CMOS Elektronik Deklanşörler: Global ve Rolling Shutter'lar ve Nasıl Seçilir |

Dijital görüntüleme dünyasında, görüntü kalitesini sensörünüzdeki elektronik deklanşör türü kadar etkileyen çok az teknik faktör vardır. İster yüksek hızlı endüstriyel süreçleri, ister sinematik sahneleri veya belirsiz astronomik olayları çekiyor olun, CMOS kameranızdaki deklanşör teknolojisi, nihai görüntünüzün nasıl ortaya çıkacağı konusunda kritik bir rol oynar.

CMOS elektronik deklanşörlerin iki baskın türü olan küresel deklanşörler ve yuvarlanan deklanşörler, bir sensörden gelen ışığı pozlama ve okuma konusunda çok farklı yaklaşımlar kullanır. Görüntüleme sisteminizi uygulamanıza uygun hale getirmek istiyorsanız, bu deklanşörlerin farklılıklarını, güçlü yönlerini ve dezavantajlarını anlamak çok önemlidir.

Bu makalede CMOS elektronik deklanşörlerin ne olduğu, küresel ve yuvarlanan deklanşörlerin nasıl çalıştığı, gerçek dünya koşullarında nasıl performans gösterdikleri ve sizin için hangisinin en iyi olduğuna nasıl karar vereceğiniz açıklanacaktır.

CMOS Elektronik Shutter'lar Nelerdir?

CMOS sensörü, çoğu modern kameranın kalbidir. Gelen ışığı, görüntüye dönüştürülebilecek elektrik sinyallerine dönüştürmekten sorumludur. Bir kameradaki "deklanşör"CMOS kameramutlaka mekanik bir perde değildir; birçok modern tasarım, piksellerin ışığı nasıl ve ne zaman yakaladığını kontrol eden elektronik bir deklanşöre güvenir.

Işığı fiziksel olarak engelleyen mekanik bir deklanşörün aksine, elektronik bir deklanşör her pikseldeki yük akışını başlatıp durdurarak çalışır. CMOS görüntülemede iki temel elektronik deklanşör mimarisi vardır: küresel deklanşör ve yuvarlanan deklanşör.

Ayrım neden önemlidir? Çünkü pozlama ve okuma yöntemi doğrudan şunları etkiler:

● Hareket oluşturma ve bozulma
● Görüntü keskinliği
● Düşük ışık hassasiyeti
● Kare hızı ve gecikme süresi
● Farklı fotoğrafçılık, video ve bilimsel görüntüleme türleri için genel uygunluk

Global Shutter'ı Anlamak

Kaynak: GMAX3405 Küresel Deklanşör Sensörü

Global Shutter Nasıl Çalışır?

CMOS Global Shutter kameralar, pozlamayı sensörün tamamında aynı anda başlatıp sonlandırır. Bu, piksel başına 5 veya daha fazla transistör ve okuma sırasında elde edilen fotoelektron yüklerini tutan bir "depolama düğümü" kullanılarak sağlanır. Pozlamanın sırası aşağıdaki gibidir:

1. Elde edilen yükleri toprağa temizleyerek her pikselde aynı anda pozlamayı başlatın.

2. Seçtiğiniz pozlama süresini bekleyin.

3. Pozlamanın sonunda, elde edilen yükleri her pikseldeki depolama düğümüne taşıyın ve o karenin pozlamasını sonlandırın.

4. Satır satır, elektronları pikselin okuma kapasitörüne taşıyın ve biriken voltajı okuma mimarisine aktarın; bu da analog-dijital dönüştürücülere (ADC'ler) ulaşır. Bir sonraki pozlama genellikle bu adımla aynı anda gerçekleştirilebilir.

Global Shutter'ın Avantajları

● Hareket Bozulması Yok – Hareket eden nesneler, sıralı okumada meydana gelebilecek eğrilik veya sallanma olmadan şekillerini ve geometrilerini korur.
● Yüksek Hızlı Yakalama – Spor, robotik veya üretim kalite kontrolü gibi hızlı hareket eden sahnelerde hareketi dondurmak için idealdir.
● Düşük Gecikme – Tüm görüntü verileri aynı anda kullanılabilir ve lazer darbeleri veya flaş ışıkları gibi harici olaylarla hassas senkronizasyon sağlar.

Global Shutter'ın Sınırlamaları

● Düşük Işık Hassasiyeti – Bazı küresel deklanşör piksel tasarımları, eş zamanlı pozlama için gereken devreleri barındırmak adına ışık toplama verimliliğinden ödün verir.
● Daha Yüksek Maliyet ve Karmaşıklık – Üretimi daha zordur ve genellikle kepenk muadillerine kıyasla daha yüksek fiyatlara neden olur.
● Artan Gürültü Potansiyeli – Sensör tasarımına bağlı olarak, piksel başına düşen ekstra elektronik, biraz daha yüksek okuma gürültüsüne yol açabilir.

Kepenk Sistemlerinin Anlaşılması

Kepenk Nasıl Çalışır?

Sadece 4 transistör ve depolama düğümü kullanmayan bu daha basit CMOS piksel tasarımı, daha karmaşık bir elektronik deklanşör işlemine yol açar. Yuvarlanan deklanşör pikselleri, sensörün pozlamasını her seferinde bir satır başlatıp durdurarak sensörü aşağı doğru 'yuvarlar'. Her pozlama için ters sıra (şekilde de gösterilmiştir) izlenir:

Şekil: 6x6 piksel kamera sensörü için yuvarlanan deklanşör işlemi

İlk kare, sensörün üst kısmında pozlamayı (sarı) başlatır ve satır başına bir satır hızında aşağı doğru hareket eder. Üst satır için pozlama tamamlandığında, okuma (mor) ve ardından bir sonraki pozlamanın başlangıcı (mavi) sensörü aşağı doğru hareket ettirir.

1. Elde edilen yükleri toprağa temizleyerek sensörün üst sırasına maruz bırakmaya başlayın.
2. 'Satır süresi' dolduktan sonra sensörün ikinci satırına geçin ve pozlamayı başlatın, bu işlemi sensör boyunca tekrarlayın.
3. Üst satır için istenen pozlama süresi sona erdiğinde, elde edilen yükleri okuma mimarisi üzerinden göndererek pozlamayı sonlandırın. Bunun için gereken süre 'satır süresi'dir.
4. Bir satır için okuma tamamlandığında, önceki pozlamayı gerçekleştiren diğer satırlarla örtüşme anlamına gelse bile, Adım 1'den tekrar pozlamaya başlamaya hazırdır.

Kepenklerin Avantajları

●Daha İyi Düşük Işık Performansı– Piksel tasarımları ışık toplamayı önceliklendirebilir ve böylece loş koşullarda sinyal-gürültü oranını iyileştirebilir.
●Daha Yüksek Dinamik Aralık– Sıralı okuma tasarımları daha parlak vurguları ve daha koyu gölgeleri daha zarif bir şekilde işleyebilir.
●Daha Uygun Fiyatlı– Rolling shutter CMOS sensörlerin üretimi daha yaygındır ve maliyet açısından daha uygundur.

Kepenklerin Sınırlamaları

●Hareket Eserleri– Hızlı hareket eden nesneler eğik veya eğri görünebilir; buna “yuvarlanan deklanşör efekti” denir.
●Videoda Jöle Etkisi– Elde çekimlerde titreşim veya hızlı kaydırma yapıldığında görüntüde titremeler meydana gelebilir.
●Senkronizasyon Zorlukları– Dış olaylarla hassas zamanlama gerektiren uygulamalar için daha az idealdir.

Global ve Rolling Shutter: Yan Yana Karşılaştırma

küresel deklanşör ve yuvarlanan deklanşör

İşte yuvarlanan ve küresel kepenklerin nasıl karşılaştırıldığına dair üst düzey bir bakış:

Özellik	Kepenk	Küresel Deklanşör
Piksel Tasarım	4-transistör (4T), depolama düğümü yok	5+ transistör, depolama düğümü dahil
Işık Hassasiyeti	Daha yüksek doluluk faktörü, arkadan aydınlatmalı formata kolayca uyarlanabilir → daha yüksek QE	Daha düşük doluluk faktörü, BSI daha karmaşık
Gürültü Performansı	Genellikle daha düşük okuma gürültüsü	Eklenen devre nedeniyle biraz daha yüksek gürültüye sahip olabilir
Hareket Bozulması	Olası (eğim, sallanma, jöle etkisi)	Hiçbiri — tüm pikseller aynı anda açığa çıkar
Hız Potansiyeli	Üst üste binen pozlamalar ve birden fazla satır okunabilir; bazı tasarımlarda genellikle daha hızlıdır	Tam çerçeve okuma ile sınırlıdır, ancak bölünmüş okuma yardımcı olabilir
Maliyet	Daha düşük üretim maliyeti	Daha yüksek üretim maliyeti
En İyi Kullanım Örnekleri	Düşük ışıkta görüntüleme, sinematografi, genel fotoğrafçılık	Yüksek hızlı hareket yakalama, endüstriyel denetim, hassas metroloji

Temel Performans Farkları

Yuvarlanan deklanşör pikselleri genellikle depolama düğümü olmayan 4 transistörlü (4T) bir tasarım kullanırken, küresel deklanşörler okuma öncesinde fotoelektronları depolamak için piksel başına 5 veya daha fazla transistör ve ek devre gerektirir.

●Doldurma Faktörü ve Hassasiyet– Daha basit 4T mimarisi, daha yüksek piksel dolgu faktörüne olanak tanır; bu da her pikselin yüzeyinin daha büyük bir kısmının ışık toplamaya ayrılması anlamına gelir. Bu tasarım, yuvarlanan deklanşör sensörlerinin arkadan aydınlatmalı bir formata daha kolay uyarlanabilmesi gerçeğiyle birleştiğinde, genellikle daha yüksek kuantum verimliliği sağlar.
●Gürültü Performansı– Daha az transistör ve daha az karmaşık devre, genellikle panjurların daha düşük okuma gürültüsü sergilemesi anlamına gelir ve bu da onları düşük ışık uygulamaları için daha uygun hale getirir.
●Hız Potansiyeli– Sarmal panjurlar, üst üste binen pozlama ve okuma işlemlerine izin verdiği için bazı mimarilerde daha hızlı olabilir, ancak bu büyük ölçüde sensör tasarımına ve okuma elektroniğine bağlıdır.

Maliyet ve Üretim – Piksel panjurların basitliği, genellikle küresel panjurlara kıyasla daha düşük üretim maliyetleri anlamına gelir.

Gelişmiş Hususlar ve Teknikler

Sahte Küresel Deklanşör

Işığın sensöre ne zaman ulaşacağını hassas bir şekilde kontrol edebildiğiniz durumlarda (örneğin, donanım tarafından tetiklenen bir LED veya lazer ışık kaynağı kullanmak gibi), yuvarlanan deklanşörle "küresel benzeri" sonuçlar elde edebilirsiniz. Bu sözde küresel deklanşör yöntemi, aydınlatmayı pozlama penceresiyle senkronize ederek, gerçek bir küresel deklanşör tasarımına ihtiyaç duymadan hareket bozulmalarını en aza indirir.

Görüntü Çakışması

Rolling shutter sensörleri, mevcut karenin okuması tamamlanmadan bir sonraki kareyi pozlamaya başlayabilir. Bu örtüşen pozlama, görev döngüsünü iyileştirir ve saniyede maksimum kare sayısının yakalanmasının kritik olduğu, ancak zamanlamaya duyarlı deneyleri karmaşıklaştırabileceği yüksek hızlı uygulamalar için faydalıdır.

Çoklu Satır Okuma

Birçok yüksek hızlı CMOS kamera, aynı anda birden fazla piksel satırını okuyabilir. Bazı modlarda satırlar çiftler halinde okunur; gelişmiş tasarımlarda ise aynı anda dört satıra kadar okunabilir ve bu da toplam kare okuma süresini etkili bir şekilde azaltır.

Bölünmüş Sensör Mimarisi

Hem yuvarlanan hem de küresel deklanşörler, görüntü sensörünün dikey olarak iki yarıya bölündüğü ve her birinin kendi ADC sırasına sahip olduğu bölünmüş sensör düzenini kullanabilir.

● Yuvarlanan deklanşörlü bölünmüş sensörlerde, okuma genellikle merkezden başlar ve hem yukarı hem de aşağı doğru dışa doğru yuvarlanır, bu da gecikmeyi daha da azaltır.
● Küresel deklanşör tasarımlarında, bölünmüş okuma, pozlama eşzamanlılığını değiştirmeden kare hızlarını iyileştirebilir.

Uygulamanız İçin Nasıl Seçim Yapmalısınız: Rolling Shutter mı, Global Shutter mı?

Küresel deklanşör uygulamalara fayda sağlayabilir

● Olayların yüksek hassasiyette zamanlamasını gerektirir

● Çok kısa pozlama süreleri gerektirir

● Bir olayla senkronize olmak için bir edinimin başlangıcından önce milisaniyenin altında bir gecikme gerektirir

● Yuvarlanan bir deklanşöre benzer veya daha hızlı bir zaman ölçeğinde büyük ölçekli hareketi veya dinamikleri yakalayın

● Sensör boyunca eş zamanlı edinim gerektirir, ancak geniş bir alanda sözde küresel deklanşörü kullanmak için ışık kaynaklarını kontrol edemez

Sarmal kepenk uygulamalara fayda sağlayabilir

● Düşük ışık uygulamalarının zorluğu: Yuvarlanan deklanşörlü kameraların ek kuantum verimliliği ve daha düşük gürültüsü genellikle iyileştirilmiş SNR'ye yol açar

● Sensör boyunca tam eşzamanlılığın önemli olmadığı veya gecikmenin deneysel zaman ölçeklerine kıyasla küçük olduğu yüksek hızlı uygulamalar

● Üretim kolaylığının ve düşük maliyetli kepenkli kameraların faydalı olduğu diğer daha genel uygulamalar

Yaygın Yanlış Anlamalar

1. "Kepenk her zaman kötüdür."

Doğru değil; panjurlar birçok kullanım durumu için idealdir ve genellikle düşük ışıkta ve dinamik aralıkta küresel panjurlardan daha iyi performans gösterir.

2. "Küresel deklanşör her zaman daha iyidir."

Bozulmasız yakalama bir avantaj olsa da, maliyet, gürültü ve hassasiyetteki dezavantajlar, daha yavaş tempolu görüntülemenin faydalarından daha ağır basabilir.

3. "Dönen deklanşörle video çekemezsiniz."

Birçok üst düzey sinema kamerası, yuvarlanan deklanşörleri etkili bir şekilde kullanır; dikkatli çekim teknikleri, eserleri en aza indirebilir.

4. "Küresel deklanşörler tüm hareket bulanıklığını ortadan kaldırır."

Geometrik bozulmayı önlerler, ancak uzun pozlama sürelerinden kaynaklanan hareket bulanıklığı yine de oluşabilir.

Çözüm

CMOS kamerada küresel ve yuvarlanan deklanşör teknolojisi arasındaki seçim, hareket işleme, ışık hassasiyeti, maliyet ve özel uygulama ihtiyaçlarınız arasındaki dengeye dayanır.

● Hızlı hareket eden sahnelerde bozulma içermeyen çekime ihtiyacınız varsa, global deklanşör açık ara en iyi seçimdir.

● Düşük ışık performansını, dinamik aralığı ve bütçeyi önceliklendiriyorsanız, yuvarlanan deklanşör genellikle en iyi sonuçları verir.

Bu farklılıkları anlamak, bilimsel görüntüleme, endüstriyel izleme veya yaratıcı üretim için olsun, doğru aracı seçmenizi sağlar.

SSS

Hava fotoğrafçılığı veya drone haritalama için hangi deklanşör tipi daha iyidir?

Geometrik doğruluğun kritik önem taşıdığı haritalama, ölçme ve incelemelerde, bozulmayı önlemek için küresel deklanşör tercih edilir. Ancak, yaratıcı hava videoları için, hareketler kontrol altındaysa, hareketli deklanşör yine de mükemmel sonuçlar verebilir.

Deklanşör seçimi düşük ışıkta görüntülemeyi nasıl etkiler?

Panjurlar, piksel tasarımları ışık toplama verimliliğini önceliklendirebildiğinden, genellikle düşük ışık performansında avantajlıdır. Küresel panjurlar, hassasiyeti biraz azaltabilecek daha karmaşık devreler gerektirebilir, ancak modern tasarımlar bu açığı kapatmaktadır.

Deklanşör tipi bir görüntüyü nasıl etkiler?bilimsel kamera?

Parçacık takibi, hücre dinamikleri veya balistik gibi yüksek hızlı bilimsel görüntülemede, hareket bozulmasını önlemek için genellikle küresel bir deklanşör gereklidir. Ancak düşük ışıklı floresan mikroskopisi için,sCMOS kameraHassasiyeti ve dinamik aralığı en üst düzeye çıkarmak için yuvarlanan deklanşörlü bir model seçilebilir.

Endüstriyel muayene için hangisi daha iyidir?

Çoğu endüstriyel muayene görevinde (özellikle hareketli konveyör bantları, robotik veya makine görüşü içerenlerde) küresel bir deklanşör, hareket kaynaklı geometrik hatalar olmadan hassas ölçümler sağlamak için daha güvenli bir seçimdir.