2021-08-25Skaitmeninio vaizdavimo pasaulyje nedaug techninių veiksnių taip įtakoja vaizdo kokybę, kaip elektroninio užrakto tipas jūsų jutiklyje. Nesvarbu, ar filmuojate didelės spartos pramoninius procesus, filmuojate kinematografines sekas, ar fiksuojate silpnus astronominius reiškinius, jūsų CMOS fotoaparato užrakto technologija vaidina labai svarbų vaidmenį galutiniame jūsų vaizde.
Du dominuojantys CMOS elektroninių sklendžių tipai – globalūs sklendės ir riedantys sklendės – taiko labai skirtingus šviesos ekspozicijos ir iš jutiklio nuskaitymo metodus. Jei norite pritaikyti vaizdo gavimo sistemą prie savo taikymo, labai svarbu suprasti jų skirtumus, stipriąsias puses ir kompromisus.
Šiame straipsnyje paaiškinsime, kas yra CMOS elektroninės sklendės, kaip veikia globalios ir riedančios sklendės, kaip jos veikia realiose situacijose ir kaip nuspręsti, kuri iš jų jums tinkamiausia.
Kas yra CMOS elektroninės sklendės?
CMOS jutiklis yra daugelio šiuolaikinių fotoaparatų širdis. Jis atsakingas už gaunamos šviesos pavertimą elektriniais signalais, kurie gali būti apdoroti vaizdu. „Užraktas“ fotoaparate...CMOS kameranebūtinai yra mechaninė uždanga – daugelis šiuolaikinių dizainų remiasi elektronine sklende, kuri kontroliuoja, kaip ir kada pikseliai fiksuoja šviesą.
Skirtingai nuo mechaninio užrakto, kuris fiziškai blokuoja šviesą, elektroninis užraktas veikia paleisdamas ir sustabdydamas krūvio srautą kiekviename pikselyje. CMOS vaizdavimo sistemoje yra dvi pagrindinės elektroninio užrakto architektūros: globalusis užraktas ir riedantis užraktas.
Kodėl skirtumas yra svarbus? Nes ekspozicijos ir rodmenų metodas tiesiogiai veikia:
● Judesio perteikimas ir iškraipymas
● Vaizdo ryškumas
● Jautrumas esant silpnam apšvietimui
● Kadrų dažnis ir delsa
● Bendras tinkamumas įvairių tipų fotografijai, vaizdo įrašams ir moksliniam vaizdavimui
„Global Shutter“ supratimas
Šaltinis: GMAX3405 pasaulinis užrakto jutiklis
Kaip veikia pasaulinis užraktas
CMOS pasaulinės užrakto kameros pradeda ir baigia ekspoziciją vienu metu visame jutiklyje. Tai pasiekiama naudojant 5 ar daugiau tranzistorių viename pikselyje ir „saugojimo objektą“, kuris nuskaitymo metu saugo įgytus fotoelektronų krūvius. Ekspozicijos seka yra tokia:
1. Pradėkite ekspoziciją vienu metu kiekviename pikselyje, pašalindami įgytus krūvius nuo žemės.
2. Palaukite pasirinkto ekspozicijos laiko.
3. Ekspozicijos pabaigoje perkelkite įgytus krūvius į kiekvieno pikselio saugojimo mazgą, taip užbaigdami to kadro ekspoziciją.
4. Eilutė po eilės perkelkite elektronus į pikselio nuskaitymo kondensatorių ir perduodate sukauptą įtampą nuskaitymo architektūrai, kol galiausiai pasiekiate analoginius-skaitmeninius keitiklius (ADC). Kitą ekspoziciją paprastai galima atlikti kartu su šiuo žingsniu.
„Global Shutter“ privalumai
● Jokių judesio iškraipymų – judantys objektai išlaiko savo formą ir geometriją be iškraipymų ar virpėjimo, kurie gali atsirasti naudojant nuoseklųjį nuskaitymą.
● Didelės spartos fiksavimas – idealiai tinka judesio sustabdymui greitai judančiose scenose, pavyzdžiui, sporte, robotikoje ar gamybos kokybės kontrolėje.
● Mažas vėlavimas – visi vaizdo duomenys prieinami vienu metu, todėl galima tiksliai sinchronizuoti su išoriniais įvykiais, tokiais kaip lazerio impulsai ar stroboskopinės šviesos.
„Global Shutter“ apribojimai
● Mažesnis jautrumas šviesai – kai kurie globalaus užrakto pikselių dizainai aukoja šviesos surinkimo efektyvumą, kad tilptų vienalaikiam eksponavimui reikalingos grandinės.
● Didesnė kaina ir sudėtingumas – gamyba yra sudėtingesnė, todėl kainos dažnai būna didesnės, palyginti su ritininėmis žaliuzėmis.
● Galimas padidėjęs triukšmas – priklausomai nuo jutiklio konstrukcijos, papildoma elektronika kiekvienam pikseliui gali sukelti šiek tiek didesnį nuskaitymo triukšmą.
Supratimas apie riedantį užraktą
Kaip veikia roletas
Naudojant tik 4 tranzistorius ir be atminties mazgo, ši paprastesnė CMOS pikselių konstrukcijos forma lemia sudėtingesnį elektroninio užrakto veikimą. Riedančio užrakto pikseliai pradeda ir sustabdo jutiklio ekspoziciją po vieną eilutę, „riedėdami“ žemyn jutikliu. Kiekvienai ekspozicijai taikoma priešinga seka (taip pat parodyta paveikslėlyje):
Paveikslėlis: 6x6 pikselių kameros jutiklio riedančio užrakto procesas
Pirmas kadras pradeda eksponuoti (geltonas) jutiklio viršuje, slenkant žemyn vienos linijos greičiu. Kai viršutinės linijos ekspozicija baigiama, rodmuo (violetinis), o po to seka kitos ekspozicijos pradžia (mėlynas), slenka žemyn jutikliu.
1. Pradėkite viršutinės jutiklio eilutės apšvitą, nuvalydami užfiksuotus krūvius nuo žemės.
2. Pasibaigus „eilutės laikui“, pereikite prie antros jutiklio eilutės ir pradėkite ekspoziciją, kartodami jutiklį žemyn.
3. Kai viršutinės eilutės pageidaujamas ekspozicijos laikas pasibaigs, užbaikite ekspoziciją, nusiųsdami gautus krūvius per nuskaitymo architektūrą. Laikas, per kurį tai atliekama, vadinamas „eilutės laiku“.
4. Kai tik eilutės nuskaitymas baigtas, galima pradėti ekspoziciją nuo 1 veiksmo, net jei tai reiškia, kad eilutės persidengs su kitomis, atliekant ankstesnę ekspoziciją.
Riedančių langinių privalumai
●Geresnis veikimas esant prastam apšvietimui– Pikselių dizainas gali teikti pirmenybę šviesos surinkimui, pagerindamas signalo ir triukšmo santykį esant silpnam apšvietimui.
●Didesnis dinaminis diapazonas– Nuoseklaus skaitymo dizainas gali grakščiau apdoroti ryškesnius paryškinimus ir tamsesnius šešėlius.
●Įperkamesnis– Riedančio užrakto CMOS jutikliai yra labiau paplitę ir ekonomiškesni gaminti.
Riedančio užrakto apribojimai
●Judesio artefaktai– Greitai judantys objektai gali atrodyti iškreipti arba išlenkti, tai vadinama „riedančio užrakto efektu“.
●Želė efektas vaizdo įraše– Nuotraukose, filmuojamose kamerose laikant rankoje ir vibruojant arba greitai sukant vaizdą, vaizdas gali virpėti.
●Sinchronizavimo iššūkiai– Mažiau idealus taikymams, kuriems reikalingas tikslus laiko nustatymas atsižvelgiant į išorinius įvykius.
„Global“ ir „Rolling Shutter“: palyginimas greta
Štai trumpas vaizdas, kaip palyginti ritinines ir globalias žaliuzes:
| Funkcija | Riedantis užraktas | Visuotinis užraktas |
| Pikselių dizainas | 4 tranzistorių (4T), nėra saugojimo mazgo | 5+ tranzistoriai, įskaitant atminties mazgą |
| Jautrumas šviesai | Didesnis užpildymo koeficientas, lengvai pritaikomas prie foninio apšvietimo formato → didesnis QE | Mažesnis užpildymo koeficientas, sudėtingesnis BSI |
| Triukšmo lygis | Paprastai mažesnis skaitymo triukšmas | Dėl papildomos grandinės gali būti šiek tiek didesnis triukšmas |
| Judesio iškraipymas | Galimas (iškrypimas, svyravimas, želė efektas) | Nėra – visi pikseliai eksponuojami vienu metu |
| Greičio potencialas | Gali persidengti ekspozicijos ir nuskaityti kelias eilutes; kai kuriuose dizainuose dažnai greičiau | Ribotas viso kadro rodmens, nors padalintas rodmuo gali padėti |
| Kaina | Mažesnės gamybos sąnaudos | Didesnės gamybos sąnaudos |
| Geriausi naudojimo atvejai | Fotografavimas esant silpnam apšvietimui, kinematografija, bendroji fotografija | Didelės spartos judesio fiksavimas, pramoninė apžiūra, tikslioji metrologija |
Pagrindiniai našumo skirtumai
Riedančio užrakto pikseliai paprastai naudoja 4 tranzistorių (4T) konstrukciją be saugojimo mazgo, o globaliems užraktams reikia 5 ar daugiau tranzistorių vienam pikseliui ir papildomos grandinės fotoelektronams saugoti prieš nuskaitymą.
●Užpildymo koeficientas ir jautrumas– Paprastesnė 4T architektūra leidžia pasiekti didesnį pikselių užpildymo koeficientą, o tai reiškia, kad didesnė kiekvieno pikselio paviršiaus dalis skirta šviesai surinkti. Ši konstrukcija, kartu su tuo, kad ritininio užrakto jutiklius galima lengviau pritaikyti prie foninio apšvietimo formato, dažnai lemia didesnį kvantinį efektyvumą.
●Triukšmo lygis– Mažiau tranzistorių ir paprastesnės grandinės paprastai reiškia, kad ritininės žaliuzės skleidžia mažesnį skaitymo triukšmą, todėl jos geriau tinka naudoti esant prastam apšvietimui.
●Greičio potencialas– Riedančios žaliuzės tam tikrose architektūrose gali būti greitesnės, nes jos leidžia persidengti ekspoziciją ir rodmenis, nors tai labai priklauso nuo jutiklio konstrukcijos ir rodmenų elektronikos.
Kaina ir gamyba – riedančių sklendžių pikselių paprastumas paprastai reiškia mažesnes gamybos sąnaudas, palyginti su globaliomis sklendėmis.
Išplėstiniai aspektai ir metodai
Pseudo-globalus užraktas
Situacijose, kai galite tiksliai kontroliuoti, kada šviesa pasiekia jutiklį, pavyzdžiui, naudodami LED arba lazerinį šviesos šaltinį, kurį įjungia aparatinė įranga, galite pasiekti „globalaus“ efekto rezultatų naudodami riedantį užraktą. Šis pseudoglobalaus užrakto metodas sinchronizuoja apšvietimą su ekspozicijos langu, sumažindamas judesio artefaktus, nereikalaujant tikro globalaus užrakto dizaino.
Vaizdo persidengimas
Riedančio užrakto jutikliai gali pradėti eksponuoti kitą kadrą dar nebaigus nuskaityti dabartinio kadro. Toks persidengiantis eksponavimas pagerina darbo ciklą ir yra naudingas didelės spartos taikymams, kur labai svarbu užfiksuoti maksimalų kadrų skaičių per sekundę, tačiau tai gali apsunkinti eksperimentus, kuriems svarbus laikas.
Kelių eilučių rodmenys
Daugelis didelės spartos CMOS kamerų gali nuskaityti daugiau nei vieną pikselių eilutę vienu metu. Kai kuriais režimais eilutės skaitomos poromis; pažangiuose modeliuose vienu metu galima nuskaityti iki keturių eilučių, taip efektyviai sutrumpinant bendrą kadro nuskaitymo laiką.
Padalinto jutiklio architektūra
Tiek riedantys, tiek globalūs užraktai gali naudoti padalinto jutiklio išdėstymą, kai vaizdo jutiklis yra vertikaliai padalintas į dvi puses, kurių kiekviena turi savo ADC eilutę.
● Riedančio užrakto tipo padalintuose jutikliuose rodmenys dažnai pradedami rodyti nuo centro ir juda į viršų bei apačią, taip dar labiau sumažinant delsą.
● Visuotinio užrakto konstrukcijose padalintas rodmuo gali pagerinti kadrų dažnį nekeičiant ekspozicijos vienalaikiškumo.
Kaip pasirinkti savo pritaikymui: „Rolling Shutter“ ar „Global Shutter“?
Pasaulinis užraktas gali būti naudingas programoms
● Reikalauti didelio tikslumo įvykių laiko planavimo
● Reikalingas labai trumpas ekspozicijos laikas
● Reikalauti mažesnio nei milisekundės delsos prieš pradedant duomenų gavimą, kad būtų galima sinchronizuoti su įvykiu
● Užfiksuokite didelio masto judesį arba dinamiką panašiu arba greitesniu laiko intervalu, kaip ir slenkančio užrakto režimu
● Reikalingas vienalaikis signalo gavimas per visą jutiklį, bet negalima valdyti šviesos šaltinių, kad būtų galima naudoti pseudoglobalų užraktą dideliame plote
Riedančios sklendės gali būti naudingos programoms
● Sudėtingos taikymo sritys esant prastam apšvietimui: papildomas kvantinis efektyvumas ir mažesnis riedančio užrakto kamerų triukšmas dažnai pagerina signalo ir triukšmo santykį (SNR).
● Didelės spartos taikymai, kai tikslus vienalaikiškumas visame jutiklyje nėra svarbus arba vėlavimas yra mažas, palyginti su eksperimentiniais laiko intervalais
● Kiti bendresnio pobūdžio pritaikymai, kai gamybos paprastumas ir mažesnė ritininio užrakto kamerų kaina yra naudingi
Dažni klaidingi įsitikinimai
1. „Riedantis užraktas visada yra blogai.“
Netiesa – ritininės žaliuzės idealiai tinka daugeliu atvejų ir dažnai pranoksta globalias žaliuzes esant silpnam apšvietimui ir dinaminiam diapazonui.
2. „Visuotinis užraktas visada geresnis.“
Nors iškraipymų neturintis fiksavimas yra privalumas, kainos, triukšmo ir jautrumo kompromisai gali nusverti lėtesnio vaizdavimo privalumus.
3. „Negalima filmuoti su riedančio užrakto funkcija.“
Daugelyje aukščiausios klasės kino kamerų efektyviai naudojamos riedančios sklendės; kruopštūs filmavimo metodai gali sumažinti artefaktus.
4. „Visuotiniai užraktai pašalina visą judesio suliejimą.“
Jie apsaugo nuo geometrinių iškraipymų, tačiau dėl ilgo ekspozicijos laiko vis tiek gali atsirasti judesio suliejimas.
Išvada
CMOS kameros pasirinkimas tarp globalios ir riedančio užrakto technologijos priklauso nuo judesio valdymo, jautrumo šviesai, kainos ir konkrečių jūsų taikymo poreikių pusiausvyros.
● Jei reikia greitai judančių scenų fiksavimo be iškraipymų, globalus užraktas yra aiškus pasirinkimas.
● Jei teikiate pirmenybę našumui esant prastam apšvietimui, dinaminiam diapazonui ir biudžetui, slenkančio užrakto režimas dažnai duoda geriausius rezultatus.
Suprasdami šiuos skirtumus, galėsite pasirinkti tinkamą įrankį – nesvarbu, ar jis skirtas moksliniam vaizdavimui, pramoniniam stebėjimui, ar kūrybinei gamybai.
DUK
Kuris užrakto tipas geriau tinka aerofotografijai ar dronų žemėlapių sudarymui?
Kartografavimui, geodezijai ir apžiūrai, kur labai svarbus geometrinis tikslumas, siekiant išvengti iškraipymų, geriau naudoti globalinį užraktą. Tačiau kūrybiniam aerofotografijai riedantis užraktas vis tiek gali duoti puikių rezultatų, jei kontroliuojami judesiai.
Kaip užrakto pasirinkimas veikia fotografavimą esant prastam apšvietimui?
Ritininės žaliuzės paprastai turi pranašumą esant prastam apšvietimui, nes jų pikselių dizainas gali teikti pirmenybę šviesos surinkimo efektyvumui. Globalioms žaliuzėms gali prireikti sudėtingesnės grandinės, kuri gali šiek tiek sumažinti jautrumą, nors šiuolaikiniai dizainai mažina šį atotrūkį.
Kaip užrakto tipas veikiamokslinė kamera?
Didelės spartos moksliniuose vaizduose, tokiuose kaip dalelių sekimas, ląstelių dinamika ar balistika, globalus užraktas dažnai yra būtinas norint išvengti judesio iškraipymo. Tačiau silpno apšvietimo fluorescencinėje mikroskopijojesCMOS kamerasu riedėjimo užraktu, siekiant maksimaliai padidinti jautrumą ir dinaminį diapazoną.
Kuris geriau tinka pramoninei patikrai?
Daugumoje pramoninių tikrinimo užduočių, ypač susijusių su judančiomis konvejerio juostomis, robotika ar mašininiu matymu, globalus užraktas yra saugesnis pasirinkimas, siekiant užtikrinti tikslius matavimus be judesio sukeltų geometrinių paklaidų.
„Tucsen Photonics Co., Ltd.“ Visos teisės saugomos. Cituojant prašome nurodyti šaltinį:www.tucsen.com
