25. 8. 2021V svetu digitalnega slikanja le malo tehničnih dejavnikov tako močno vpliva na kakovost slike kot vrsta elektronskega zaklopa v vašem senzorju. Ne glede na to, ali snemate hitre industrijske procese, filmske sekvence ali zajemate šibke astronomske pojave, ima tehnologija zaklopa v vašem CMOS fotoaparatu ključno vlogo pri tem, kako bo videti vaša končna slika.
Dve prevladujoči vrsti elektronskih zaklopov CMOS, globalni zaklopi in rolo zaklopi, uporabljata zelo različna pristopa k osvetljevanju in odčitavanju svetlobe s senzorja. Razumevanje njunih razlik, prednosti in kompromisov je bistvenega pomena, če želite svoj slikovni sistem uskladiti z vašo aplikacijo.
Ta članek bo razložil, kaj so elektronske zaklopke CMOS, kako delujejo globalne in rolo zaklopke, kako se obnesejo v resničnih situacijah in kako se odločiti, katera je najboljša za vas.
Kaj so elektronski zaklopi CMOS?
CMOS senzor je srce večine sodobnih fotoaparatov. Odgovoren je za pretvorbo vhodne svetlobe v električne signale, ki jih je mogoče obdelati v sliko. "Zaklop" vCMOS kamerani nujno mehanska zavesa – veliko sodobnih modelov se zanaša na elektronski zaklop, ki nadzoruje, kako in kdaj slikovne pike zajemajo svetlobo.
Za razliko od mehanskega zaklopa, ki fizično blokira svetlobo, elektronski zaklop deluje tako, da zažene in ustavi pretok naboja znotraj vsakega slikovnega piksla. Pri CMOS slikanju obstajata dve primarni arhitekturi elektronskega zaklopa: globalni zaklop in rolo zaklop.
Zakaj je razlikovanje pomembno? Ker način izpostavljenosti in odčitavanja neposredno vpliva na:
● Upodabljanje in popačenje gibanja
● Ostrina slike
● Občutljivost pri šibki svetlobi
● Hitrost sličic in zakasnitev
● Splošna primernost za različne vrste fotografije, videa in znanstvenega slikanja
Razumevanje globalnega zaklopa
Vir: GMAX3405 Global Shutter Sensor
Kako deluje Global Shutter
CMOS kamere z globalnim zaklopom začnejo in končajo osvetlitev hkrati na celotnem senzorju. To se doseže z uporabo 5 ali več tranzistorjev na slikovno piko in »shranjevalnega vozlišča«, ki med branjem hrani pridobljene fotoelektronske naboje. Zaporedje osvetlitve je naslednje:
1. Začnite osvetljevati vsak piksel hkrati tako, da pridobljene naboje ozemljite.
2. Počakajte na izbrani čas osvetlitve.
3. Na koncu osvetlitve premaknite pridobljene naboje v vozlišče za shranjevanje v vsakem slikovnem elementu, s čimer končate osvetlitev tega kadra.
4. Vrstico za vrstico premaknite elektrone v bralni kondenzator piksla in posredujte akumulirano napetost bralni arhitekturi, kar doseže vrhunec v analogno-digitalnih pretvornikih (ADC). Naslednja osvetlitev se običajno lahko izvede hkrati s tem korakom.
Prednosti globalnega zaklopa
● Brez popačenja gibanja – Premikajoči se subjekti ohranijo svojo obliko in geometrijo brez poševnosti ali nihanja, ki se lahko pojavita pri zaporednem odčitavanju.
● Hitro zajemanje – idealno za zamrznitev gibanja v hitro premikajočih se prizorih, na primer v športu, robotiki ali pri nadzoru kakovosti proizvodnje.
● Nizka zakasnitev – Vsi slikovni podatki so na voljo hkrati, kar omogoča natančno sinhronizacijo z zunanjimi dogodki, kot so laserski impulzi ali stroboskopske luči.
Omejitve globalnega zaklopa
● Nižja svetlobna občutljivost – Nekatere zasnove slikovnih pik globalnega zaklopa žrtvujejo učinkovitost zbiranja svetlobe, da bi se prilagodile vezju, potrebnemu za sočasno osvetlitev.
● Višji stroški in kompleksnost – Izdelava je zahtevnejša, kar pogosto povzroči višje cene v primerjavi z rolo vrati.
● Možnost povečanega šuma – Glede na zasnovo senzorja lahko dodatna elektronika na slikovno piko povzroči nekoliko večji šum pri branju.
Razumevanje rolo zaklopa
Kako deluje rolo zaklop
Z uporabo le 4 tranzistorjev in brez pomnilniškega vozlišča ta enostavnejša oblika zasnove slikovnih pik CMOS vodi do bolj zapletenega delovanja elektronskega zaklopa. Slikovni piksli s premikajočim se zaklopom zaženejo in ustavijo osvetlitev senzorja po eno vrstico naenkrat, tako da se "pomikajo" navzdol po senzorju. Za vsako osvetlitev se sledi nasprotno zaporedje (prikazano tudi na sliki):
Slika: Postopek rolo zaklopa za senzor kamere 6x6 slikovnih pik
Prvi kader začne osvetlitev (rumena) na vrhu senzorja in se pomika navzdol s hitrostjo ena vrstica na vrstico. Ko je osvetlitev zgornje vrstice končana, se odčitavanje (vijolična) in začetek naslednje osvetlitve (modra) pomikata navzdol po senzorju.
1. Začnite osvetljevati zgornjo vrsto senzorja tako, da nakopičene naboje ozemljite.
2. Po preteku »časa vrste« se premaknite v drugo vrsto senzorja in začnite z osvetljevanjem, pri čemer ponavljajte postopek navzdol po senzorju.
3. Ko se zahtevani čas osvetlitve za zgornjo vrsto konča, osvetlitev zaključimo s pošiljanjem pridobljenih nabojev prek arhitekture odčitavanja. Čas, potreben za to, se imenuje »čas vrstice«.
4. Takoj ko je odčitavanje za vrsto končano, je pripravljena za ponovni začetek osvetlitve od 1. koraka, tudi če to pomeni prekrivanje z drugimi vrstami, v katerih je bila izvedena prejšnja osvetlitev.
Prednosti rolo zaklopa
●Boljša zmogljivost pri šibki svetlobi– Zasnove slikovnih pik lahko dajo prednost zbiranju svetlobe in izboljšajo razmerje signal/šum v temnih pogojih.
●Višji dinamični razpon– Zaporedne zasnove odčitavanja lahko elegantneje obravnavajo svetlejše poudarke in temnejše sence.
●Bolj dostopno– CMOS senzorji z rolo zaklopom so pogostejši in stroškovno učinkovitejši za izdelavo.
Omejitve rolo zaklopa
●Artefakti gibanja– Hitro premikajoči se motivi so lahko videti poševni ali ukrivljeni, kar je znano kot »učinek vrtečega se zaklopa«.
●Učinek želeja v videu– Posnetki iz roke z vibriranjem ali hitrim premikanjem lahko povzročijo tresenje slike.
●Izzivi sinhronizacije– Manj idealno za aplikacije, ki zahtevajo natančno časovno usklajevanje z zunanjimi dogodki.
Globalno v primerjavi z Rolling Shutterjem: Vzporedna primerjava
Tukaj je splošni pregled primerjave rolo in globalnih zaklopov:
| Funkcija | Rolo zaklop | Globalni zaklop |
| Oblikovanje pikslov | 4-tranzistor (4T), brez vozlišča za shranjevanje | 5+ tranzistorjev, vključno s pomnilniškim vozliščem |
| Občutljivost na svetlobo | Višji faktor polnjenja, enostavna prilagoditev formatu z osvetlitvijo ozadja → višji QE | Nižji faktor polnjenja, bolj zapleten BSI |
| Hrupna zmogljivost | Na splošno nižji šum pri branju | Zaradi dodanega vezja je lahko nekoliko višji hrup |
| Popačenje gibanja | Možno (poševno, nihanje, žele učinek) | Brez – vsi slikovni elementi so hkrati osvetljeni |
| Hitrostni potencial | Lahko prekriva osvetlitve in bere več vrstic; v nekaterih modelih pogosto hitreje | Omejeno z odčitavanjem celotnega kadra, čeprav lahko deljeno odčitavanje pomaga |
| Stroški | Nižji proizvodni stroški | Višji proizvodni stroški |
| Najboljši primeri uporabe | Fotografiranje pri šibki svetlobi, kinematografija, splošna fotografija | Hitro zajemanje gibanja, industrijski pregled, precizna metrologija |
Razlike v osnovni učinkovitosti delovanja
Piksli z rolo zaklopom običajno uporabljajo zasnovo s 4 tranzistorji (4T) brez pomnilniškega vozlišča, medtem ko globalni zaklopi zahtevajo 5 ali več tranzistorjev na piksel ter dodatno vezje za shranjevanje fotoelektronov pred branjem.
●Faktor polnjenja in občutljivost– Preprostejša arhitektura 4T omogoča višji faktor polnjenja slikovnih pik, kar pomeni, da je večji del površine vsakega slikovnega piksla namenjen zbiranju svetlobe. Ta zasnova v kombinaciji z dejstvom, da je mogoče senzorje z zasunom lažje prilagoditi formatu z osvetlitvijo od zadaj, pogosto povzroči večjo kvantno učinkovitost.
●Hrupna zmogljivost– Manj tranzistorjev in manj kompleksno vezje na splošno pomeni, da imajo rolo zaklopi nižji bralni šum, zaradi česar so bolj primerni za uporabo v slabih svetlobnih pogojih.
●Hitrostni potencial– Rolling shutterji so lahko v nekaterih arhitekturah hitrejši, ker omogočajo prekrivanje osvetlitve in odčitavanja, čeprav je to zelo odvisno od zasnove senzorja in elektronike za odčitavanje.
Stroški in proizvodnja – Preprostost slikovnih pik z rolo zaklopom običajno pomeni nižje proizvodne stroške v primerjavi z globalnimi zaklopi.
Napredni premisleki in tehnike
Psevdoglobalni zaklop
V situacijah, ko lahko natančno nadzorujete, kdaj svetloba doseže senzor – na primer z uporabo LED ali laserskega vira svetlobe, ki ga sproži strojna oprema – lahko dosežete »globalne« rezultate z uporabo rotirajočega zaklopa. Ta metoda psevdoglobalnega zaklopa sinhronizira osvetlitev z oknom osvetlitve in tako zmanjša artefakte gibanja, ne da bi bila potrebna prava zasnova globalnega zaklopa.
Prekrivanje slik
Senzorji rolo zaklopa lahko začnejo osvetljevati naslednji okvir, še preden je odčitavanje trenutnega okvirja končano. Ta prekrivajoča se osvetlitev izboljša delovni cikel in je koristna za hitre aplikacije, kjer je zajem največjega števila okvirjev na sekundo ključnega pomena, vendar lahko oteži časovno občutljive poskuse.
Odčitavanje več vrstic
Številne visokohitrostne CMOS kamere lahko hkrati preberejo več kot eno vrstico slikovnih pik. V nekaterih načinih se vrstice berejo v parih; v naprednejših izvedbah pa je mogoče hkrati prebrati do štiri vrstice, kar učinkovito skrajša skupni čas branja sličice.
Arhitektura razdeljenih senzorjev
Tako rolo kot globalna zaklopa lahko uporabljata postavitev deljenega senzorja, kjer je slikovni senzor navpično razdeljen na dve polovici, vsaka s svojo vrsto ADC-jev.
● Pri senzorjih z razcepljenim delovanjem z zasunom se odčitavanje pogosto začne od sredine in se nato pomika navzven proti vrhu in dnu, kar dodatno zmanjša zakasnitev.
● Pri globalnih zasnovah zaklopa lahko deljeno odčitavanje izboljša hitrost sličic, ne da bi pri tem spremenilo hkratnost osvetlitve.
Kako izbrati za svojo uporabo: Rolling ali Global Shutter?
Globalni zaklop lahko koristi aplikacijam
● Zahtevajo visoko natančno časovno usklajevanje dogodkov
● Zahtevajo zelo kratke čase osvetlitve
● Zahteva manj kot milisekundno zakasnitev pred začetkom zajemanja za sinhronizacijo z dogodkom
● Zajemite gibanje ali dinamiko velikega obsega v podobnem ali hitrejšem časovnem okviru kot pri uporabi rolo zaklopa
● Zahteva sočasno zajemanje podatkov na celotnem senzorju, vendar ne more nadzorovati svetlobnih virov za uporabo psevdoglobalnega zaklopa na velikem območju
Rolo zaklop lahko koristi aplikacijam
● Zahtevne aplikacije pri šibki svetlobi: Dodatna kvantna učinkovitost in nižji šum kamer z zasunom pogosto vodita do izboljšanega razmerja signal-šum
● Hitre aplikacije, kjer natančna sočasnost med senzorjem ni pomembna ali pa je zamuda majhna v primerjavi z eksperimentalnimi časovnimi okviri
● Druge, bolj splošne aplikacije, kjer sta enostavnost izdelave in nižji stroški kamer z rolo zaklopom koristni
Pogoste zmote
1. "Rolo zaklop je vedno slab."
Ni res – rolo zaklopi so idealni za številne primere uporabe in pogosto prekašajo globalne zaklope pri šibki svetlobi in dinamičnem razponu.
2. "Globalni zaklop je vedno boljši."
Čeprav je zajemanje brez popačenj prednost, lahko kompromisi glede stroškov, šuma in občutljivosti odtehtajo prednosti počasnejšega slikanja.
3. "Videa ne moreš snemati z rolo zaklopom."
Številne vrhunske kinematografske kamere učinkovito uporabljajo rolo zaklop; skrbne tehnike snemanja lahko zmanjšajo artefakte.
4. "Globalne zaklopke odstranijo vso zamegljenost zaradi gibanja."
Preprečujejo geometrijsko popačenje, vendar se lahko zaradi dolgih časov osvetlitve še vedno pojavi zamegljenost zaradi gibanja.
Zaključek
Izbira med globalno in tehnologijo rolo zaklopa pri CMOS kameri je odvisna od ravnovesja med obvladovanjem gibanja, občutljivostjo na svetlobo, stroški in specifičnimi potrebami vaše aplikacije.
● Če potrebujete posnetek brez popačenj za hitro premikajoče se prizore, je globalni zaklop jasna izbira.
● Če dajete prednost delovanju pri šibki svetlobi, dinamičnemu razponu in proračunu, rolo zaklop pogosto prinese najboljše rezultate.
Razumevanje teh razlik vam zagotavlja, da lahko izberete pravo orodje – pa naj bo to za znanstveno slikanje, industrijski nadzor ali ustvarjalno produkcijo.
Pogosta vprašanja
Katera vrsta zaklopa je boljša za zračno fotografiranje ali kartiranje z dronom?
Za kartiranje, geodetske preglede in inšpekcijske preglede, kjer je geometrijska natančnost ključnega pomena, je za preprečevanje popačenja bolj primerna globalna zaklopka. Vendar pa lahko za kreativne posnetke iz zraka rolo zaklopka še vedno doseže odlične rezultate, če so gibi nadzorovani.
Kako izbira zaklopa vpliva na fotografiranje pri šibki svetlobi?
Rolo zaklopi imajo na splošno prednost pri delovanju pri šibki svetlobi, ker lahko njihova zasnova slikovnih pik da prednost učinkovitosti zbiranja svetlobe. Globalni zaklopi lahko zahtevajo bolj zapleteno vezje, ki lahko nekoliko zmanjša občutljivost, čeprav sodobne zasnove to vrzel odpravljajo.
Kako vrsta zaklopa vpliva naznanstvena kamera?
Pri visokohitrostnem znanstvenem slikanju – kot so sledenje delcev, dinamika celic ali balistika – je globalni zaklop pogosto bistvenega pomena za preprečevanje popačenja gibanja. Pri fluorescenčni mikroskopiji pri šibki svetlobi pa jesCMOS kameraz rolo zaklopom se lahko izbere za maksimiranje občutljivosti in dinamičnega razpona.
Kateri je boljši za industrijski pregled?
Pri večini industrijskih inšpekcijskih nalog – zlasti tistih, ki vključujejo premikajoče se tekoče trakove, robotiko ali strojni vid – je globalni zaklop varnejša izbira za zagotavljanje natančnih meritev brez geometrijskih napak, ki jih povzroča gibanje.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Vse pravice pridržane. Pri citiranju navedite vir:www.tucsen.com
