25/08/21În lumea imaginii digitale, puțini factori tehnici influențează calitatea imaginii la fel de mult ca tipul de obturator electronic din senzor. Indiferent dacă filmați procese industriale de mare viteză, secvențe cinematice sau surprindeți fenomene astronomice slabe, tehnologia obturatorului din camera CMOS joacă un rol esențial în modul în care rezultatul imaginii finale este evident.
Două tipuri dominante de obturatoare electronice CMOS, obturatoarele globale și obturatoarele rulante, adoptă abordări foarte diferite pentru expunerea și citirea luminii de la un senzor. Înțelegerea diferențelor, punctelor forte și compromisurilor acestora este esențială dacă doriți să adaptați sistemul de imagistică la aplicația dvs.
Acest articol va explica ce sunt obturatoarele electronice CMOS, cum funcționează obturatoarele globale și rulante, cum se comportă în situații reale și cum să decideți care este cel mai potrivit pentru dvs.
Ce sunt obturatoarele electronice CMOS?
Un senzor CMOS este inima majorității camerelor moderne. Este responsabil pentru convertirea luminii primite în semnale electrice care pot fi procesate într-o imagine. „Obturatorul” dintr-unCameră CMOSnu este neapărat o perdea mecanică - multe modele moderne se bazează pe un obturator electronic care controlează modul și momentul în care pixelii captează lumina.
Spre deosebire de un obturator mecanic care blochează fizic lumina, un obturator electronic funcționează prin pornirea și oprirea fluxului de sarcină în fiecare pixel. În imagistica CMOS, există două arhitecturi principale de obturator electronic: obturatorul global și obturatorul rulant.
De ce contează distincția? Deoarece metoda de expunere și citire afectează în mod direct:
● Redare a mișcării și distorsiune
● Claritate a imaginii
● Sensibilitate la lumină slabă
● Rata de cadre și latență
● Potrivit pentru diferite tipuri de fotografie, video și imagistică științifică
Înțelegerea obturatorului global
Sursă: Senzor declanșator global GMAX3405
Cum funcționează obturatorul global
Camerele CMOS cu obturator global își încep și termină expunerea simultan pe întregul senzor. Acest lucru se realizează folosind 5 sau mai mulți tranzistori per pixel și un „nod de stocare” care reține sarcinile fotoelectronice dobândite în timpul citirii. Secvența unei expuneri este următoarea:
1. Începeți expunerea simultan în fiecare pixel prin eliberarea sarcinilor dobândite la masă.
2. Așteptați timpul de expunere ales.
3. La sfârșitul expunerii, mutați sarcinile dobândite în nodul de stocare din fiecare pixel, încheind expunerea cadrului respectiv.
4. Rând cu rând, mutați electronii în condensatorul de citire al pixelului și transmiteți tensiunea acumulată către arhitectura de citire, culminând cu convertoarele analog-digitale (ADC). Următoarea expunere poate fi de obicei efectuată simultan cu acest pas.
Avantajele obturatorului global
● Fără distorsiuni ale mișcării – Subiectele în mișcare își păstrează forma și geometria fără asimetria sau oscilația care poate apărea la citirea secvențială.
● Captură de mare viteză – Ideală pentru înghețarea mișcării în scene cu mișcare rapidă, cum ar fi în sport, robotică sau controlul calității producției.
● Latență redusă – Toate datele de imagine sunt disponibile simultan, permițând o sincronizare precisă cu evenimente externe, cum ar fi impulsurile laser sau luminile stroboscopice.
Limitările obturatorului global
● Sensibilitate mai mică la lumină – Unele modele de pixeli cu obturator global sacrifică eficiența de captare a luminii pentru a se adapta circuitelor necesare pentru expunerea simultană.
● Cost și complexitate mai mari – Fabricația este mai dificilă, ceea ce duce adesea la prețuri mai mari în comparație cu variantele cu obturator rulant.
● Potențial de creștere a zgomotului – În funcție de designul senzorului, componentele electronice suplimentare per pixel pot duce la un zgomot de citire ușor mai mare.
Înțelegerea obloanei rulante
Cum funcționează obturatorul rulant
Folosind doar 4 tranzistoare și niciun nod de stocare, această formă mai simplă de design al pixelilor CMOS duce la o funcționare electronică a obturatorului mai complicată. Pixelii obturatorului rulant pornesc și opresc expunerea senzorului rând cu rând, „rulând” senzorul în jos. Secvența opusă (prezentată și în figură) este urmată pentru fiecare expunere:
Figură: Procesul de rulare a obturatorului pentru un senzor de cameră de 6x6 pixeli
Primul cadru începe expunerea (galben) în partea de sus a senzorului, deplasându-se în jos cu o rată de o linie pe linie. Odată ce expunerea liniei superioare s-a finalizat, citirea (violet), urmată de începutul următoarei expuneri (albastră), deplasează senzorul în jos.
1. Începeți expunerea la rândul superior al senzorului prin eliberarea sarcinilor dobândite la masă.
2. După ce „timpul pe rând” s-a scurs, treceți la al doilea rând al senzorului și începeți expunerea, repetând procesul de mai jos în josul senzorului.
3. Odată ce timpul de expunere solicitat s-a încheiat pentru rândul de sus, încheiați expunerea prin trimiterea sarcinilor achiziționate prin arhitectura de citire. Timpul necesar pentru a face acest lucru este „timpul pe rând”.
4. De îndată ce citirea este finalizată pentru un rând, este gata să reia expunerea de la Pasul 1, chiar dacă asta înseamnă suprapunerea cu alte rânduri care efectuează expunerea anterioară.
Avantajele obloanelor rulante
●Performanță mai bună în lumină slabă– Designul pixelilor poate prioritiza colectarea luminii, îmbunătățind raportul semnal-zgomot în condiții de lumină slabă.
●Gamă dinamică mai mare– Modelele de citire secvențială pot gestiona mai elegant zonele luminoase și umbrele mai întunecate.
●Mai accesibil– Senzorii CMOS cu obturator rulant sunt mai comuni și mai rentabili de fabricat.
Limitările obturatorului rulant
●Artefacte de mișcare– Subiectele în mișcare rapidă pot apărea înclinate sau îndoite, fenomen cunoscut sub numele de „efect de obturator rulant”.
●Efectul Jello în video– Filmările realizate din mână cu vibrații sau panoramare rapidă pot cauza oscilații ale imaginii.
●Provocări de sincronizare– Mai puțin ideal pentru aplicații care necesită o sincronizare precisă cu evenimente externe.
Global vs. Rolling Shutter: Comparație directă
Iată o imagine de ansamblu asupra modului în care se compară obloanele rulante și cele globale:
| Caracteristică | Obturator rulant | Obturator global |
| Design Pixel | 4 tranzistori (4T), fără nod de stocare | 5+ tranzistoare, include nod de stocare |
| Sensibilitate la lumină | Factor de umplere mai mare, ușor de adaptat la formatul retroiluminat → QE mai mare | Factor de umplere mai mic, BSI mai complex |
| Performanță zgomotoasă | Zgomot de citire în general mai mic | Poate avea zgomot ușor mai mare datorită circuitelor adăugate |
| Distorsiunea mișcării | Posibil (oblicare, oscilare, efect de jeleu) | Niciunul — toți pixelii expuși simultan |
| Potențial de viteză | Poate suprapune expuneri și poate citi mai multe rânduri; adesea mai rapid în unele modele | Limitată de citirea pe întregul cadru, deși citirea divizată poate ajuta |
| Cost | Costuri de fabricație mai mici | Costuri de fabricație mai mari |
| Cele mai bune cazuri de utilizare | Imagistică în lumină slabă, cinematografie, fotografie generală | Captură de mișcare de mare viteză, inspecție industrială, metrologie de precizie |
Diferențe de performanță de bază
Pixelii cu obturator rulant utilizează de obicei un design cu 4 tranzistoare (4T) fără un nod de stocare, în timp ce obturatoarele globale necesită 5 sau mai multe tranzistoare per pixel, plus circuite suplimentare pentru stocarea fotoelectronilor înainte de citire.
●Factor de umplere și sensibilitate– Arhitectura 4T mai simplă permite un factor de umplere a pixelilor mai mare, ceea ce înseamnă că o parte mai mare din suprafața fiecărui pixel este dedicată colectării luminii. Acest design, combinat cu faptul că senzorii cu obturator rotativ pot fi adaptați mai ușor la un format iluminat din spate, are adesea ca rezultat o eficiență cuantică mai mare.
●Performanță zgomotoasă– Mai puține tranzistoare și circuite mai puțin complexe înseamnă, în general, că obloanele rulante prezintă un zgomot de citire mai mic, ceea ce le face mai potrivite pentru aplicații în condiții de lumină slabă.
●Potențial de viteză– Obloanele rulante pot fi mai rapide în anumite arhitecturi, deoarece permit suprapunerea expunerii și citirii, deși acest lucru depinde în mare măsură de designul senzorilor și de electronica de citire.
Cost și fabricație – Simplitatea pixelilor cu obturator rulant se traduce de obicei prin costuri de producție mai mici în comparație cu obturatoarele globale.
Considerații și tehnici avansate
Obturator pseudo-global
În situațiile în care puteți controla cu precizie momentul în care lumina ajunge la senzor — cum ar fi utilizarea unei surse de lumină LED sau laser declanșate de hardware — puteți obține rezultate „globale” cu un obturator rulant. Această metodă pseudo-globală a obturatorului sincronizează iluminarea cu fereastra de expunere, reducând la minimum artefactele de mișcare fără a necesita un design real al obturatorului global.
Suprapunere de imagini
Senzorii cu obturator rulant pot începe expunerea următorului cadru înainte ca citirea cadrului curent să fie completă. Această expunere suprapusă îmbunătățește ciclul de funcționare și este benefică pentru aplicațiile de mare viteză în care capturarea numărului maxim de cadre pe secundă este critică, dar poate complica experimentele sensibile la temporizare.
Citire pe mai multe rânduri
Multe camere CMOS de mare viteză pot citi mai mult de un rând de pixeli simultan. În unele moduri, rândurile sunt citite în perechi; în modelele avansate, pot fi citite simultan până la patru rânduri, reducând eficient timpul total de citire a cadrelor.
Arhitectură de senzori divizați
Atât obturatoarele rulante, cât și cele globale pot utiliza o dispunere a senzorului divizat, unde senzorul de imagine este împărțit vertical în două jumătăți, fiecare cu propriul rând de convertoare analogice-digitale (ADC-uri).
● În cazul senzorilor divizați cu obturator rulant, citirea începe adesea din centru și se deplasează spre exterior, atât spre sus, cât și spre jos, reducând și mai mult latența.
● În proiectele cu obturator global, citirea divizată poate îmbunătăți rata de cadre fără a altera simultaneitatea expunerii.
Cum să alegi pentru aplicația ta: obturator rulant sau global?
Obturatorul global ar putea fi benefic pentru aplicații
● Necesită o cronometrare de înaltă precizie a evenimentelor
● Necesită timpi de expunere foarte scurți
● Necesită o întârziere de sub milisecundă înainte de începerea unei achiziții pentru sincronizarea cu un eveniment
● Capturați mișcarea sau dinamica la scară largă pe o scară de timp similară sau mai rapidă cu cea a unui obturator rulant
● Necesită achiziție simultană pe întregul senzor, dar nu se pot controla sursele de lumină pentru a utiliza un obturator pseudo-global pe o suprafață extinsă
Obturatorul rulant poate fi benefic pentru aplicații
● Aplicații dificile în condiții de lumină slabă: Eficiența cuantică suplimentară și zgomotul redus al camerelor cu obturator rotativ duc adesea la un raport semnal-zgomot îmbunătățit
● Aplicații de mare viteză în care simultaneitatea exactă pe senzor nu este importantă sau întârzierea este mică în comparație cu intervalele de timp experimentale
● Alte aplicații mai generale în care simplitatea fabricației și costul mai mic al camerelor cu obturator rotativ sunt benefice
Concepții greșite comune
1. „Obturatorul rulant este întotdeauna rău.”
Nu este adevărat - obloanele rulante sunt ideale pentru multe cazuri de utilizare și adesea depășesc performanțele obloanelor globale în condiții de lumină slabă și gamă dinamică.
2. „Obturatorul global este întotdeauna mai bun.”
Deși captura fără distorsiuni este un avantaj, compromisurile în materie de cost, zgomot și sensibilitate pot depăși beneficiile imagisticii cu ritm mai lent.
3. „Nu poți filma videoclipuri cu un obturator rulant.”
Multe camere de cinema de înaltă performanță folosesc eficient obturatoarele rotative; tehnicile de filmare atente pot reduce la minimum artefactele.
4. „Obturatoarele globale elimină toate neclaritățile cauzate de mișcare.”
Acestea previn distorsiunea geometrică, dar poate apărea în continuare neclaritate prin mișcare cauzată de timpi lungi de expunere.
Concluzie
Alegerea între tehnologia globală și cea cu obturator rulant într-o cameră CMOS se reduce la echilibrul dintre gestionarea mișcării, sensibilitatea la lumină, cost și nevoile specifice ale aplicației dumneavoastră.
● Dacă aveți nevoie de o fotografie fără distorsiuni pentru scene cu mișcare rapidă, obturatorul global este alegerea evidentă.
● Dacă prioritizați performanța în lumină slabă, gama dinamică și bugetul, obturatorul rulant oferă adesea cele mai bune rezultate.
Înțelegerea acestor diferențe vă asigură că puteți selecta instrumentul potrivit - fie că este vorba de imagistică științifică, monitorizare industrială sau producție creativă.
Întrebări frecvente
Ce tip de obturator este mai bun pentru fotografierea aeriană sau cartografierea cu drona?
Pentru cartografiere, topografie și inspecție, unde precizia geometrică este crucială, se preferă un obturator global pentru a evita distorsiunile. Cu toate acestea, pentru videoclipuri aeriene creative, un obturator rotativ poate oferi rezultate excelente dacă mișcările sunt controlate.
Cum influențează alegerea obturatorului imaginile în lumină slabă?
Obloanele rulante au, în general, un avantaj în ceea ce privește performanța în lumină slabă, deoarece designul pixelilor lor poate prioritiza eficiența de captare a luminii. Obloanele globale pot necesita circuite mai complexe care pot reduce ușor sensibilitatea, deși designurile moderne elimină această lacună.
Cum afectează tipul de obturator ocameră științifică?
În imagistica științifică de mare viteză — cum ar fi urmărirea particulelor, dinamica celulară sau balistica — un obturator global este adesea esențial pentru a evita distorsiunea mișcării. Dar pentru microscopia cu fluorescență în lumină slabă, uncameră sCMOScu un obturator rulant poate fi aleasă pentru a maximiza sensibilitatea și gama dinamică.
Care este mai potrivit pentru inspecția industrială?
În majoritatea sarcinilor de inspecție industrială - în special cele care implică benzi transportoare în mișcare, robotică sau viziune artificială - un obturator global este alegerea mai sigură pentru a asigura măsurători precise fără erori geometrice induse de mișcare.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Toate drepturile rezervate. Când citați, vă rugăm să menționați sursa:www.tucsen.com
