25.08.21W świecie obrazowania cyfrowego niewiele czynników technicznych wpływa na jakość obrazu tak mocno, jak rodzaj elektronicznej migawki w matrycy. Niezależnie od tego, czy fotografujesz szybkie procesy przemysłowe, filmujesz sekwencje filmowe, czy uchwycasz słabe zjawiska astronomiczne, technologia migawki w aparacie CMOS odgrywa kluczową rolę w ostatecznym efekcie zdjęcia.
Dwa dominujące typy elektronicznych migawek CMOS – migawki globalne i migawki rolowane – wykorzystują zupełnie inne podejście do naświetlania i odczytywania światła z matrycy. Zrozumienie ich różnic, zalet i wad jest kluczowe, jeśli chcesz dopasować system obrazowania do swojego zastosowania.
W tym artykule wyjaśnimy, czym są elektroniczne migawki CMOS, jak działają migawki globalne i rolowane, jak sprawdzają się w rzeczywistych sytuacjach i jak wybrać tę, która jest dla Ciebie najlepsza.
Czym są elektroniczne migawki CMOS?
Matryca CMOS jest sercem większości współczesnych aparatów. Odpowiada za konwersję padającego światła na sygnały elektryczne, które można przetworzyć na obraz. „Migawka” wKamera CMOSniekoniecznie jest mechaniczną kurtyną — wiele nowoczesnych projektów opiera się na elektronicznej migawce, która kontroluje, w jaki sposób i kiedy piksele przechwytują światło.
W przeciwieństwie do migawki mechanicznej, która fizycznie blokuje światło, migawka elektroniczna działa poprzez uruchamianie i zatrzymywanie przepływu ładunku w każdym pikselu. W obrazowaniu CMOS istnieją dwie główne architektury migawek elektronicznych: migawka globalna i migawka typu rolling.
Dlaczego rozróżnienie jest ważne? Ponieważ metoda ekspozycji i odczytu bezpośrednio wpływa na:
● Renderowanie ruchu i zniekształcanie
● Ostrość obrazu
● Czułość na słabe oświetlenie
● Szybkość klatek i opóźnienie
● Ogólna przydatność do różnych typów fotografii, filmów i obrazowania naukowego
Zrozumienie globalnej migawki
Źródło: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Jak działa Global Shutter
Aparaty CMOS z globalną migawką rozpoczynają i kończą naświetlanie jednocześnie na całej powierzchni matrycy. Osiąga się to dzięki zastosowaniu co najmniej 5 tranzystorów na piksel oraz „węzła pamięci”, który przechowuje zebrane ładunki fotoelektronów podczas odczytu. Sekwencja naświetlania jest następująca:
1. Rozpocznij ekspozycję na każdy piksel jednocześnie, oczyszczając zebrane ładunki z ładunków uziemiających.
2. Poczekaj na wybrany czas ekspozycji.
3. Pod koniec ekspozycji przenieś pozyskane ładunki do węzła pamięci masowej w każdym pikselu, kończąc w ten sposób ekspozycję danej klatki.
4. Rząd po rzędzie, przesuń elektrony do kondensatora odczytu piksela i przekaż zgromadzone napięcie do układu odczytu, co zakończy się w przetwornikach analogowo-cyfrowych (ADC). Kolejne naświetlanie zazwyczaj można wykonać jednocześnie z tym krokiem.
Zalety Global Shutter
● Brak zniekształceń ruchu – Obiekty w ruchu zachowują swój kształt i geometrię bez przekosów i chybotania, które mogą wystąpić w przypadku odczytu sekwencyjnego.
● Przechwytywanie z dużą prędkością – idealne do zatrzymywania ruchu w szybko zmieniających się scenach, np. w sporcie, robotyce lub kontroli jakości w produkcji.
● Niskie opóźnienie – wszystkie dane obrazu są dostępne jednocześnie, co umożliwia precyzyjną synchronizację ze zdarzeniami zewnętrznymi, takimi jak impulsy laserowe lub światła stroboskopowe.
Ograniczenia globalnej migawki
● Niższa czułość na światło – niektóre konstrukcje pikseli migawki globalnej poświęcają wydajność zbierania światła, aby pomieścić obwody niezbędne do jednoczesnej ekspozycji.
● Wyższe koszty i złożoność – produkcja jest bardziej wymagająca, co często przekłada się na wyższe ceny w porównaniu z odpowiednikami w postaci rolet.
● Możliwość większego szumu – w zależności od konstrukcji czujnika, dodatkowa ilość elementów elektronicznych na piksel może powodować nieznacznie większy szum odczytu.
Zrozumienie migawki rolowanej
Jak działa roleta rolowana
Wykorzystując tylko 4 tranzystory i bez węzła pamięci, ta prostsza forma konstrukcji pikseli CMOS prowadzi do bardziej skomplikowanego działania elektronicznej migawki. Piksele migawki liniowej rozpoczynają i zatrzymują naświetlanie matrycy rząd po rzędzie, „przesuwając” się w dół matrycy. Dla każdej ekspozycji stosowana jest odwrotna sekwencja (również pokazana na rysunku):
Rysunek: Proces migawki toczącej się dla czujnika aparatu 6x6 pikseli
Pierwsza klatka rozpoczyna naświetlanie (kolor żółty) u góry czujnika, przesuwając się w dół z prędkością jednej linii na linię. Po zakończeniu naświetlania dla górnej linii, odczyt (kolor fioletowy), a następnie rozpoczęcie kolejnej ekspozycji (kolor niebieski) przesuwają się w dół czujnika.
1. Rozpocznij naświetlanie górnego rzędu czujnika, usuwając zgromadzone ładunki do masy.
2. Po upływie „czasu rzędu” przejdź do drugiego rzędu czujnika i rozpocznij ekspozycję, powtarzając tę czynność w dół czujnika.
3. Po upływie żądanego czasu ekspozycji dla górnego rzędu, zakończ ekspozycję, wysyłając zebrane ładunki przez architekturę odczytu. Czas potrzebny na to to „czas rzędu”.
4. Po zakończeniu odczytu wiersza można rozpocząć naświetlanie od kroku 1, nawet jeśli oznacza to nakładanie się na inne wiersze wykonujące poprzednie naświetlanie.
Zalety rolet rolowanych
●Lepsza wydajność przy słabym oświetleniu– Projekty pikseli umożliwiają priorytetowe zbieranie światła, co poprawia stosunek sygnału do szumu w warunkach słabego oświetlenia.
●Większy zakres dynamiki– Sekwencyjne rozwiązania odczytu pozwalają na lepszą obsługę jaśniejszych obszarów i ciemniejszych cieni.
●Bardziej przystępne cenowo– Czujniki CMOS z migawką toczącą się są powszechniejsze i tańsze w produkcji.
Ograniczenia rolety rolowanej
●Artefakty ruchu– Szybko poruszające się obiekty mogą wydawać się przekrzywione lub wygięte, co jest znane jako „efekt toczącej się migawki”.
●Efekt galaretki w wideo– Zdjęcia robione z ręki, w trakcie których występują drgania lub szybkie przesuwanie kamery, mogą powodować drżenie obrazu.
●Wyzwania związane z synchronizacją– Mniej przydatne w zastosowaniach wymagających precyzyjnego synchronizowania zdarzeń zewnętrznych.
Global vs. Rolling Shutter: Porównanie bezpośrednie
Oto ogólne porównanie żaluzji zwijanych i globalnych:
| Funkcja | Roleta rolowana | Globalna migawka |
| Projektowanie pikseli | 4-tranzystorowy (4T), bez węzła magazynującego | 5+ tranzystorów, w tym węzeł pamięci masowej |
| Wrażliwość na światło | Wyższy współczynnik wypełnienia, łatwy do dostosowania do formatu podświetlanego od tyłu → wyższy współczynnik QE | Niższy współczynnik wypełnienia, bardziej złożony BSI |
| Wydajność hałasu | Ogólnie niższy poziom szumu odczytu | Może mieć nieco wyższy poziom szumów ze względu na dodane obwody |
| Zniekształcenie ruchu | Możliwe (przekrzywienie, chwianie, efekt galaretki) | Brak — wszystkie piksele są eksponowane jednocześnie |
| Potencjał prędkości | Możliwość nakładania ekspozycji i odczytu wielu wierszy; często szybsze w niektórych projektach | Ograniczone przez odczyt pełnej klatki, choć odczyt podzielony może pomóc |
| Koszt | Niższe koszty produkcji | Wyższe koszty produkcji |
| Najlepsze przypadki użycia | Obrazowanie przy słabym oświetleniu, kinematografia, fotografia ogólna | Szybkie przechwytywanie ruchu, inspekcja przemysłowa, precyzyjna metrologia |
Podstawowe różnice w wydajności
Piksele migawki tocznej zwykle wykorzystują konstrukcję 4-tranzystorową (4T) bez węzła pamięci, podczas gdy migawki globalne wymagają 5 lub więcej tranzystorów na piksel oraz dodatkowych obwodów do przechowywania fotoelektronów przed odczytem.
●Współczynnik wypełnienia i czułość– Prostsza architektura 4T pozwala na wyższy współczynnik wypełnienia pikseli, co oznacza, że większa powierzchnia każdego piksela jest przeznaczona do zbierania światła. Ta konstrukcja, w połączeniu z faktem, że czujniki z funkcją rolling shutter można łatwiej dostosować do formatu z podświetleniem tylnym, często przekłada się na wyższą wydajność kwantową.
●Wydajność hałasu– Mniejsza liczba tranzystorów i mniej skomplikowanych obwodów oznacza, że rolety zwijane charakteryzują się mniejszym szumem odczytu, co sprawia, że lepiej nadają się do zastosowań w warunkach słabego oświetlenia.
●Potencjał prędkości– W niektórych architekturach migawki mogą działać szybciej, ponieważ pozwalają na nakładanie się ekspozycji i odczytu, choć w dużym stopniu zależy to od konstrukcji czujnika i elektroniki odczytującej.
Koszt i produkcja – Prostota pikseli migawki toczącej się zazwyczaj przekłada się na niższe koszty produkcji w porównaniu z migawkami globalnymi.
Zaawansowane rozważania i techniki
Pseudoglobalna migawka
W sytuacjach, w których można precyzyjnie kontrolować moment dotarcia światła do czujnika – na przykład za pomocą diody LED lub lasera wyzwalanego sprzętowo – można uzyskać „globalne” rezultaty dzięki migawce toczącej się. Ta pseudoglobalna metoda migawki synchronizuje oświetlenie z oknem ekspozycji, minimalizując artefakty ruchu bez konieczności stosowania prawdziwej globalnej migawki.
Nakładanie się obrazów
Czujniki z funkcją Rolling Shutter mogą rozpocząć naświetlanie kolejnej klatki przed zakończeniem odczytu bieżącej. Takie nakładanie się ekspozycji poprawia współczynnik wypełnienia i jest korzystne w zastosowaniach wymagających dużej szybkości, gdzie rejestrowanie maksymalnej liczby klatek na sekundę ma kluczowe znaczenie, ale może komplikować eksperymenty wymagające dużej szybkości.
Odczyt wielu wierszy
Wiele szybkich kamer CMOS może odczytywać więcej niż jeden wiersz pikseli jednocześnie. W niektórych trybach wiersze są odczytywane parami; w zaawansowanych konstrukcjach możliwe jest jednoczesne odczytywanie do czterech wierszy, co skutecznie skraca całkowity czas odczytu klatki.
Architektura podzielonego czujnika
Zarówno migawki rolowane, jak i globalne mogą wykorzystywać układ z dzielonym czujnikiem, w którym czujnik obrazu jest podzielony pionowo na dwie połowy, z których każda ma własny rząd przetworników ADC.
● W przypadku czujników z funkcją migawki toczącej się odczyt często zaczyna się od środka i przesuwa się w kierunku góry i dołu, co jeszcze bardziej zmniejsza opóźnienie.
● W przypadku projektów globalnych migawek podział odczytu może poprawić liczbę klatek na sekundę bez wpływu na jednoczesność ekspozycji.
Jak dokonać wyboru: roleta czy żaluzja globalna?
Globalna migawka może być korzystna dla aplikacji
● Wymagają precyzyjnego pomiaru czasu zdarzeń
● Wymagają bardzo krótkich czasów naświetlania
● Wymagaj opóźnienia mniejszego niż milisekunda przed rozpoczęciem akwizycji w celu synchronizacji ze zdarzeniem
● Rejestrowanie ruchu lub dynamiki na dużą skalę w podobnej lub szybszej skali czasowej niż w przypadku migawki toczącej się
● Wymagają jednoczesnego pozyskiwania danych z całego czujnika, ale nie mogą sterować źródłami światła, aby używać pseudoglobalnej migawki na dużym obszarze
Roleta rolowana może być korzystna w zastosowaniach
● Wymagające zastosowania przy słabym oświetleniu: Dodatkowa wydajność kwantowa i mniejszy szum kamer z migawką toczącą się często przekładają się na lepszy stosunek sygnału do szumu (SNR)
● Aplikacje o dużej prędkości, w których dokładna jednoczesność w całym czujniku nie ma znaczenia lub opóźnienie jest niewielkie w porównaniu do skali czasowej eksperymentów
● Inne, bardziej ogólne zastosowania, w których prostota produkcji i niższy koszt kamer z ruchomą migawką są korzystne
Powszechne błędne przekonania
1. „Rolling shutter jest zawsze zły.”
To nieprawda — migawki rolowane sprawdzają się idealnie w wielu zastosowaniach i często przewyższają migawki globalne przy słabym oświetleniu i zakresie dynamicznym.
2. „Migawka globalna jest zawsze lepsza”.
Choć przechwytywanie obrazu bez zniekształceń jest zaletą, kompromisy w zakresie kosztów, szumu i czułości mogą przeważyć nad korzyściami wynikającymi z wolniejszego tempa obrazowania.
3. „Nie da się nakręcić filmu z użyciem migawki toczącej się.”
Wiele kamer kinowych wysokiej klasy skutecznie wykorzystuje migawkę obrotową; odpowiednie techniki filmowania pozwalają zminimalizować powstawanie artefaktów.
4. „Migawki globalne eliminują wszelkie rozmycia spowodowane ruchem”.
Zapobiegają one zniekształceniom geometrycznym, jednak długi czas naświetlania może powodować rozmycie obrazu w ruchu.
Wniosek
Wybór między technologią migawki globalnej a migawką toczącą w kamerze CMOS sprowadza się do znalezienia równowagi między obsługą ruchu, czułością na światło, kosztami i konkretnymi potrzebami danego zastosowania.
● Jeśli chcesz uchwycić szybko poruszające się sceny bez zniekształceń, globalna migawka jest oczywistym wyborem.
● Jeśli priorytetem są dla Ciebie parametry przy słabym oświetleniu, zakres dynamiczny i budżet, najlepszym rozwiązaniem często jest migawka obrotowa.
Zrozumienie tych różnic pozwoli Ci wybrać właściwe narzędzie — niezależnie od tego, czy chodzi o obrazowanie naukowe, monitoring przemysłowy czy produkcję kreatywną.
Często zadawane pytania
Który typ migawki jest lepszy do fotografii lotniczej czy mapowania dronem?
Do mapowania, pomiarów geodezyjnych i inspekcji, gdzie dokładność geometryczna jest kluczowa, preferowana jest migawka globalna, aby uniknąć zniekształceń. Jednak w przypadku kreatywnych filmów lotniczych, migawka typu rolling shutter nadal może zapewnić doskonałe rezultaty, jeśli ruchy są kontrolowane.
Jak wybór migawki wpływa na obrazowanie przy słabym oświetleniu?
Rolety zwijane mają zazwyczaj przewagę w zakresie wydajności przy słabym oświetleniu, ponieważ ich konstrukcja pikselowa może priorytetowo traktować wydajność gromadzenia światła. Rolety globalne mogą wymagać bardziej złożonych układów, które mogą nieznacznie zmniejszyć czułość, chociaż nowoczesne konstrukcje niwelują tę lukę.
Jak typ migawki wpływa nakamera naukowa?
W obrazowaniu naukowym z dużą prędkością – takim jak śledzenie cząstek, dynamika komórek czy balistyka – migawka globalna jest często niezbędna, aby uniknąć zniekształceń ruchu. Jednak w przypadku mikroskopii fluorescencyjnej przy słabym oświetleniuKamera sCMOSz migawką toczącą się, aby zmaksymalizować czułość i zakres dynamiczny.
Które rozwiązanie jest lepsze do kontroli przemysłowej?
W przypadku większości zadań kontroli przemysłowej — zwłaszcza tych, które obejmują ruchome przenośniki taśmowe, robotykę lub systemy wizyjne — migawka globalna jest bezpieczniejszym wyborem, zapewniającym precyzyjne pomiary bez błędów geometrycznych wywołanych ruchem.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Wszelkie prawa zastrzeżone. Przy cytowaniu prosimy o podanie źródła:www.tucsen.com
