен салыстырғанда өндіріс шығындарының төмендеуіне әкеледі.
Жетілдірілген қарастырулар мен әдістер
Псевдо-жаһандық ысырма
Жарық сенсорға жеткенде дәл бақылауға болатын жағдайларда (мысалы, жарықдиодты немесе аппараттық құрал арқылы іске қосылған лазерлік жарық көзін пайдалану) жылжымалы ысырма арқылы «жаһандық ұқсас» нәтижелерге қол жеткізуге болады. Бұл жалған жаһандық ысырма әдісі жарықтандыруды экспозициялық тереземен үндестіреді, шынайы ғаламдық ысырма дизайнын қажет етпестен қозғалыс артефактілерін азайтады.
Кескіннің қабаттасуы
Жылжымалы ысырма сенсорлары ағымдағы кадрды оқу аяқталмай тұрып келесі кадрды көрсете бастайды. Бұл қабаттасатын экспозиция жұмыс циклін жақсартады және секундына кадрлардың максималды санын түсіру маңызды болып табылатын жоғары жылдамдықты қолданбалар үшін пайдалы, бірақ уақытқа сезімтал эксперименттерді қиындатады.
Бірнеше жолды оқу
Көптеген жоғары жылдамдықты CMOS камералары бір уақытта бірнеше пиксель қатарын оқи алады. Кейбір режимдерде жолдар жұппен оқылады; жетілдірілген дизайнда төрт жолға дейін бір уақытта оқуға болады, бұл кадрды оқу уақытының жалпы уақытын тиімді қысқартады.
Бөлінген сенсор архитектурасы
Айналмалы және жаһандық жапқыштар бөлінген сенсордың орналасуын пайдалана алады, мұнда кескін сенсоры тігінен екі жартыға бөлінеді, олардың әрқайсысында жеке ADC қатары бар.
● Айналмалы ысырманы бөлу сенсорларында оқу жиі ортасынан басталып, сыртқа қарай үстіңгі және астыңғы жағына қарай жылжиды, бұл кідірісті одан әрі азайтады.
● Жаһандық ысырма конструкцияларында бөлінген оқу экспозицияның бір уақытталығын өзгертпестен кадр жиілігін жақсарта алады.
Қолданбаңызды қалай таңдауға болады: жылжымалы немесе жаһандық ысырма?
Жаһандық ысырма қолданбаларға пайдалы болуы мүмкін
● Оқиғалардың жоғары дәлдіктегі уақытын талап ету
● Өте қысқа экспозиция уақытын талап етеді
● Оқиғамен синхрондау үшін алу басталғанға дейін миллисекундтық кідірісті талап ету
● Жылжымалы ысырмаға ұқсас немесе жылдамырақ уақыт шкаласында үлкен масштабты қозғалысты немесе динамиканы түсіріңіз
● Сенсор арқылы бір уақытта алуды талап етеді, бірақ үлкен аумақта жалған жаһандық ысырманы пайдалану үшін жарық көздерін басқара алмайды
Айналмалы ысырма қолданбаларға пайдалы болуы мүмкін
● Күрделі жарық аз қолданбалар: жылжымалы ысырма камераларының қосымша кванттық тиімділігі мен төмен шуы көбінесе SNR жақсаруына әкеледі.
● Сенсордағы дәл бір уақыттағы маңызды емес немесе эксперименттік уақыт шкалаларымен салыстырғанда кідіріс аз болатын жоғары жылдамдықты қолданбалар
● Жылжымалы ысырма камераларының өндірісінің қарапайымдылығы мен төмен құны пайдалы болатын басқа жалпы қолданбалар
Жалпы қате түсініктер
1. «Айналмалы жапқыш әрқашан нашар».
Дұрыс емес — жылжымалы ысырмалар көптеген пайдалану жағдайлары үшін өте қолайлы және жиі жарық аз және динамикалық диапазонда жаһандық жапқыштардан асып түседі.
2. «Жаһандық ысырма әрқашан жақсы».
Бұрмалаусыз түсіру артықшылығы болғанымен, құны, шуы және сезімталдығы баяуырақ бейнелеудің артықшылықтарынан басым болуы мүмкін.
3. «Айналмалы ысырмамен бейне түсіруге болмайды».
Көптеген жоғары сапалы кинотеатрлар жылжымалы ысырмаларды тиімді пайдаланады; мұқият түсіру әдістері артефактілерді азайтуға мүмкіндік береді.
4. "Жаһандық ысырмалар қозғалыстың бұлдырлығын жояды."
Олар геометриялық бұрмалануды болдырмайды, бірақ ұзақ экспозиция уақытынан қозғалыстың бұлдырлығы әлі де орын алуы мүмкін.
Қорытынды
CMOS камерасындағы жаһандық және жылжымалы ысырма технологиясы арасындағы таңдау қозғалысты өңдеу, жарық сезімталдығы, құны және арнайы қолданба қажеттіліктері арасындағы тепе-теңдікке негізделеді.
● Жылдам қозғалатын көріністер үшін бұрмалаусыз түсіру қажет болса, ғаламдық ысырма - бұл нақты таңдау.
● Төмен жарық өнімділігіне, динамикалық диапазонға және бюджетке басымдық берсеңіз, жылжымалы ысырма жиі ең жақсы нәтижелерді береді.
Бұл айырмашылықтарды түсіну дұрыс құралды таңдауға мүмкіндік береді — ол ғылыми кескінге, өндірістік бақылауға немесе шығармашылық өндіріске арналған.
Жиі қойылатын сұрақтар
Аэрофототүсірілім немесе ұшқышсыз картаға түсіру үшін қандай ысырма түрі жақсы?
Геометриялық дәлдік маңызды болып табылатын картаға түсіру, түсіру және тексеру үшін бұрмалануды болдырмау үшін жаһандық ысырманы таңдаған дұрыс. Дегенмен, креативті аэробейне үшін жылжымалы жапқыш қозғалыстар басқарылатын болса, әлі де тамаша нәтижелер бере алады.
Ысырма таңдауы аз жарықтағы кескінге қалай әсер етеді?
Айналмалы жапқыштар әдетте аз жарықта жұмыс істеуде артықшылыққа ие, өйткені олардың пиксельдік конструкциялары жарық жинау тиімділігіне басымдық бере алады. Жаһандық жапқыштар сезімталдықты сәл төмендететін күрделі схемаларды қажет етуі мүмкін, дегенмен заманауи дизайн бұл алшақтықты жабады.
Ысырма түрі aғылыми камера?
Бөлшектерді бақылау, жасуша динамикасы немесе баллистика сияқты жоғары жылдамдықты ғылыми кескінде қозғалыстың бұрмалануын болдырмау үшін жаһандық ысырма жиі қажет. Бірақ жарық аз флуоресцентті микроскопия үшін, анsCMOS камерасысезімталдық пен динамикалық диапазонды ұлғайту үшін жылжымалы жапқышты таңдауға болады.
Өнеркәсіптік тексеру үшін қайсысы жақсы?
Өнеркәсіптік тексеру тапсырмаларының көпшілігінде (әсіресе қозғалатын конвейер таспаларын, робототехниканы немесе машинаны көруді қамтитын) жаһандық ысырма қозғалыстан туындаған геометриялық қателерсіз дәл өлшеулерді қамтамасыз ету үшін қауіпсіз таңдау болып табылады.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Барлық құқықтар қорғалған. Сілтеме жасаған кезде дереккөзді растаңыз:www.tucsen.com
