25. 8. 2021Vo svete digitálneho zobrazovania len málo technických faktorov ovplyvňuje kvalitu obrazu tak ako typ elektronickej uzávierky vo vašom snímači. Či už snímate vysokorýchlostné priemyselné procesy, filmujete filmové sekvencie alebo zachytávate slabé astronomické javy, technológia uzávierky vo vašom fotoaparáte CMOS zohráva kľúčovú úlohu v tom, ako výsledný obraz dopadne.
Dva dominantné typy elektronických uzávierok CMOS, globálne uzávierky a rolovacie uzávierky, používajú veľmi odlišné prístupy k expozícii a čítaniu svetla zo snímača. Pochopenie ich rozdielov, silných stránok a nevýhod je nevyhnutné, ak chcete prispôsobiť svoj zobrazovací systém svojej aplikácii.
Tento článok vysvetlí, čo sú elektronické uzávierky CMOS, ako fungujú globálne a rolovacie uzávierky, ako sa správajú v reálnych situáciách a ako sa rozhodnúť, ktorá je pre vás najlepšia.
Čo sú elektronické uzávierky CMOS?
Snímač CMOS je srdcom väčšiny moderných fotoaparátov. Je zodpovedný za premenu prichádzajúceho svetla na elektrické signály, ktoré je možné spracovať do obrazu. „Spúšť“ vCMOS kameranie je to nevyhnutne mechanická clona – mnoho moderných dizajnov sa spolieha na elektronickú uzávierku, ktorá riadi, ako a kedy pixely zachytávajú svetlo.
Na rozdiel od mechanickej uzávierky, ktorá fyzicky blokuje svetlo, elektronická uzávierka funguje tak, že spúšťa a zastavuje tok náboja v každom pixeli. V CMOS zobrazovaní existujú dve hlavné architektúry elektronickej uzávierky: globálna uzávierka a rolujúca uzávierka.
Prečo je rozlíšenie dôležité? Pretože spôsob expozície a odčítania priamo ovplyvňuje:
● Vykresľovanie a skreslenie pohybu
● Ostrosť obrazu
● Citlivosť pri slabom osvetlení
● Snímková frekvencia a latencia
● Celková vhodnosť pre rôzne typy fotografie, videa a vedeckého zobrazovania
Pochopenie globálnej uzávierky
Zdroj: Globálny senzor uzávierky GMAX3405
Ako funguje globálna uzávierka
Kamery CMOS s globálnou uzávierkou začínajú a ukončujú expozíciu súčasne na celom snímači. Toto sa dosahuje pomocou 5 alebo viacerých tranzistorov na pixel a „úložného uzla“, ktorý uchováva získané fotoelektrónové náboje počas načítavania. Postupnosť expozície je nasledovná:
1. Začnite expozíciu súčasne v každom pixeli vyčistením získaných nábojov do zeme.
2. Počkajte na zvolený čas expozície.
3. Na konci expozície presuň získané náboje do pamäťového uzla v každom pixeli, čím ukončíš expozíciu daného snímky.
4. Riadok po riadku presúvajte elektróny do čítacieho kondenzátora pixelu a prenášajte nahromadené napätie do čítacej architektúry, čo vyvrcholí analógovo-digitálnymi prevodníkmi (ADC). Ďalšia expozícia sa zvyčajne môže vykonať súčasne s týmto krokom.
Výhody globálnej uzávierky
● Žiadne skreslenie pohybu – Pohybujúce sa objekty si zachovávajú svoj tvar a geometriu bez skreslenia alebo chvenia, ku ktorému môže dôjsť pri sekvenčnom čítaní.
● Vysokorýchlostné snímanie – Ideálne na zmrazenie pohybu v rýchlo sa meniacich scénach, ako napríklad v športe, robotike alebo pri kontrole kvality výroby.
● Nízka latencia – Všetky obrazové dáta sú k dispozícii naraz, čo umožňuje presnú synchronizáciu s externými udalosťami, ako sú laserové impulzy alebo stroboskopické svetlá.
Obmedzenia globálnej uzávierky
● Nižšia citlivosť na svetlo – Niektoré návrhy pixelov globálnej uzávierky obetujú účinnosť zhromažďovania svetla, aby sa prispôsobili obvodom potrebným na simultánnu expozíciu.
● Vyššie náklady a zložitosť – Výroba je náročnejšia, čo často vedie k vyšším cenám v porovnaní s náprotivkami roletových brán.
● Potenciál zvýšeného šumu – V závislosti od konštrukcie snímača môže dodatočná elektronika na pixel viesť k mierne vyššiemu šumu pri čítaní.
Pochopenie rolovacej uzávierky
Ako funguje rolovacia uzávierka
Vďaka použitiu iba 4 tranzistorov a žiadneho pamäťového uzla vedie táto jednoduchšia forma návrhu pixelov CMOS ku komplikovanejšej prevádzke elektronickej uzávierky. Pixely s postupným rolovaním uzávierky spúšťajú a zastavujú expozíciu snímača po jednom riadku, čím sa „rolujú“ po snímači. Pre každú expozíciu sa dodržiava opačná postupnosť (znázornená aj na obrázku):
Obrázok: Proces rolovacej uzávierky pre snímač kamery s rozmermi 6x6 pixelov
Prvý záber začína expozíciu (žltá) v hornej časti snímača a posúva sa smerom nadol rýchlosťou jeden riadok na riadok. Po dokončení expozície pre horný riadok sa po snímači nadol posúva údaj (fialová) a následne začiatok ďalšej expozície (modrá).
1. Začnite expozíciu hornému radu senzora vyčistením nahromadených nábojov do zeme.
2. Po uplynutí „času riadku“ prejdite na druhý rad senzora a začnite expozíciu, pričom postup opakujte smerom nadol po senzore.
3. Po uplynutí požadovaného času expozície pre horný riadok ukončite expozíciu odoslaním získaných nábojov cez architektúru čítania. Čas potrebný na to sa nazýva „čas riadku“.
4. Hneď ako je odčítanie údajov pre riadok dokončené, je pripravené na opätovné spustenie expozície od kroku 1, aj keď to znamená prekrytie s inými riadkami, v ktorých sa vykonáva predchádzajúca expozícia.
Výhody roletových brán
●Lepší výkon pri slabom osvetlení– Dizajn pixelov dokáže uprednostniť zber svetla, čím sa zlepšuje pomer signálu k šumu v tmavých podmienkach.
●Vyšší dynamický rozsah– Sekvenčné čítanie dokáže elegantnejšie spracovať jasnejšie svetlá a tmavšie tiene.
●Dostupnejšie– CMOS senzory s rolovacou uzávierkou sú bežnejšie a ich výroba je nákladovo efektívnejšia.
Obmedzenia rolovacej uzávierky
●Pohybové artefakty– Rýchlo sa pohybujúce objekty sa môžu javiť ako skreslené alebo ohnuté, čo je známe ako „efekt rolovacej uzávierky“.
●Želatínový efekt vo videu– Zábery z ruky s vibráciami alebo rýchlym posúvaním môžu spôsobiť chvenie obrazu.
●Synchronizačné výzvy– Menej ideálne pre aplikácie vyžadujúce presné načasovanie s externými udalosťami.
Globálna vs. rolujúca uzávierka: Porovnanie vedľa seba
Tu je všeobecný pohľad na porovnanie rolovacích a globálnych uzávierok:
| Funkcia | Rolovacie uzávierky | Globálna uzávierka |
| Pixelový dizajn | 4-tranzistorový (4T), bez úložného uzla | 5+ tranzistorov, vrátane pamäťového uzla |
| Citlivosť na svetlo | Vyšší faktor plnenia, jednoduché prispôsobenie sa formátu s podsvietením → vyššia kvalita kvality | Nižší faktor plnenia, zložitejšie BSI |
| Hlukový výkon | Všeobecne nižší šum pri čítaní | Môže mať mierne vyšší šum kvôli pridaným obvodom |
| Skreslenie pohybu | Možné (šikmenie, kolísanie, želatínový efekt) | Žiadne – všetky pixely exponované súčasne |
| Potenciál rýchlosti | Môže prekrývať expozície a čítať viacero riadkov; v niektorých prevedeniach často rýchlejšie | Obmedzené čítaním celého obrazu, hoci rozdelené čítanie môže pomôcť |
| Cena | Nižšie výrobné náklady | Vyššie výrobné náklady |
| Najlepšie prípady použitia | Snímanie pri slabom osvetlení, kinematografia, všeobecná fotografia | Vysokorýchlostné snímanie pohybu, priemyselná kontrola, presná metrológia |
Rozdiely vo výkone základných prvkov
Pixely s rolovacou uzávierkou zvyčajne používajú 4-tranzistorový (4T) dizajn bez pamäťového uzla, zatiaľ čo globálne uzávierky vyžadujú 5 alebo viac tranzistorov na pixel plus ďalšie obvody na ukladanie fotoelektrónov pred načítaním.
●Faktor plnenia a citlivosť– Jednoduchšia architektúra 4T umožňuje vyšší faktor plnenia pixelov, čo znamená, že väčšia časť povrchu každého pixelu je venovaná zberu svetla. Tento dizajn v kombinácii so skutočnosťou, že snímače s rolovacou uzávierkou sa dajú ľahšie prispôsobiť formátu so zadným osvetlením, často vedie k vyššej kvantovej účinnosti.
●Hlukový výkon– Menej tranzistorov a menej zložité obvody vo všeobecnosti znamenajú, že rolovacie uzávierky vykazujú nižší šum pri čítaní, vďaka čomu sú vhodnejšie pre aplikácie pri slabom osvetlení.
●Potenciál rýchlosti– Rolovacie uzávierky môžu byť v určitých architektúrach rýchlejšie, pretože umožňujú prekrývanie expozície a odčítania, hoci to vo veľkej miere závisí od konštrukcie snímača a elektroniky odčítania.
Náklady a výroba – Jednoduchosť pixelov roletových uzávierok sa zvyčajne premieta do nižších výrobných nákladov v porovnaní s globálnymi uzávierkami.
Pokročilé úvahy a techniky
Pseudo-globálna uzávierka
V situáciách, kde môžete presne kontrolovať, kedy svetlo dosiahne senzor – napríklad pomocou LED alebo laserového zdroja svetla spúšťaného hardvérom – môžete dosiahnuť „globálne“ výsledky pomocou rolovacej uzávierky. Táto metóda pseudoglobálnej uzávierky synchronizuje osvetlenie s expozičným oknom, čím minimalizuje artefakty pohybu bez nutnosti skutočného návrhu globálnej uzávierky.
Prekrývanie obrázkov
Snímače rolovacej uzávierky môžu začať exponovať ďalší záber ešte predtým, ako sa dokončí načítanie aktuálneho záberu. Toto prekrývanie expozície zlepšuje pracovný cyklus a je výhodné pre vysokorýchlostné aplikácie, kde je zachytenie maximálneho počtu snímok za sekundu kritické, ale môže skomplikovať experimenty citlivé na časovanie.
Odčítanie viacerých riadkov
Mnohé vysokorýchlostné CMOS kamery dokážu naraz čítať viac ako jeden riadok pixelov. V niektorých režimoch sa riadky čítajú v pároch; v pokročilejších prevedeniach je možné súčasne čítať až štyri riadky, čím sa efektívne skracuje celkový čas čítania snímky.
Architektúra rozdelených senzorov
Rolovacie aj globálne uzávierky môžu používať rozloženie rozdeleného snímača, kde je obrazový snímač vertikálne rozdelený na dve polovice, pričom každá má vlastný rad ADC.
● V senzoroch s rolovacou uzávierkou sa odčítanie často začína od stredu a postupuje smerom von smerom nahor aj nadol, čím sa ďalej znižuje latencia.
● V konštrukciách s globálnou uzávierkou môže rozdelené načítanie zlepšiť snímkovú frekvenciu bez zmeny simultánnosti expozície.
Ako si vybrať pre vašu aplikáciu: Rolling alebo Global Shutter?
Globálna uzávierka môže byť prospešná pre aplikácie
● Vyžadujú si vysoko presné načasovanie udalostí
● Vyžadujú veľmi krátke expozičné časy
● Vyžadovať oneskorenie v hodnote menšej ako milisekundy pred začiatkom akvizície na synchronizáciu s udalosťou
● Zachytávajte rozsiahly pohyb alebo dynamiku v podobnom alebo rýchlejšom časovom horizonte ako pri použití rolovacej uzávierky
● Vyžadujú simultánne snímanie naprieč senzorom, ale nedokážu ovládať svetelné zdroje na použitie pseudoglobálnej uzávierky na veľkej ploche
Rolovacia uzávierka môže byť prospešná pre aplikácie
● Náročné aplikácie pri slabom osvetlení: Dodatočná kvantová účinnosť a nižší šum kamier s postupným uzávierkovým režimom často vedú k zlepšeniu pomeru signálu k šumu (SNR).
● Vysokorýchlostné aplikácie, kde nie je dôležitá presná simultánnosť medzi senzormi alebo je oneskorenie malé v porovnaní s experimentálnymi časovými rámcami
● Ďalšie všeobecnejšie aplikácie, kde sú výhodou jednoduchosť výroby a nižšie náklady na kamery s rolovacou uzávierkou
Bežné mylné predstavy
1. „Rolujúca uzávierka je vždy zlá.“
Nie je to pravda – rolovacie uzávierky sú ideálne pre mnoho prípadov použitia a často prekonávajú globálne uzávierky pri slabom osvetlení a dynamickom rozsahu.
2. „Globálna uzávierka je vždy lepšia.“
Hoci je snímanie bez skreslenia výhodou, kompromisy v oblasti nákladov, šumu a citlivosti môžu prevážiť výhody pomalšieho zobrazovania.
3. „S rolujúcou uzávierkou sa nedá natáčať video.“
Mnoho špičkových filmových kamier efektívne využíva rolovacie uzávierky; starostlivé techniky snímania môžu minimalizovať artefakty.
4. „Globálne uzávierky eliminujú rozmazanie pohybu.“
Zabraňujú geometrickému skresleniu, ale stále sa môže vyskytnúť rozmazanie pohybu spôsobené dlhými expozičnými časmi.
Záver
Voľba medzi technológiou globálnej a rolovacej uzávierky v CMOS kamere sa v podstate obmedzuje na rovnováhu medzi spracovaním pohybu, citlivosťou na svetlo, cenou a špecifickými potrebami vašej aplikácie.
● Ak potrebujete snímanie rýchlych scén bez skreslenia, globálna uzávierka je jasnou voľbou.
● Ak uprednostňujete výkon pri slabom osvetlení, dynamický rozsah a rozpočet, rolujúca uzávierka často prináša najlepšie výsledky.
Pochopenie týchto rozdielov vám zaručí, že si budete môcť vybrať ten správny nástroj – či už ide o vedecké zobrazovanie, priemyselný monitoring alebo kreatívnu produkciu.
Často kladené otázky
Ktorý typ uzávierky je lepší na letecké fotografovanie alebo mapovanie dronom?
Pre mapovanie, geodéziu a inšpekciu, kde je geometrická presnosť kľúčová, sa uprednostňuje globálna uzávierka, aby sa predišlo skresleniu. Avšak pre kreatívne letecké video môže rolovacia uzávierka stále priniesť vynikajúce výsledky, ak sú pohyby kontrolované.
Aký vplyv má výber uzávierky na snímanie pri slabom osvetlení?
Rolovacie uzávierky majú vo všeobecnosti výhodu v oblasti výkonu pri slabom osvetlení, pretože ich pixelové dizajny dokážu uprednostniť účinnosť zhromažďovania svetla. Globálne uzávierky môžu vyžadovať zložitejšie obvody, ktoré môžu mierne znížiť citlivosť, hoci moderné dizajny túto medzeru zmenšujú.
Ako typ uzávierky ovplyvňujevedecká kamera?
Pri vysokorýchlostnom vedeckom zobrazovaní – ako je sledovanie častíc, dynamika buniek alebo balistika – je globálna uzávierka často nevyhnutná, aby sa zabránilo skresleniu pohybu. Ale pre fluorescenčnú mikroskopiu pri slabom osvetlení je...sCMOS kameras rolujúcou uzávierkou je možné zvoliť maximalizáciu citlivosti a dynamického rozsahu.
Ktorý je lepší na priemyselnú kontrolu?
Vo väčšine úloh priemyselnej kontroly – najmä tých, ktoré zahŕňajú pohybujúce sa dopravné pásy, robotiku alebo strojové videnie – je globálna uzávierka bezpečnejšou voľbou na zabezpečenie presných meraní bez geometrických chýb spôsobených pohybom.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Všetky práva vyhradené. Pri citovaní uveďte zdroj:www.tucsen.com
