25/08/21Dalam dunia pengimejan digital, beberapa faktor teknikal mempengaruhi kualiti imej sama seperti jenis pengatup elektronik dalam penderia anda. Sama ada anda merakam proses perindustrian berkelajuan tinggi, merakam urutan sinematik atau merakam fenomena astronomi yang samar, teknologi pengatup dalam kamera CMOS anda memainkan peranan penting dalam bagaimana imej akhir anda terhasil.
Dua jenis pengatup elektronik CMOS yang dominan, pengatup global dan pengatup berguling, mengambil pendekatan yang sangat berbeza untuk mendedahkan dan membaca cahaya daripada penderia. Memahami perbezaan, kekuatan dan pertukaran mereka adalah penting jika anda ingin memadankan sistem pengimejan anda dengan aplikasi anda.
Artikel ini akan menerangkan maksud pengatup elektronik CMOS, cara pengatup global dan pengatup berguling berfungsi, cara ia berprestasi dalam situasi dunia sebenar dan cara menentukan yang terbaik untuk anda.
Apakah Pengatup Elektronik CMOS?
Sensor CMOS ialah nadi kebanyakan kamera moden. Ia bertanggungjawab untuk menukar cahaya masuk kepada isyarat elektrik yang boleh diproses menjadi imej. "Pengatup" dalam akamera CMOStidak semestinya tirai mekanikal—banyak reka bentuk moden bergantung pada pengatup elektronik yang mengawal cara dan masa piksel menangkap cahaya.
Tidak seperti pengatup mekanikal yang menyekat cahaya secara fizikal, pengatup elektronik berfungsi dengan memulakan dan menghentikan aliran cas dalam setiap piksel. Dalam pengimejan CMOS, terdapat dua seni bina pengatup elektronik utama: pengatup global dan pengatup berguling.
Mengapa perbezaan penting? Kerana kaedah pendedahan dan bacaan secara langsung mempengaruhi:
● Pemberian gerakan dan herotan
● Ketajaman imej
● Kepekaan cahaya rendah
● Kadar bingkai dan kependaman
● Kesesuaian keseluruhan untuk pelbagai jenis fotografi, video dan pengimejan saintifik
Memahami Pengatup Global
Sumber: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Cara Pengatup Global Berfungsi
Kamera pengatup Global CMOS memulakan dan menamatkan pendedahannya secara serentak di seluruh sensor. Ini dicapai menggunakan 5 atau lebih transistor setiap piksel, dan 'storagenode' yang memegang cas fotoelektron yang diperoleh semasa pembacaan. Urutan pendedahan adalah seperti berikut:
1. Mulakan pendedahan secara serentak dalam setiap piksel dengan mengosongkan caj yang diperoleh ke tanah.
2. Tunggu masa pendedahan yang dipilih.
3. Pada penghujung pendedahan, alihkan caj yang diperoleh ke nod storan dalam setiap piksel, menamatkan pendedahan bingkai tersebut.
4. Baris demi baris, gerakkan elektron ke dalam kapasitor bacaan piksel, dan hantarkan voltan terkumpul kepada seni bina bacaan, yang memuncak dalam penukar analog-ke-digital (ADC). Pendedahan seterusnya biasanya boleh dilakukan serentak dengan langkah ini.
Kelebihan Pengatup Global
● Tiada Herotan Pergerakan – Subjek bergerak mengekalkan bentuk dan geometrinya tanpa pencongan atau goyangan yang boleh berlaku dengan bacaan berurutan.
● Tangkapan Kelajuan Tinggi – Sesuai untuk gerakan membeku dalam adegan bergerak pantas, seperti dalam sukan, robotik atau kawalan kualiti pembuatan.
● Kependaman Rendah – Semua data imej tersedia serentak, membolehkan penyegerakan tepat dengan peristiwa luaran, seperti denyutan laser atau lampu strob.
Had Pengatup Global
● Kepekaan Cahaya Lebih Rendah – Sesetengah reka bentuk piksel pengatup global mengorbankan kecekapan pengumpulan cahaya untuk menampung litar yang diperlukan untuk pendedahan serentak.
● Kos & Kerumitan Lebih Tinggi – Pembuatan lebih mencabar, selalunya menghasilkan harga yang lebih tinggi berbanding rakan sejawat pengatup berguling.
● Potensi untuk Peningkatan Bunyi – Bergantung pada reka bentuk penderia, elektronik tambahan bagi setiap piksel boleh membawa kepada bunyi bacaan yang lebih tinggi sedikit.
Memahami Rolling Shutter
Cara Pengatup Berguling Berfungsi
Hanya menggunakan 4 transistor dan tiada nod storan, bentuk reka bentuk piksel CMOS yang lebih ringkas ini membawa kepada operasi pengatup elektronik yang lebih rumit. Piksel pengatup berguling memulakan dan menghentikan pendedahan penderia satu baris pada satu masa, 'menurun' ke bawah penderia. Urutan yang bertentangan (juga ditunjukkan dalam rajah) diikuti untuk setiap pendedahan:
Rajah: Proses pengatup berguling untuk penderia kamera 6x6 piksel
Bingkai pertama memulakan pendedahan (kuning) di bahagian atas penderia, menyapu ke bawah pada kadar satu baris setiap masa baris. Setelah pendedahan selesai untuk baris atas, bacaan keluar (ungu) diikuti dengan permulaan pendedahan seterusnya (biru) menyapu ke bawah sensor.
1. Mulakan pendedahan kepada baris atas penderia dengan mengosongkan caj yang diperoleh ke tanah.
2. Selepas 'masa baris' berlalu, beralih ke baris kedua penderia dan mulakan pendedahan, ulangi penderia ke bawah.
3. Setelah masa pendedahan yang diminta telah tamat untuk baris atas, tamatkan pendedahan dengan menghantar caj yang diperoleh melalui seni bina bacaan. Masa yang diambil untuk melakukan ini ialah 'masa baris'.
4. Sebaik sahaja bacaan selesai untuk satu baris, ia bersedia untuk memulakan pendedahan semula dari Langkah 1, walaupun ini bermakna bertindih dengan baris lain yang melakukan pendedahan sebelumnya.
Kelebihan Rolling Shutter
●Prestasi Cahaya Rendah yang Lebih Baik– Reka bentuk piksel boleh mengutamakan pengumpulan cahaya, meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar dalam keadaan malap.
●Julat Dinamik Lebih Tinggi– Reka bentuk bacaan berurutan boleh mengendalikan sorotan yang lebih terang dan bayang yang lebih gelap dengan lebih anggun.
●Lebih Mampu Milik– Penderia CMOS pengatup berguling adalah lebih biasa dan kos efektif untuk dihasilkan.
Had Rolling Shutter
●Artifak Gerakan– Subjek yang bergerak pantas mungkin kelihatan condong atau bengkok, dikenali sebagai "kesan pengatup berguling."
●Kesan Jello dalam Video– Rakaman pegang tangan dengan getaran atau panning pantas boleh menyebabkan imej bergoyang.
●Cabaran Penyegerakan– Kurang sesuai untuk aplikasi yang memerlukan pemasaan yang tepat dengan acara luaran.
Global lwn Rolling Shutter: Perbandingan Sebelah
Berikut ialah pandangan peringkat tinggi tentang perbandingan pengatup bergulir dan global:
| Ciri | Pengatup Berguling | Pengatup Global |
| Reka Bentuk Piksel | 4-transistor (4T), tiada nod storan | 5+ transistor, termasuk nod storan |
| Kepekaan Cahaya | Faktor isian yang lebih tinggi, mudah disesuaikan dengan format bercahaya belakang → QE yang lebih tinggi | Faktor isian yang lebih rendah, BSI lebih kompleks |
| Prestasi Bunyi | Umumnya bunyi bacaan yang lebih rendah | Boleh mempunyai bunyi lebih tinggi sedikit disebabkan litar tambahan |
| Herotan Pergerakan | Kemungkinan (kesan condong, goyah, jello) | Tiada — semua piksel terdedah serentak |
| Potensi Kelajuan | Boleh bertindih dedahan dan membaca berbilang baris; selalunya lebih pantas dalam beberapa reka bentuk | Terhad oleh bacaan bingkai penuh, walaupun bacaan berpecah boleh membantu |
| kos | Kos pembuatan yang lebih rendah | Kos pembuatan yang lebih tinggi |
| Kes Penggunaan Terbaik | Pengimejan cahaya rendah, sinematografi, fotografi am | Tangkapan gerakan berkelajuan tinggi, pemeriksaan industri, metrologi ketepatan |
Perbezaan Prestasi Teras
Piksel pengatup berguling biasanya menggunakan reka bentuk 4-transistor (4T) tanpa nod storan, manakala pengatup global memerlukan 5 atau lebih transistor bagi setiap piksel serta litar tambahan untuk menyimpan fotoelektron sebelum dibacakan.
●Faktor Isi & Sensitiviti– Seni bina 4T yang lebih ringkas membolehkan faktor isian piksel yang lebih tinggi, bermakna lebih banyak permukaan setiap piksel dikhaskan untuk pengumpulan cahaya. Reka bentuk ini, digabungkan dengan fakta bahawa penderia pengatup berguling boleh disesuaikan dengan lebih mudah kepada format bercahaya belakang, selalunya menghasilkan kecekapan kuantum yang lebih tinggi.
●Prestasi Bunyi– Lebih sedikit transistor dan litar yang kurang kompleks secara amnya bermakna pengatup bergolek mempamerkan bunyi bacaan yang lebih rendah, menjadikannya lebih sesuai untuk aplikasi cahaya malap.
●Potensi Kelajuan– Pengatup berguling boleh menjadi lebih pantas dalam seni bina tertentu kerana ia membenarkan pendedahan dan bacaan bertindih, walaupun ini sangat bergantung pada reka bentuk penderia dan elektronik bacaan.
Kos & Pembuatan – Kesederhanaan piksel pengatup berguling biasanya diterjemahkan kepada kos pengeluaran yang lebih rendah berbanding dengan pengatup global.
Pertimbangan dan Teknik Lanjutan
Pengatup Pseudo-Global
Dalam situasi di mana anda boleh mengawal dengan tepat apabila cahaya mencapai penderia—seperti menggunakan sumber cahaya LED atau laser yang dicetuskan oleh perkakasan—anda boleh mencapai hasil "seperti global" dengan pengatup bergolek. Kaedah pengatup pseudo-global ini menyegerakkan pencahayaan dengan tetingkap pendedahan, meminimumkan artifak gerakan tanpa memerlukan reka bentuk pengatup global yang sebenar.
Gambar Bertindih
Penderia pengatup berguling boleh mula mendedahkan bingkai seterusnya sebelum bacaan bingkai semasa selesai. Pendedahan bertindih ini meningkatkan kitaran tugas dan bermanfaat untuk aplikasi berkelajuan tinggi yang menangkap bilangan maksimum bingkai sesaat adalah kritikal, tetapi boleh merumitkan eksperimen sensitif masa.
Bacaan Berbilang Baris
Banyak kamera CMOS berkelajuan tinggi boleh membaca lebih daripada satu baris piksel pada satu masa. Dalam beberapa mod, baris dibaca secara berpasangan; dalam reka bentuk lanjutan, sehingga empat baris boleh dibaca secara serentak, dengan berkesan mengurangkan jumlah masa bacaan bingkai.
Senibina Penderia Split
Kedua-dua pengatup bergolek dan global boleh menggunakan susun atur penderia berpecah, di mana penderia imej dibahagikan secara menegak kepada dua bahagian, masing-masing dengan baris ADC sendiri.
● Dalam penderia pemisah pengatup berguling, bacaan selalunya bermula dari tengah dan bergolek ke luar ke arah atas dan bawah, seterusnya mengurangkan kependaman.
● Dalam reka bentuk pengatup global, bacaan berpecah boleh meningkatkan kadar bingkai tanpa mengubah serentak pendedahan.
Cara Memilih untuk Aplikasi Anda: Rolling atau Global Shutter?
Pengatup global mungkin memberi manfaat kepada aplikasi
● Memerlukan pemasaan acara berketepatan tinggi
● Memerlukan masa pendedahan yang sangat singkat
● Memerlukan kelewatan sub-milisaat sebelum permulaan pemerolehan untuk menyegerakkan dengan acara
● Tangkap gerakan atau dinamik berskala besar pada skala masa yang serupa atau lebih pantas kepada pengatup berguling
● Memerlukan pemerolehan serentak merentas penderia, tetapi tidak boleh mengawal sumber cahaya untuk menggunakan pengatup pseudo-global merentasi kawasan yang luas
Pengatup berguling mungkin memberi manfaat kepada aplikasi
● Aplikasi cahaya malap yang mencabar: Kecekapan kuantum tambahan dan hingar yang lebih rendah bagi kamera pengatup berguling sering membawa kepada SNR yang lebih baik
● Aplikasi berkelajuan tinggi di mana keseresahan yang tepat merentas penderia tidak penting atau kelewatan adalah kecil berbanding dengan skala masa percubaan
● Aplikasi lain yang lebih umum di mana kesederhanaan pembuatan dan kos yang lebih rendah bagi kamera pengatup bergolek bermanfaat
Salah Tanggapan Biasa
1. "Pengatup bergolek sentiasa buruk."
Tidak benar— pengatup berguling sesuai untuk banyak kes penggunaan dan selalunya mengatasi pengatup global dalam julat cahaya malap dan dinamik.
2. "Pengatup global sentiasa lebih baik."
Walaupun tangkapan bebas herotan adalah satu kelebihan, pertukaran dalam kos, bunyi bising dan kepekaan mungkin melebihi faedah pengimejan yang lebih perlahan.
3. "Anda tidak boleh merakam video dengan pengatup berguling."
Banyak kamera pawagam mewah menggunakan rolling shutters dengan berkesan; teknik menembak yang teliti boleh meminimumkan artifak.
4. "Penutup global menghapuskan semua gerakan kabur."
Mereka menghalang herotan geometri, tetapi gerakan kabur dari masa pendedahan yang lama masih boleh berlaku.
Kesimpulan
Pilihan antara teknologi pengatup global dan rolling dalam kamera CMOS bermuara kepada keseimbangan antara pengendalian gerakan, kepekaan cahaya, kos dan keperluan aplikasi khusus anda.
● Jika anda memerlukan tangkapan tanpa herotan untuk adegan bergerak pantas, pengatup global ialah pilihan yang jelas.
● Jika anda mengutamakan prestasi cahaya malap, julat dinamik dan belanjawan, pengatup bergolek selalunya memberikan hasil yang terbaik.
Memahami perbezaan ini memastikan anda boleh memilih alat yang betul—sama ada untuk pengimejan saintifik, pemantauan industri atau pengeluaran kreatif.
Soalan Lazim
Jenis pengatup manakah yang lebih baik untuk fotografi udara atau pemetaan dron?
Untuk pemetaan, ukur dan pemeriksaan di mana ketepatan geometri adalah penting, pengatup global lebih disukai untuk mengelakkan herotan. Walau bagaimanapun, untuk video udara kreatif, pengatup berguling masih boleh memberikan hasil yang sangat baik jika pergerakan dikawal.
Bagaimanakah pilihan pengatup memberi kesan kepada pengimejan cahaya malap?
Pengatup berguling biasanya mempunyai kelebihan dalam prestasi cahaya malap kerana reka bentuk pikselnya boleh mengutamakan kecekapan pengumpulan cahaya. Pengatup global mungkin memerlukan litar yang lebih kompleks yang boleh mengurangkan sedikit sensitiviti, walaupun reka bentuk moden menutup jurang ini.
Bagaimanakah jenis pengatup mempengaruhi akamera saintifik?
Dalam pengimejan saintifik berkelajuan tinggi—seperti pengesanan zarah, dinamik sel atau balistik—pengatup global selalunya penting untuk mengelakkan herotan gerakan. Tetapi untuk mikroskop pendarfluor cahaya rendah, ankamera sCMOSdengan pengatup bergolek boleh dipilih untuk memaksimumkan sensitiviti dan julat dinamik.
Mana yang lebih baik untuk pemeriksaan industri?
Dalam kebanyakan tugas pemeriksaan industri—terutamanya yang melibatkan tali pinggang penghantar bergerak, robotik atau penglihatan mesin—pengatup global ialah pilihan yang lebih selamat untuk memastikan ukuran yang tepat tanpa ralat geometri yang disebabkan oleh gerakan.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Hak cipta terpelihara. Apabila memetik, sila maklumkan sumbernya:www.tucsen.com
