25/08/21Në botën e imazheve dixhitale, pak faktorë teknikë ndikojnë në cilësinë e imazhit aq sa lloji i qepenit elektronik në sensorin tuaj. Pavarësisht nëse po xhironi procese industriale me shpejtësi të lartë, po filmoni sekuenca kinematografike apo po kapni fenomene të zbehta astronomike, teknologjia e qepenit brenda kamerës suaj CMOS luan një rol kritik në mënyrën se si rezulton imazhi juaj përfundimtar.
Dy lloje mbizotëruese të grilave elektronike CMOS, grilat globale dhe grilat rrotulluese, ndjekin qasje shumë të ndryshme për ekspozimin dhe leximin e dritës nga një sensor. Të kuptuarit e dallimeve, pikave të forta dhe kompromiseve të tyre është thelbësore nëse doni ta përputhni sistemin tuaj të imazhit me aplikacionin tuaj.
Ky artikull do të shpjegojë se çfarë janë grilat elektronike CMOS, si funksionojnë grilat globale dhe rrotulluese, si performojnë ato në situata të botës reale dhe si të vendosni se cili është më i miri për ju.
Çfarë janë grilat elektronike CMOS?
Një sensor CMOS është zemra e shumicës së kamerave moderne. Ai është përgjegjës për shndërrimin e dritës hyrëse në sinjale elektrike që mund të përpunohen në një imazh. "Qepa e qepenit" në njëKamera CMOSnuk është domosdoshmërisht një perde mekanike - shumë dizajne moderne mbështeten në një qepen elektronik që kontrollon se si dhe kur pikselët kapin dritën.
Ndryshe nga një qepen mekanik që bllokon fizikisht dritën, një qepen elektronik funksionon duke filluar dhe ndaluar rrjedhën e ngarkesës brenda çdo pikseli. Në imazhet CMOS, ekzistojnë dy arkitektura kryesore të qepenave elektronike: qepeni global dhe qepeni rrotullues.
Pse ka rëndësi dallimi? Sepse metoda e ekspozimit dhe leximit ndikon drejtpërdrejt në:
● Renderimi i lëvizjes dhe shtrembërimi
● Mprehtësia e imazhit
● Ndjeshmëri ndaj dritës së ulët
● Shpejtësia e kuadrove dhe vonesa
● Përshtatshmëri e përgjithshme për lloje të ndryshme fotografish, videosh dhe imazhesh shkencore
Kuptimi i Global Shutter
Burimi: Sensori Global i Qepenit GMAX3405
Si funksionon Global Shutter
Kamerat CMOS me qepen global fillojnë dhe mbarojnë ekspozimin e tyre njëkohësisht në të gjithë sensorin. Kjo arrihet duke përdorur 5 ose më shumë transistorë për piksel dhe një 'nyjë ruajtjeje' që mban ngarkesat e fotoelektroneve të fituara gjatë leximit. Sekuenca e një ekspozimi është si më poshtë:
1. Filloni ekspozimin njëkohësisht në secilin piksel duke i hequr ngarkesat e fituara nga toka.
2. Prisni kohën e zgjedhur të ekspozimit.
3. Në fund të ekspozimit, zhvendosni ngarkesat e përftuara në nyjen e ruajtjes në secilin piksel, duke i dhënë fund ekspozimit të atij kuadri.
4. Rresht pas rreshti, zhvendosni elektronet në kondensatorin e leximit të pikselit dhe transmetoni tensionin e akumuluar në arkitekturën e leximit, duke kulmuar në konvertuesit analog-në-dixhital (ADC). Ekspozimi tjetër zakonisht mund të kryhet njëkohësisht me këtë hap.
Avantazhet e Global Shutter
● Pa shtrembërim të lëvizjes – Subjektet në lëvizje ruajnë formën dhe gjeometrinë e tyre pa shtrembërimin ose lëkundjen që mund të ndodhë me leximin sekuencial.
● Kapje me Shpejtësi të Lartë – Ideale për ngrirjen e lëvizjes në skena me lëvizje të shpejta, si në sporte, robotikë ose kontrollin e cilësisë së prodhimit.
● Latenci e Ulët – Të gjitha të dhënat e imazhit janë të disponueshme menjëherë, duke mundësuar sinkronizim të saktë me ngjarje të jashtme, siç janë pulset lazer ose dritat stroboskopike.
Kufizimet e Global Shutter
● Ndjeshmëri më e ulët ndaj dritës – Disa dizajne të pikselëve të qepenit global sakrifikojnë efikasitetin e mbledhjes së dritës për të akomoduar qarqet e nevojshme për ekspozim të njëkohshëm.
● Kosto dhe Kompleksitet më i Lartë – Prodhimi është më sfidues, duke rezultuar shpesh në çmime më të larta krahasuar me homologët me grila rrotulluese.
● Potencial për rritje të zhurmës – Në varësi të dizajnit të sensorit, elektronika shtesë për piksel mund të çojë në zhurmë pak më të lartë leximi.
Kuptimi i Rolling Shutter
Si funksionon qepeni rrotullues
Duke përdorur vetëm 4 transistorë dhe asnjë nyje ruajtjeje, kjo formë më e thjeshtë e dizajnit të pikselëve CMOS çon në një funksionim më të ndërlikuar të qepenit elektronik. Pikselët e qepenit rrotullues fillojnë dhe ndalojnë ekspozimin e sensorit rresht pas rreshti, duke 'rrotulluar' poshtë sensorit. Sekuenca përballë (e treguar edhe në figurë) ndiqet për secilën ekspozim:
Figura: Procesi i qepenit rrotullues për një sensor kamere 6x6 pikselësh
Korniza e parë fillon ekspozimin (e verdhë) në pjesën e sipërme të sensorit, duke u zhvendosur poshtë me një shpejtësi prej një rreshti për rresht. Pasi të ketë përfunduar ekspozimi për rreshtin e sipërm, leximi (vjollcë) i ndjekur nga fillimi i ekspozimit tjetër (blu) e zhvendos poshtë sensorin.
1. Filloni ekspozimin ndaj rreshtit të sipërm të sensorit duke i larguar ngarkesat e fituara nga toka.
2. Pasi të ketë mbaruar 'koha e rreshtit', kaloni në rreshtin e dytë të sensorit dhe filloni ekspozimin, duke e përsëritur këtë veprim me sensorin.
3. Pasi të ketë mbaruar koha e ekspozimit të kërkuar për rreshtin e sipërm, përfundoni ekspozimin duke dërguar ngarkesat e marra përmes arkitekturës së leximit. Koha e nevojshme për ta bërë këtë është 'koha e rreshtit'.
4. Sapo të përfundojë leximi për një rresht, ai është gati të fillojë ekspozimin përsëri nga Hapi 1, edhe nëse kjo do të thotë mbivendosje me rreshta të tjerë që kryejnë ekspozimin e mëparshëm.
Avantazhet e qepenave me rrotulla
●Performancë më e mirë në dritë të ulët– Dizajnet e pikselëve mund t’i japin përparësi mbledhjes së dritës, duke përmirësuar raportin sinjal-zhurmë në kushte të errëta.
●Diapazon më i lartë dinamik– Dizajnet e leximit të njëpasnjëshëm mund të trajtojnë më me elegancë pikat e ndritshme dhe hijet e errëta.
●Më e përballueshme– Sensorët CMOS me qepen rrotullues janë më të zakonshëm dhe me kosto efektive për t'u prodhuar.
Kufizimet e qepenave rrotulluese
●Artefakte Lëvizjeje– Subjektet që lëvizin shpejt mund të duken të shtrembëruara ose të përkulura, e njohur si "efekti i rrotullimit të qepenit".
●Efekti Jello në Video– Pamjet e mbajtura në dorë me dridhje ose panoramim të shpejtë mund të shkaktojnë luhatje në imazh.
●Sfidat e Sinkronizimit– Më pak ideale për aplikacionet që kërkojnë kohë të saktë me ngjarje të jashtme.
Global vs. Rolling Shutter: Krahasim krah për krah
Ja një pamje e përgjithshme se si krahasohen qepenat rrotulluese dhe globale:
| Karakteristikë | Qepen me rrotullim | Global Shutter |
| Dizajni i pikselëve | 4-transistor (4T), pa nyje ruajtëse | 5+ transistorë, përfshin nyjen e ruajtjes |
| Ndjeshmëria ndaj dritës | Faktor mbushjeje më i lartë, përshtatet lehtësisht në formatin me ndriçim nga prapa → QE më i lartë | Faktor më i ulët mbushjeje, BSI më kompleks |
| Performanca e Zhurmës | Zhurmë leximi përgjithësisht më e ulët | Mund të ketë zhurmë pak më të lartë për shkak të qarqeve të shtuara |
| Shtrembërimi i Lëvizjes | E mundshme (shtrembërim, lëkundje, efekt xhelozie) | Asnjë — të gjithë pikselët e ekspozuar njëkohësisht |
| Potenciali i shpejtësisë | Mund të mbivendosë ekspozimet dhe të lexojë rreshta të shumëfishta; shpesh më shpejt në disa dizajne | I kufizuar nga leximi i plotë i kuadrit, megjithëse leximi i ndarë mund të ndihmojë |
| Kosto | Kosto më e ulët prodhimi | Kosto më e lartë e prodhimit |
| Rastet më të mira të përdorimit | Imazhe në dritë të ulët, kinematografi, fotografi e përgjithshme | Kapje lëvizjeje me shpejtësi të lartë, inspektim industrial, metrologji precize |
Dallimet kryesore të performancës
Pikselët e qepenave rrotulluese zakonisht përdorin një dizajn me 4 tranzistorë (4T) pa një nyje ruajtjeje, ndërsa qepenat globale kërkojnë 5 ose më shumë tranzistorë për piksel plus qarqe shtesë për të ruajtur fotoelektronet para leximit.
●Faktori i Mbushjes dhe Ndjeshmëria– Arkitektura më e thjeshtë 4T lejon një faktor më të lartë mbushjeje të pikselëve, që do të thotë se më shumë sipërfaqe e secilit piksel i dedikohet mbledhjes së dritës. Ky dizajn, i kombinuar me faktin se sensorët e qepenave rrotulluese mund të përshtaten më lehtë në një format me ndriçim të pasmë, shpesh rezulton në efikasitet kuantik më të lartë.
●Performanca e Zhurmës– Më pak transistorë dhe qarqe më pak komplekse në përgjithësi nënkuptojnë se grilat rrotulluese shfaqin zhurmë më të ulët leximi, duke i bërë ato më të përshtatshme për aplikime në dritë të ulët.
●Potenciali i shpejtësisë– Grilat rrotulluese mund të jenë më të shpejta në arkitektura të caktuara sepse lejojnë mbivendosjen e ekspozimit dhe leximit, megjithëse kjo varet shumë nga dizajni i sensorit dhe elektronika e leximit.
Kostoja dhe Prodhimi – Thjeshtësia e pikselëve të qepenave me rrotullim zakonisht përkthehet në kosto më të ulëta prodhimi krahasuar me qepenat globale.
Konsiderata dhe Teknika të Avancuara
Pseudo-Global Shutter
Në situata ku mund të kontrolloni me saktësi se kur drita arrin sensorin - siç është përdorimi i një burimi drite LED ose lazeri të aktivizuar nga pajisjet - mund të arrini rezultate "të ngjashme me ato globale" me një qepen rrotullues. Kjo metodë pseudo-globale e qepenit sinkronizon ndriçimin me dritaren e ekspozimit, duke minimizuar artefaktet e lëvizjes pa kërkuar një dizajn të vërtetë global të qepenit.
Mbivendosje e imazhit
Sensorët e qepenave rrotulluese mund të fillojnë të ekspozojnë kuadrin tjetër përpara se të përfundojë leximi i kuadrit aktual. Ky ekspozim mbivendosës përmirëson ciklin e punës dhe është i dobishëm për aplikacionet me shpejtësi të lartë ku kapja e numrit maksimal të kuadrove për sekondë është kritike, por mund të ndërlikojë eksperimentet e ndjeshme ndaj kohës.
Lexim i shumë rreshtave
Shumë kamera CMOS me shpejtësi të lartë mund të lexojnë më shumë se një rresht pikselësh në të njëjtën kohë. Në disa mënyra, rreshtat lexohen në çifte; në dizajnet e përparuara, deri në katër rreshta mund të lexohen njëkohësisht, duke zvogëluar në mënyrë efektive kohën totale të leximit të kuadrit.
Arkitektura e Sensorit të Ndarë
Si qepenat me rrotullim ashtu edhe ato globale mund të përdorin një paraqitje të sensorit të ndarë, ku sensori i imazhit ndahet vertikalisht në dy gjysma, secila me rreshtin e vet të ADC-ve.
● Në sensorët me rrotullim të ndarë, leximi shpesh fillon nga qendra dhe rrotullohet jashtë si në pjesën e sipërme ashtu edhe në atë të poshtme, duke zvogëluar më tej vonesën.
● Në modelet globale të qepenave, leximi i ndarë mund të përmirësojë shpejtësinë e kuadrove pa ndryshuar njëkohësinë e ekspozimit.
Si të zgjidhni për aplikimin tuaj: Rolling apo Global Shutter?
Hapësira globale e qepenit mund të sjellë përfitime për aplikacionet
● Kërkojnë kohëzim me saktësi të lartë të ngjarjeve
● Kërkon kohë shumë të shkurtra ekspozimi
● Kërko vonesë nën milisekondë para fillimit të një blerjeje për t'u sinkronizuar me një ngjarje
● Kapni lëvizje ose dinamika në shkallë të gjerë në një shkallë kohore të ngjashme ose më të shpejtë me një qepen rrotullues
● Kërkon marrje të njëkohshme në të gjithë sensorin, por nuk mund të kontrollojë burimet e dritës për të përdorur qepen pseudo-global në një zonë të madhe
Qepenat rrotulluese mund të sjellin përfitime për aplikimet
● Aplikime sfiduese në dritë të ulët: Efikasiteti shtesë kuantik dhe zhurma më e ulët e kamerave me qepen rrotullues shpesh çojnë në SNR të përmirësuar
● Aplikime me shpejtësi të lartë ku njëkohësia e saktë në të gjithë sensorin nuk është e rëndësishme, ose vonesa është e vogël krahasuar me afatet kohore eksperimentale
● Zbatime të tjera më të përgjithshme ku thjeshtësia e prodhimit dhe kostoja më e ulët e kamerave me qepen me rrotullim janë të dobishme
Keqkuptime të Zakonshme
1. "Të hapësh qepenat është gjithmonë keq."
Nuk është e vërtetë—grilat rrotulluese janë ideale për shumë raste përdorimi dhe shpesh kanë performancë më të mirë se grilat globale në ndriçim të dobët dhe diapazon dinamik.
2. "Global Shutter është gjithmonë më i mirë."
Ndërsa kapja pa shtrembërime është një avantazh, kompromiset në kosto, zhurmë dhe ndjeshmëri mund të jenë më të mëdha se përfitimet e imazheve me ritëm më të ngadaltë.
3. "Nuk mund të xhirosh video me një qepen rrotullues."
Shumë kamera kinemaje të nivelit të lartë përdorin në mënyrë efektive qepenat rrotulluese; teknikat e kujdesshme të xhirimit mund të minimizojnë artefaktet.
4. "Grilat globale eliminojnë të gjitha turbullirat e lëvizjes."
Ato parandalojnë shtrembërimin gjeometrik, por mund të ndodhë ende turbullim i lëvizjes nga kohët e gjata të ekspozimit.
Përfundim
Zgjedhja midis teknologjisë globale dhe asaj me rrotullim në një kamerë CMOS varet nga ekuilibri midis trajtimit të lëvizjes, ndjeshmërisë ndaj dritës, kostos dhe nevojave specifike të aplikacionit tuaj.
● Nëse ju nevojitet kapje pa shtrembërime për skena me lëvizje të shpejta, funksioni global shutter është zgjedhja e duhur.
● Nëse i jepni përparësi performancës në dritë të ulët, diapazonit dinamik dhe buxhetit, funksioni rrotullues i qepenit shpesh jep rezultatet më të mira.
Të kuptuarit e këtyre ndryshimeve ju siguron që të mund të zgjidhni mjetin e duhur - qoftë për imazhe shkencore, monitorim industrial apo prodhim krijues.
Pyetje të shpeshta
Cili lloj qepeni është më i mirë për fotografi ajrore ose hartografi me dron?
Për hartëzimin, matjet dhe inspektimin ku saktësia gjeometrike është thelbësore, preferohet një kapak global për të shmangur shtrembërimin. Megjithatë, për video krijuese ajrore, një kapak rrotullues mund të japë ende rezultate të shkëlqyera nëse lëvizjet kontrollohen.
Si ndikon zgjedhja e obturatorit në imazhe në dritë të ulët?
Grilat rrotulluese në përgjithësi kanë një avantazh në performancën në dritë të ulët, sepse dizajnet e tyre të pikselëve mund t'i japin përparësi efikasitetit të mbledhjes së dritës. Grilat globale mund të kërkojnë qarqe më komplekse që mund ta ulin pak ndjeshmërinë, megjithëse dizajnet moderne po e mbyllin këtë boshllëk.
Si ndikon lloji i qepenit në njëkamera shkencore?
Në imazhet shkencore me shpejtësi të lartë - siç është gjurmimi i grimcave, dinamika e qelizave ose balistika - një qepen global është shpesh thelbësor për të shmangur shtrembërimin e lëvizjes. Por për mikroskopinë fluoreshente me dritë të ulët, njëkamera sCMOSme një qepen rrotullues mund të zgjidhet për të maksimizuar ndjeshmërinë dhe diapazonin dinamik.
Cila është më e mirë për inspektimin industrial?
Në shumicën e detyrave të inspektimit industrial - veçanërisht ato që përfshijnë lëvizjen e shiritave transportues, robotikën ose vizionin automatik - një qepen global është zgjedhja më e sigurt për të siguruar matje të sakta pa gabime gjeometrike të shkaktuara nga lëvizja.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Të gjitha të drejtat e rezervuara. Kur citoni, ju lutemi përmendni burimin:www.tucsen.com
