25/08/21У світі цифрової обробки зображень мало які технічні фактори впливають на якість зображення так сильно, як тип електронного затвора у вашій матриці. Незалежно від того, чи знімаєте ви високошвидкісні промислові процеси, кінематографічні послідовності чи фіксуєте слабкі астрономічні явища, технологія затвора у вашій CMOS-камері відіграє вирішальну роль у тому, яким буде ваше кінцеве зображення.
Два домінуючі типи електронних затворів CMOS, глобальні затвори та рулонні затвори, використовують дуже різні підходи до експонування та зчитування світла з датчика. Розуміння їхніх відмінностей, сильних сторін та недоліків є важливим, якщо ви хочете узгодити свою систему обробки зображень із вашим застосуванням.
У цій статті буде пояснено, що таке електронні затвори CMOS, як працюють глобальні та рулонні затвори, як вони працюють у реальних ситуаціях і як вирішити, який з них найкраще підходить саме вам.
Що таке електронні затвори CMOS?
CMOS-сенсор – це серце більшості сучасних камер. Він відповідає за перетворення вхідного світла на електричні сигнали, які можна обробити в зображення. «Затвор» уCMOS-камеране обов'язково механічна шторка — багато сучасних дизайнів покладаються на електронний затвор, який контролює, як і коли пікселі захоплюють світло.
На відміну від механічного затвора, який фізично блокує світло, електронний затвор працює, запускаючи та зупиняючи потік заряду всередині кожного пікселя. У CMOS-технологіях обробки зображень існує дві основні архітектури електронного затвора: глобальний затвор та рухомий затвор.
Чому розрізнення має значення? Тому що метод експозиції та зчитування безпосередньо впливає на:
● Рендеринг руху та спотворення
● Чіткість зображення
● Чутливість до слабкого освітлення
● Частота кадрів і затримка
● Загальна придатність для різних видів фотографії, відео та наукової зйомки
Розуміння глобального затвора
Джерело: GMAX3405 Глобальний датчик затвора
Як працює глобальний затвор
Камери CMOS із глобальним затвором починають і закінчують експозицію одночасно на всій матриці. Це досягається за допомогою 5 або більше транзисторів на піксель та «вузла зберігання», який зберігає отримані заряди фотоелектронів під час зчитування. Послідовність експозиції така:
1. Почніть експозицію одночасно в кожному пікселі, очищаючи накопичені заряди до землі.
2. Зачекайте вибраний час експозиції.
3. Після завершення експозиції перемістіть отримані заряди до вузла зберігання в кожному пікселі, завершуючи експозицію цього кадру.
4. Ряд за рядом переміщуйте електрони в конденсатор зчитування пікселя та передайте накопичену напругу на архітектуру зчитування, що завершується аналого-цифровими перетворювачами (АЦП). Наступну експозицію зазвичай можна виконувати одночасно з цим кроком.
Переваги глобального затвора
● Без спотворення руху – рухомі об’єкти зберігають свою форму та геометрію без перекосу або коливання, які можуть виникати під час послідовного зчитування.
● Високошвидкісна зйомка – ідеально підходить для заморожування руху у швидкозмінних сценах, таких як спорт, робототехніка або контроль якості виробництва.
● Низька затримка – усі дані зображення доступні одночасно, що дозволяє точну синхронізацію із зовнішніми подіями, такими як лазерні імпульси або стробоскопи.
Обмеження глобального затвора
● Нижча світлочутливість – Деякі конструкції пікселів глобального затвора жертвують ефективністю збору світла, щоб розмістити схему, необхідну для одночасної експозиції.
● Вища вартість та складність – виготовлення є складнішим, що часто призводить до вищих цін порівняно з аналогами з рулонними воротами.
● Потенціал для збільшення шуму – залежно від конструкції сенсора, додаткова електроніка на піксель може призвести до дещо вищого рівня шуму зчитування.
Розуміння рухомого затвора
Як працює ролетний затвор
Використовуючи лише 4 транзистори та відсутність вузла зберігання даних, ця простіша форма дизайну пікселів CMOS призводить до складнішої роботи електронного затвора. Пікселі з рухомим затвором запускають і зупиняють експозицію датчика по одному рядку за раз, «прокочуючись» вниз по датчику. Для кожної експозиції дотримується протилежна послідовність (також показана на рисунку):
Рисунок: Процес роботи затвора з рухомим затвором для сенсора камери 6x6 пікселів
Перший кадр починає експозицію (жовтий) у верхній частині сенсора, рухаючись вниз зі швидкістю один рядок за рядок. Після завершення експозиції для верхнього рядка, зчитування (фіолетовий), а потім початок наступної експозиції (синій), рухаються вниз по сенсору.
1. Почніть вплив на верхній ряд датчика, знявши накопичені заряди з землі.
2. Після закінчення «часу ряду» перейдіть до другого ряду датчика та почніть експозицію, повторюючи дії вниз по датчику.
3. Після завершення заданого часу експозиції для верхнього ряду завершіть експозицію, відправивши отримані заряди через архітектуру зчитування. Час, необхідний для цього, називається «часом ряду».
4. Щойно зчитування ряду завершено, можна знову розпочати експозицію з кроку 1, навіть якщо це означає перекриття з іншими рядами, де виконувалася попередня експозиція.
Переваги ролетних ворот
●Краща продуктивність за умов слабкого освітлення– Піксельні конструкції можуть пріоритезувати збирання світла, покращуючи співвідношення сигнал/шум в умовах слабкого освітлення.
●Вищий динамічний діапазон– Конструкції послідовного зчитування можуть більш витончено обробляти яскравіші світлі ділянки та темніші тіні.
●Більш доступний– CMOS-сенсори із рухомим затвором є більш поширеними та економічно вигідними у виробництві.
Обмеження рухомого затвора
●Артефакти руху– Об’єкти, що швидко рухаються, можуть виглядати перекошеними або викривленими, що відомо як «ефект рухомого затвора».
●Ефект желе у відео– Зйомка з рук з вібрацією або швидким панорамуванням може спричинити коливання зображення.
●Проблеми синхронізації– Менш ідеально підходить для застосувань, що вимагають точного відстеження часу із зовнішніми подіями.
Глобальний та рухомий затвор: порівняння
Ось загальний огляд порівняння рухомих та глобальних шторок:
| Функція | Ролетний затвор | Глобальний затвор |
| Піксельний дизайн | 4-транзисторний (4Т), без вузла зберігання | 5+ транзисторів, включаючи вузол зберігання даних |
| Світлочутливість | Вищий коефіцієнт заповнення, легка адаптація до формату з підсвічуванням → вищий коефіцієнт якості | Нижчий коефіцієнт заповнення, складніший BSI |
| Шумові показники | Зазвичай нижчий шум читання | Може мати дещо підвищений шум через додаткову схему |
| Спотворення руху | Можливо (перекіс, коливання, ефект желе) | Немає — усі пікселі експонуються одночасно |
| Потенціал швидкості | Може перекривати експозиції та зчитувати кілька рядків; часто швидше в деяких дизайнах | Обмежено повнокадровим зчитуванням, хоча розділене зчитування може допомогти |
| Вартість | Нижча вартість виробництва | Вища вартість виробництва |
| Найкращі варіанти використання | Зйомка в умовах низької освітленості, кінематографія, загальна фотографія | Високошвидкісне захоплення руху, промисловий контроль, прецизійна метрологія |
Основні відмінності в продуктивності
Пікселі з рухомим затвором зазвичай використовують конструкцію з 4 транзисторами (4T) без вузла зберігання даних, тоді як глобальні затвори вимагають 5 або більше транзисторів на піксель плюс додаткові схеми для зберігання фотоелектронів перед зчитуванням.
●Коефіцієнт заповнення та чутливість– Простіша архітектура 4T дозволяє досягти вищого коефіцієнта заповнення пікселів, а це означає, що більша частина поверхні кожного пікселя призначена для збору світла. Така конструкція, у поєднанні з тим фактом, що датчики з рухомим затвором можна легше адаптувати до формату із заднім підсвічуванням, часто призводить до вищої квантової ефективності.
●Шумові показники– Менша кількість транзисторів і менш складна схема зазвичай означають, що рухомі затвори демонструють нижчий рівень шуму зчитування, що робить їх кращими для застосувань в умовах низької освітленості.
●Потенціал швидкості– Рулонні затвори можуть бути швидшими в певних архітектурах, оскільки вони дозволяють перекривати експозицію та зчитування, хоча це сильно залежить від конструкції датчика та електроніки зчитування.
Вартість та виробництво – Простота пікселів рулонного затвора зазвичай призводить до нижчих виробничих витрат порівняно з глобальними затворами.
Додаткові міркування та методи
Псевдоглобальний затвор
У ситуаціях, коли ви можете точно контролювати, коли світло потрапляє на датчик, наприклад, за допомогою світлодіодного або лазерного джерела світла, що активується апаратним забезпеченням, ви можете досягти «глобальних» результатів за допомогою рухомого затвора. Цей метод псевдоглобального затвора синхронізує освітлення з вікном експозиції, мінімізуючи артефакти руху без необхідності використання справжнього глобального затвора.
Перекриття зображень
Датчики рухомого затвора можуть розпочати експонування наступного кадру до завершення зчитування поточного кадру. Таке перекриття експозиції покращує робочий цикл і є корисним для високошвидкісних застосувань, де захоплення максимальної кількості кадрів за секунду є критично важливим, але може ускладнити експерименти, чутливі до часу.
Зчитування кількох рядків
Багато високошвидкісних CMOS-камер можуть зчитувати більше одного рядка пікселів одночасно. У деяких режимах рядки зчитуються парами; у вдосконалених конструкціях можна зчитувати до чотирьох рядків одночасно, що ефективно скорочує загальний час зчитування кадру.
Архітектура розділеного датчика
Як рулонні, так і глобальні затвори можуть використовувати схему розділеного сенсора, де сенсор зображення розділений вертикально на дві половини, кожна з яких має свій ряд АЦП.
● У розділених датчиках із рухомим затвором зчитування часто починається з центру та переходить назовні до верху та низу, що ще більше зменшує затримку.
● У конструкціях із глобальним затвором роздільне зчитування може покращити частоту кадрів без зміни одночасності експозиції.
Як вибрати для вашого застосування: рулонний чи глобальний затвор?
Глобальний затвор може бути корисним для додатків
● Вимагають високої точності визначення часу подій
● Потрібні дуже короткі часи експозиції
● Вимагати затримки в менш ніж мілісекунду перед початком збору даних для синхронізації з подією
● Захоплення великомасштабного руху або динаміки за аналогічний або швидший час, ніж у випадку з рухомим затвором
● Вимагають одночасного отримання даних на всьому сенсоре, але не можуть керувати джерелами світла для використання псевдоглобального затвора на великій площі
Рулонний затвор може бути корисним для застосувань
● Складні застосування в умовах низької освітленості: додаткова квантова ефективність та нижчий рівень шуму камер із рухомим затвором часто призводять до покращення співвідношення сигнал/шум
● Високошвидкісні застосування, де точна одночасність на датчику не важлива, або затримка мала порівняно з експериментальними часовими шкалами
● Інші, більш загальні застосування, де перевагами є простота виробництва та нижча вартість камер із рухомим затвором
Поширені помилки
1. «Роллінг-шаттл — це завжди погано».
Неправда — рулонні затвори ідеально підходять для багатьох випадків використання та часто перевершують глобальні затвори за умов слабкого освітлення та динамічного діапазону.
2. «Глобальна витримка завжди краща».
Хоча зйомка без спотворень є перевагою, компроміси у вартості, шумі та чутливості можуть переважувати переваги повільнішої зйомки.
3. «Ви не можете знімати відео за допомогою рухомого затвора».
Багато високоякісних кінокамер ефективно використовують рухомі затвори; ретельна техніка зйомки може мінімізувати артефакти.
4. «Глобальні затвори усувають будь-яке розмиття руху».
Вони запобігають геометричним спотворенням, але розмиття руху від тривалої експозиції все одно може виникати.
Висновок
Вибір між технологією глобального та рухомого затвора в CMOS-камері зводиться до балансу між обробкою руху, світлочутливістю, вартістю та потребами вашого конкретного застосування.
● Якщо вам потрібна зйомка швидкознімних сцен без спотворень, глобальний затвор — очевидний вибір.
● Якщо ви надаєте пріоритет продуктивності за умов слабкого освітлення, динамічному діапазону та бюджету, роллінг-штор часто забезпечує найкращі результати.
Розуміння цих відмінностей гарантує, що ви зможете вибрати правильний інструмент — чи то для наукової візуалізації, промислового моніторингу чи творчого виробництва.
Найчастіші запитання
Який тип затвора краще підходить для аерофотозйомки чи картографування з дрона?
Для картографування, геодезії та інспекції, де геометрична точність має вирішальне значення, перевагу надають глобальному затвору, щоб уникнути спотворень. Однак для креативної аеровідеозйомки рухомий затвор все ще може забезпечити чудові результати, якщо рухи контролюються.
Як вибір затвора впливає на зйомку в умовах низької освітленості?
Рулонні затвори, як правило, мають перевагу в роботі за умов слабкого освітлення, оскільки їх піксельна конструкція може пріоритезувати ефективність збору світла. Глобальні затвори можуть вимагати складніших схем, які можуть дещо знизити чутливість, хоча сучасні конструкції скорочують цю прогалину.
Як тип затвора впливає нанаукова камера?
У високошвидкісній науковій візуалізації, такій як відстеження частинок, динаміка клітин або балістика, глобальний затвор часто є важливим для уникнення спотворення руху. Але для флуоресцентної мікроскопії при слабкому освітленні...sCMOS-камерадля максимізації чутливості та динамічного діапазону можна обрати рухомий затвор.
Що краще для промислового огляду?
У більшості завдань промислового контролю, особливо тих, що стосуються рухомих конвеєрних стрічок, робототехніки або машинного зору, глобальний затвор є безпечнішим вибором для забезпечення точних вимірювань без геометричних помилок, викликаних рухом.
Tucsen Photonics Co., Ltd. Усі права захищено. Під час цитування, будь ласка, вкажіть джерело:www.tucsen.com
