25/08/21In de wereld van digitale beeldbewerking zijn er maar weinig technische factoren die de beeldkwaliteit zo sterk beïnvloeden als het type elektronische sluiter in je sensor. Of je nu snelle industriële processen filmt, filmsequenties filmt of zwakke astronomische verschijnselen vastlegt, de sluitertechnologie in je CMOS-camera speelt een cruciale rol in het uiteindelijke resultaat.
Twee dominante typen elektronische CMOS-sluiters, global shutters en rolling shutters, hanteren zeer verschillende benaderingen voor het belichten en uitlezen van licht van een sensor. Inzicht in hun verschillen, sterke punten en nadelen is essentieel als u uw beeldvormingssysteem wilt afstemmen op uw toepassing.
In dit artikel leggen we uit wat elektronische CMOS-sluiters zijn, hoe globale en rollende sluiters werken, hoe ze presteren in de praktijk en hoe u kunt bepalen welke het beste bij u past.
Wat zijn CMOS elektronische sluiters?
Een CMOS-sensor is het hart van de meeste moderne camera's. Hij is verantwoordelijk voor het omzetten van binnenkomend licht in elektrische signalen die tot een beeld kunnen worden verwerkt. De "sluiter" in eenCMOS-camerais niet per se een mechanisch gordijn: veel moderne ontwerpen maken gebruik van een elektronische sluiter die bepaalt hoe en wanneer pixels licht vangen.
In tegenstelling tot een mechanische sluiter die licht fysiek blokkeert, werkt een elektronische sluiter door de ladingsstroom binnen elke pixel te starten en te stoppen. Bij CMOS-beeldvorming zijn er twee primaire elektronische sluiterarchitecturen: global shutter en rolling shutter.
Waarom is onderscheid belangrijk? Omdat de belichtings- en uitleesmethode direct van invloed is op:
● Bewegingsweergave en vervorming
● Beeldscherpte
● Gevoeligheid bij weinig licht
● Framesnelheid en latentie
● Algemene geschiktheid voor verschillende soorten fotografie, video en wetenschappelijke beeldvorming
Global Shutter begrijpen
Bron: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Hoe Global Shutter werkt
CMOS Global shutter-camera's beginnen en beëindigen hun belichting gelijktijdig over de gehele sensor. Dit wordt bereikt met behulp van 5 of meer transistors per pixel en een 'storagenode' die de opgenomen foto-elektronenladingen vasthoudt tijdens het uitlezen. De belichtingsvolgorde is als volgt:
1. Begin met het gelijktijdig belichten van elke pixel door de verkregen ladingen naar de grond te sturen.
2. Wacht tot de gewenste belichtingstijd is bereikt.
3. Verplaats aan het einde van de belichting de verkregen ladingen naar het opslagknooppunt in elke pixel, waarmee de belichting van dat frame wordt beëindigd.
4. Rij voor rij worden elektronen naar de uitleescondensator van de pixel verplaatst en wordt de verzamelde spanning doorgegeven aan de uitleesarchitectuur, die uiteindelijk in de analoog-naar-digitaal-converters (ADC's) terechtkomt. De volgende belichting kan doorgaans gelijktijdig met deze stap worden uitgevoerd.
Voordelen van Global Shutter
● Geen bewegingsvervorming – Bewegende onderwerpen behouden hun vorm en geometrie zonder de scheefstand of trillingen die kunnen optreden bij sequentiële uitlezing.
● Snelle opnamen – Ideaal voor het bevriezen van bewegingen in snelbewegende scènes, zoals bij sport, robotica of kwaliteitscontrole in de productie.
● Lage latentie – Alle beeldgegevens zijn in één keer beschikbaar, waardoor nauwkeurige synchronisatie met externe gebeurtenissen, zoals laserpulsen of stroboscopen, mogelijk is.
Beperkingen van Global Shutter
● Lagere lichtgevoeligheid – Sommige globale sluiterpixelontwerpen offeren de lichtverzamelingsefficiëntie op om plaats te maken voor de schakelingen die nodig zijn voor gelijktijdige belichting.
● Hogere kosten en complexiteit – De fabricage is uitdagender, wat vaak resulteert in hogere prijzen in vergelijking met rolluiken.
● Mogelijkheid tot meer ruis – Afhankelijk van het sensorontwerp kan de extra elektronica per pixel leiden tot iets meer leesruis.
Rolling Shutter begrijpen
Hoe een rolluik werkt
Met slechts 4 transistoren en geen opslagnode leidt deze eenvoudigere vorm van CMOS-pixelontwerp tot een complexere elektronische sluiterwerking. Rolling shutter-pixels starten en stoppen de belichting van de sensor één rij tegelijk, waarbij de sensor 'afrolt'. De omgekeerde volgorde (ook weergegeven in de afbeelding) wordt voor elke belichting gevolgd:
Figuur: Rolling shutter-proces voor een camerasensor van 6x6 pixels
Het eerste frame begint met de belichting (geel) bovenaan de sensor en beweegt naar beneden met een snelheid van één lijn per lijn. Zodra de belichting van de bovenste lijn is voltooid, beweegt de uitlezing (paars), gevolgd door de start van de volgende belichting (blauw), langs de sensor.
1. Begin met het blootstellen van de bovenste rij van de sensor door de verkregen ladingen naar de grond te sturen.
2. Nadat de 'rijtijd' is verstreken, ga je naar de tweede rij van de sensor en begin je met de belichting, waarbij je de belichting herhaalt over de hele sensor.
3. Zodra de gevraagde belichtingstijd voor de bovenste rij is verstreken, beëindigt u de belichting door de verkregen ladingen door de uitleesarchitectuur te sturen. De tijd die hiervoor nodig is, wordt de 'rijtijd' genoemd.
4. Zodra het uitlezen voor een rij is voltooid, is deze gereed om de belichting opnieuw te starten vanaf stap 1, zelfs als dit betekent dat er overlapping plaatsvindt met andere rijen die de vorige belichting uitvoeren.
Voordelen van rolluiken
●Betere prestaties bij weinig licht– De pixelontwerpen kunnen lichtverzameling prioriteren, waardoor de signaal-ruisverhouding bij weinig licht wordt verbeterd.
●Hoger dynamisch bereik– Sequentiële uitleesontwerpen kunnen helderdere highlights en donkere schaduwen eleganter verwerken.
●Betaalbaarder– CMOS-sensoren met een rolling shutter zijn gebruikelijker en kosteneffectiever om te produceren.
Beperkingen van Rolling Shutter
●Bewegingsartefacten– Snel bewegende onderwerpen kunnen scheef of gebogen lijken, ook wel het ‘rolling shutter effect’ genoemd.
●Jello-effect in video– Opnamen met trillingen of snelle panning uit de hand kunnen trillingen in het beeld veroorzaken.
●Synchronisatie-uitdagingen– Minder ideaal voor toepassingen waarbij nauwkeurige timing bij externe gebeurtenissen vereist is.
Global vs. Rolling Shutter: een vergelijking naast elkaar
Hier is een algemeen overzicht van hoe rolling en global shutters zich tot elkaar verhouden:
| Functie | Rolluik | Globale sluiter |
| Pixelontwerp | 4-transistor (4T), geen opslagknooppunt | 5+ transistoren, inclusief opslagknooppunt |
| Lichtgevoeligheid | Hogere vulfactor, eenvoudig aan te passen aan back-illuminated format → hogere QE | Lagere vulfactor, BSI complexer |
| Geluidsprestaties | Over het algemeen lagere leesruis | Kan iets meer ruis veroorzaken door extra schakelingen |
| Bewegingsvervorming | Mogelijk (scheeftrekken, wiebelen, gelei-effect) | Geen — alle pixels worden tegelijkertijd belicht |
| Snelheidspotentieel | Kan belichtingen overlappen en meerdere rijen lezen; vaak sneller in sommige ontwerpen | Beperkt door de volledige frame-uitlezing, hoewel gesplitste uitlezing kan helpen |
| Kosten | Lagere productiekosten | Hogere productiekosten |
| Beste gebruiksscenario's | Fotografie bij weinig licht, cinematografie, algemene fotografie | Hogesnelheidsbewegingsregistratie, industriële inspectie, precisiemetrologie |
Kernprestatieverschillen
Rolling shutter-pixels gebruiken doorgaans een ontwerp met 4 transistoren (4T) zonder opslagknooppunt, terwijl global shutters 5 of meer transistoren per pixel vereisen, plus extra schakelingen om foto-elektronen op te slaan voordat ze worden uitgelezen.
●Vulfactor en gevoeligheid– De eenvoudigere 4T-architectuur maakt een hogere pixelvulfactor mogelijk, wat betekent dat een groter deel van het oppervlak van elke pixel wordt gebruikt voor lichtopvang. Dit ontwerp, gecombineerd met het feit dat rolling shutter-sensoren gemakkelijker kunnen worden aangepast aan een back-illuminated formaat, resulteert vaak in een hogere kwantumefficiëntie.
●Geluidsprestaties– Minder transistoren en minder complexe schakelingen zorgen er doorgaans voor dat rolling shutters minder leesruis veroorzaken, waardoor ze beter geschikt zijn voor toepassingen met weinig licht.
●Snelheidspotentieel– Rolling shutters kunnen sneller zijn in bepaalde architecturen omdat ze overlappende belichting en uitlezing toestaan. Dit is echter sterk afhankelijk van het sensorontwerp en de uitleeselektronica.
Kosten en productie: de eenvoud van rolling shutter-pixels vertaalt zich doorgaans in lagere productiekosten vergeleken met global shutters.
Geavanceerde overwegingen en technieken
Pseudo-globale sluiter
In situaties waarin u nauwkeurig kunt bepalen wanneer het licht de sensor bereikt – zoals bij gebruik van een led- of laserlichtbron die door hardware wordt geactiveerd – kunt u met een rolling shutter 'global-achtige' resultaten bereiken. Deze pseudo-globale sluitermethode synchroniseert de belichting met het belichtingsvenster, waardoor bewegingsartefacten worden geminimaliseerd zonder dat een echt global shutter-ontwerp nodig is.
Beeldoverlap
Rolling shutter-sensoren kunnen beginnen met het belichten van het volgende frame voordat de uitlezing van het huidige frame is voltooid. Deze overlappende belichting verbetert de werkcyclus en is gunstig voor hogesnelheidstoepassingen waarbij het vastleggen van het maximale aantal frames per seconde cruciaal is, maar kan timinggevoelige experimenten compliceren.
Uitlezing van meerdere rijen
Veel high-speed CMOS-camera's kunnen meer dan één rij pixels tegelijk lezen. In sommige modi worden rijen in paren gelezen; in geavanceerde ontwerpen kunnen tot vier rijen tegelijk worden gelezen, waardoor de totale frame-uitleestijd effectief wordt verkort.
Split-sensorarchitectuur
Zowel rolling shutters als global shutters kunnen gebruikmaken van een split sensor-indeling, waarbij de beeldsensor verticaal in twee helften is verdeeld, elk met een eigen rij ADC's.
● Bij rolling shutter-splitsensoren begint de uitlezing vaak in het midden en rolt naar buiten naar zowel de boven- als onderkant, waardoor de latentie verder wordt verminderd.
● Bij ontwerpen met een globale sluiter kan gesplitste uitlezing de framesnelheid verbeteren zonder de gelijktijdigheid van de belichting te veranderen.
Hoe kiest u de juiste shutter voor uw toepassing: een rol- of global shutter?
De globale sluiter kan toepassingen ten goede komen
● Vereisen een zeer nauwkeurige timing van gebeurtenissen
● Vereisen zeer korte belichtingstijden
● Vereist een vertraging van minder dan een milliseconde vóór de start van een acquisitie om te synchroniseren met een gebeurtenis
● Leg grootschalige bewegingen of dynamiek vast op een vergelijkbare of snellere tijdschaal als een rolling shutter
● Vereisen gelijktijdige acquisitie over de sensor, maar kunnen geen lichtbronnen besturen om een pseudo-globale sluiter over een groot gebied te gebruiken
De rolluik kan toepassingen ten goede komen
● Uitdagende toepassingen bij weinig licht: de extra kwantumrendement en het lagere ruisniveau van rolling shutter-camera's leiden vaak tot een verbeterde signaal-ruisverhouding
● Hogesnelheidstoepassingen waarbij exacte gelijktijdigheid over de sensor niet belangrijk is, of waarbij de vertraging klein is in vergelijking met experimentele tijdschalen
● Andere, meer algemene toepassingen waarbij de eenvoud van de productie en de lagere kosten van camera's met een rolluik gunstig zijn
Veelvoorkomende misvattingen
1. "Een rolluik is altijd slecht."
Dat is niet waar. Rolling shutters zijn ideaal voor veel toepassingen en presteren vaak beter dan global shutters bij weinig licht en een laag dynamisch bereik.
2. "Een globale sluiter is altijd beter."
Hoewel vervormingsvrije opnamen een voordeel zijn, kunnen de voordelen van langzamere opnamen zwaarder wegen dan de nadelen op het gebied van kosten, ruis en gevoeligheid.
3. "Je kunt geen video opnemen met een rolling shutter."
Veel hoogwaardige filmcamera's maken effectief gebruik van rolling shutters; door zorgvuldige opnametechnieken kunt u artefacten tot een minimum beperken.
4. "Globale sluiters elimineren alle bewegingsonscherpte."
Ze voorkomen geometrische vervorming, maar bewegingsonscherpte door lange belichtingstijden kan nog steeds optreden.
Conclusie
De keuze tussen globale en rolling shutter-technologie in een CMOS-camera komt neer op de balans tussen bewegingsverwerking, lichtgevoeligheid, kosten en uw specifieke toepassingsbehoeften.
● Als u vervormingsvrije opnamen van snelbewegende scènes nodig hebt, is de global shutter de duidelijke keuze.
● Als u prioriteit geeft aan prestaties bij weinig licht, dynamisch bereik en budget, levert de rolling shutter vaak de beste resultaten.
Als u deze verschillen begrijpt, kunt u het juiste hulpmiddel selecteren, of het nu gaat om wetenschappelijke beeldvorming, industriële monitoring of creatieve productie.
Veelgestelde vragen
Welk type sluiter is beter voor luchtfotografie of drone-mapping?
Voor kartering, landmeting en inspectie waarbij geometrische nauwkeurigheid cruciaal is, heeft een global shutter de voorkeur om vervorming te voorkomen. Voor creatieve luchtvideo's kan een rolling shutter echter nog steeds uitstekende resultaten opleveren, mits de bewegingen gecontroleerd zijn.
Welke invloed heeft de keuze van de sluitertijd op de foto die je maakt bij weinig licht?
Rolling shutters hebben over het algemeen een voordeel bij prestaties bij weinig licht, omdat hun pixelontwerpen prioriteit kunnen geven aan de efficiëntie van lichtopvang. Global shutters vereisen mogelijk complexere schakelingen die de gevoeligheid enigszins kunnen verminderen, hoewel moderne ontwerpen deze kloof dichten.
Hoe beïnvloedt het sluitertype eenwetenschappelijke camera?
Bij snelle wetenschappelijke beeldvorming – zoals deeltjestracking, celdynamica of ballistiek – is een globale sluiter vaak essentieel om bewegingsvervorming te voorkomen. Maar voor fluorescentiemicroscopie bij weinig licht is eensCMOS-cameraEr kan voor een rolling shutter worden gekozen om de gevoeligheid en het dynamische bereik te maximaliseren.
Welke is beter voor industriële inspectie?
Bij de meeste industriële inspectietaken, met name die waarbij bewegende transportbanden, robotica of machine vision betrokken zijn, is een global shutter de veiligere keuze om nauwkeurige metingen te garanderen zonder bewegingsgeïnduceerde geometrische fouten.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Alle rechten voorbehouden. Vermeld bij het citeren de bron:www.tucsen.com
