Màn trập điện tử CMOS: Toàn cục so với Cuộn và Cách lựa chọn |

Trong thế giới hình ảnh kỹ thuật số, ít yếu tố kỹ thuật nào ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh nhiều như loại màn trập điện tử trên cảm biến. Cho dù bạn đang ghi hình các quy trình công nghiệp tốc độ cao, quay phim điện ảnh, hay ghi lại các hiện tượng thiên văn mờ nhạt, công nghệ màn trập bên trong máy ảnh CMOS đóng vai trò quan trọng quyết định hình ảnh cuối cùng của bạn.

Hai loại màn trập điện tử CMOS phổ biến nhất, màn trập toàn cục (global shutter) và màn trập lăn (rolling shutter), có cách tiếp cận rất khác nhau để phơi sáng và đọc ánh sáng từ cảm biến. Việc hiểu rõ sự khác biệt, ưu điểm và nhược điểm của chúng là rất quan trọng nếu bạn muốn hệ thống hình ảnh của mình phù hợp với ứng dụng.

Bài viết này sẽ giải thích màn trập điện tử CMOS là gì, cách thức hoạt động của màn trập toàn cục và màn trập lăn, hiệu suất của chúng trong các tình huống thực tế và cách quyết định loại nào phù hợp nhất với bạn.

Màn trập điện tử CMOS là gì?

Cảm biến CMOS là trái tim của hầu hết các máy ảnh hiện đại. Nó có nhiệm vụ chuyển đổi ánh sáng đi vào thành tín hiệu điện có thể được xử lý thành hình ảnh. "Màn trập" trong máy ảnhMáy ảnh CMOSkhông nhất thiết phải là rèm cơ học—nhiều thiết kế hiện đại dựa vào màn trập điện tử để điều khiển cách thức và thời điểm các điểm ảnh thu được ánh sáng.

Không giống như màn trập cơ học chặn ánh sáng vật lý, màn trập điện tử hoạt động bằng cách khởi động và dừng dòng điện tích bên trong mỗi điểm ảnh. Trong công nghệ hình ảnh CMOS, có hai kiến trúc màn trập điện tử chính: màn trập toàn cục (global shutter) và màn trập lăn (rolling shutter).

Tại sao sự khác biệt lại quan trọng? Bởi vì phương pháp phơi sáng và đọc kết quả ảnh hưởng trực tiếp đến:

● Kết xuất chuyển động và biến dạng
● Độ sắc nét của hình ảnh
● Độ nhạy sáng yếu
● Tốc độ khung hình và độ trễ
● Phù hợp tổng thể cho các loại hình ảnh, video và khoa học khác nhau

Hiểu về màn trập toàn cầu

Nguồn: Cảm biến màn trập toàn cầu GMAX3405

Global Shutter hoạt động như thế nào

Máy ảnh CMOS Global Shutter bắt đầu và kết thúc phơi sáng đồng thời trên toàn bộ cảm biến. Điều này đạt được nhờ sử dụng 5 hoặc nhiều transistor trên mỗi điểm ảnh, và một "nút lưu trữ" giữ lại các điện tích quang điện tử thu được trong quá trình đọc. Trình tự phơi sáng như sau:

1. Bắt đầu phơi sáng đồng thời ở mỗi điểm ảnh bằng cách làm sạch các điện tích thu được xuống đất.

2. Chờ thời gian phơi sáng đã chọn.

3. Khi kết thúc quá trình phơi sáng, di chuyển các điện tích thu được đến nút lưu trữ trong mỗi pixel, kết thúc quá trình phơi sáng của khung hình đó.

4. Di chuyển từng hàng electron vào tụ điện đọc của điểm ảnh, sau đó chuyển tiếp điện áp tích lũy đến kiến trúc đọc, kết thúc tại bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC). Lần phơi sáng tiếp theo thường có thể được thực hiện đồng thời với bước này.

Ưu điểm của Global Shutter

● Không bị biến dạng chuyển động – Các đối tượng chuyển động vẫn giữ nguyên hình dạng và hình học mà không bị lệch hoặc rung lắc như khi đọc tuần tự.
● Ghi hình tốc độ cao – Lý tưởng để đóng băng chuyển động trong các cảnh chuyển động nhanh, chẳng hạn như trong thể thao, robot hoặc kiểm soát chất lượng sản xuất.
● Độ trễ thấp – Tất cả dữ liệu hình ảnh đều có sẵn cùng một lúc, cho phép đồng bộ hóa chính xác với các sự kiện bên ngoài, chẳng hạn như xung laser hoặc đèn nhấp nháy.

Những hạn chế của Global Shutter

● Độ nhạy sáng thấp hơn – Một số thiết kế điểm ảnh màn trập toàn cục hy sinh hiệu quả thu thập ánh sáng để phù hợp với mạch điện cần thiết cho quá trình phơi sáng đồng thời.
● Chi phí và độ phức tạp cao hơn – Việc chế tạo khó khăn hơn, thường dẫn đến giá cao hơn so với cửa chớp cuốn.
● Khả năng tăng nhiễu – Tùy thuộc vào thiết kế cảm biến, số lượng thiết bị điện tử bổ sung trên mỗi pixel có thể dẫn đến nhiễu đọc cao hơn một chút.

Hiểu về cửa cuốn

Cửa cuốn hoạt động như thế nào

Chỉ sử dụng 4 bóng bán dẫn và không có nút lưu trữ, thiết kế điểm ảnh CMOS đơn giản này dẫn đến hoạt động màn trập điện tử phức tạp hơn. Các điểm ảnh màn trập lăn bắt đầu và dừng phơi sáng cảm biến theo từng hàng một, "lăn" cảm biến xuống. Trình tự ngược lại (cũng được hiển thị trong hình) được thực hiện cho mỗi lần phơi sáng:

Hình: Quá trình màn trập lăn cho cảm biến máy ảnh 6x6 pixel

Khung hình đầu tiên bắt đầu phơi sáng (màu vàng) ở phía trên cùng của cảm biến, quét xuống dưới với tốc độ một dòng mỗi dòng. Khi phơi sáng hoàn tất ở dòng trên cùng, thông số hiển thị (màu tím) tiếp theo là thời điểm bắt đầu phơi sáng tiếp theo (màu xanh) sẽ quét xuống cảm biến.

1. Bắt đầu tiếp xúc với hàng trên cùng của cảm biến bằng cách giải phóng các điện tích thu được xuống đất.
2. Sau khi 'thời gian hàng' trôi qua, hãy di chuyển đến hàng thứ hai của cảm biến và bắt đầu phơi sáng, lặp lại quá trình phơi sáng xuống cảm biến.
3. Khi thời gian phơi sáng theo yêu cầu cho hàng trên cùng kết thúc, hãy kết thúc phơi sáng bằng cách gửi các điện tích thu được qua kiến trúc đọc. Thời gian thực hiện việc này được gọi là "thời gian hàng".
4. Ngay khi hoàn tất quá trình đọc cho một hàng, bạn có thể bắt đầu phơi sáng lại từ Bước 1, ngay cả khi điều đó có nghĩa là chồng lấn với các hàng khác đang thực hiện phơi sáng trước đó.

Ưu điểm của cửa cuốn

●Hiệu suất ánh sáng yếu tốt hơn– Thiết kế pixel có thể ưu tiên thu thập ánh sáng, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong điều kiện thiếu sáng.
●Dải động cao hơn– Thiết kế đọc tuần tự có thể xử lý các điểm sáng hơn và bóng tối hơn một cách duyên dáng hơn.
●Giá cả phải chăng hơn– Cảm biến CMOS màn trập lăn phổ biến hơn và tiết kiệm chi phí sản xuất hơn.

Hạn chế của cửa cuốn

●Hiện tượng chuyển động– Các đối tượng chuyển động nhanh có thể bị lệch hoặc cong, được gọi là “hiệu ứng màn trập lăn”.
●Hiệu ứng thạch trong video– Quay phim cầm tay với rung động hoặc chuyển động nhanh có thể khiến hình ảnh bị rung.
●Thách thức đồng bộ hóa– Ít lý tưởng hơn cho các ứng dụng yêu cầu thời gian chính xác với các sự kiện bên ngoài.

Màn trập toàn cầu so với màn trập lăn: So sánh cạnh nhau

Sau đây là góc nhìn tổng quan về sự so sánh giữa cửa chớp lăn và cửa chớp toàn cầu:

Tính năng	Cửa cuốn	Màn trập toàn cầu
Thiết kế Pixel	4 bóng bán dẫn (4T), không có nút lưu trữ	5+ bóng bán dẫn, bao gồm nút lưu trữ
Độ nhạy sáng	Hệ số lấp đầy cao hơn, dễ dàng thích ứng với định dạng chiếu sáng ngược → QE cao hơn	Hệ số lấp đầy thấp hơn, BSI phức tạp hơn
Hiệu suất tiếng ồn	Nói chung là tiếng ồn đọc thấp hơn	Có thể có tiếng ồn cao hơn một chút do mạch điện bổ sung
Biến dạng chuyển động	Có thể (lệch, lắc lư, hiệu ứng thạch)	Không có — tất cả các điểm ảnh được phơi sáng cùng lúc
Tốc độ tiềm năng	Có thể chồng các lần phơi sáng và đọc nhiều hàng; thường nhanh hơn trong một số thiết kế	Bị giới hạn bởi khả năng đọc toàn khung hình, mặc dù khả năng đọc chia đôi có thể hữu ích
Trị giá	Chi phí sản xuất thấp hơn	Chi phí sản xuất cao hơn
Các trường hợp sử dụng tốt nhất	Chụp ảnh thiếu sáng, quay phim, chụp ảnh nói chung	Ghi lại chuyển động tốc độ cao, kiểm tra công nghiệp, đo lường chính xác

Sự khác biệt về hiệu suất cốt lõi

Các điểm ảnh màn trập lăn thường sử dụng thiết kế 4 bóng bán dẫn (4T) mà không có nút lưu trữ, trong khi màn trập toàn cục yêu cầu 5 bóng bán dẫn trở lên cho mỗi điểm ảnh cùng với mạch bổ sung để lưu trữ quang điện tử trước khi đọc.

●Hệ số lấp đầy & Độ nhạy– Kiến trúc 4T đơn giản hơn cho phép hệ số lấp đầy điểm ảnh cao hơn, nghĩa là mỗi điểm ảnh được dành nhiều diện tích hơn cho việc thu thập ánh sáng. Thiết kế này, kết hợp với việc cảm biến màn trập lăn có thể dễ dàng thích ứng với định dạng chiếu sáng ngược, thường mang lại hiệu suất lượng tử cao hơn.
●Hiệu suất tiếng ồn– Ít bóng bán dẫn hơn và mạch điện ít phức tạp hơn thường có nghĩa là màn trập lăn có độ nhiễu đọc thấp hơn, khiến chúng phù hợp hơn với các ứng dụng thiếu sáng.
●Tốc độ tiềm năng– Màn trập lăn có thể hoạt động nhanh hơn trong một số kiến trúc nhất định vì chúng cho phép chồng chéo phơi sáng và đọc dữ liệu, mặc dù điều này phụ thuộc rất nhiều vào thiết kế cảm biến và thiết bị điện tử đọc dữ liệu.

Chi phí & Sản xuất – Tính đơn giản của pixel màn trập lăn thường dẫn đến chi phí sản xuất thấp hơn so với màn trập toàn cầu.

Những cân nhắc và kỹ thuật nâng cao

Màn trập toàn cầu giả

Trong những trường hợp bạn có thể kiểm soát chính xác thời điểm ánh sáng đến cảm biến—chẳng hạn như sử dụng nguồn sáng LED hoặc laser được kích hoạt bằng phần cứng—bạn có thể đạt được kết quả "giống toàn cục" với màn trập lăn. Phương pháp màn trập giả toàn cục này đồng bộ hóa ánh sáng với cửa sổ phơi sáng, giảm thiểu hiện tượng nhiễu chuyển động mà không cần thiết kế màn trập toàn cục thực sự.

Hình ảnh chồng chéo

Cảm biến màn trập lăn có thể bắt đầu phơi sáng khung hình tiếp theo trước khi quá trình đọc khung hình hiện tại hoàn tất. Việc phơi sáng chồng chéo này cải thiện chu kỳ hoạt động và có lợi cho các ứng dụng tốc độ cao, nơi việc ghi lại số khung hình tối đa mỗi giây là rất quan trọng, nhưng có thể làm phức tạp các thí nghiệm nhạy cảm với thời gian.

Đọc nhiều hàng

Nhiều camera CMOS tốc độ cao có thể đọc nhiều hơn một hàng điểm ảnh cùng lúc. Ở một số chế độ, các hàng được đọc theo cặp; trong các thiết kế tiên tiến, có thể đọc đồng thời tới bốn hàng, giúp giảm đáng kể thời gian đọc tổng thể khung hình.

Kiến trúc cảm biến chia tách

Cả màn trập lăn và toàn cục đều có thể sử dụng bố cục cảm biến chia tách, trong đó cảm biến hình ảnh được chia theo chiều dọc thành hai nửa, mỗi nửa có một hàng ADC riêng.

● Trong các cảm biến chia tách màn trập lăn, quá trình đọc thường bắt đầu từ tâm và lăn ra ngoài về phía trên và dưới, giúp giảm độ trễ hơn nữa.
● Trong thiết kế màn trập toàn cục, việc đọc tách có thể cải thiện tốc độ khung hình mà không làm thay đổi tính đồng thời của quá trình phơi sáng.

Làm thế nào để lựa chọn phù hợp với ứng dụng của bạn: Màn trập lăn hay màn trập toàn cầu?

Màn trập toàn cầu có thể có lợi cho các ứng dụng

● Yêu cầu thời gian sự kiện có độ chính xác cao

● Yêu cầu thời gian phơi sáng rất ngắn

● Yêu cầu độ trễ dưới mili giây trước khi bắt đầu quá trình thu thập để đồng bộ hóa với sự kiện

● Ghi lại chuyển động hoặc động lực quy mô lớn trong khoảng thời gian tương tự hoặc nhanh hơn so với màn trập lăn

● Yêu cầu thu thập đồng thời trên toàn bộ cảm biến, nhưng không thể kiểm soát nguồn sáng để sử dụng màn trập giả toàn cục trên một khu vực rộng lớn

Màn trập lăn có thể có lợi cho các ứng dụng

● Ứng dụng ánh sáng yếu đầy thách thức: Hiệu suất lượng tử bổ sung và độ nhiễu thấp hơn của máy ảnh màn trập lăn thường dẫn đến SNR được cải thiện

● Các ứng dụng tốc độ cao trong đó tính đồng thời chính xác trên toàn bộ cảm biến không quan trọng hoặc độ trễ nhỏ so với thang thời gian thử nghiệm

● Các ứng dụng chung khác mà tính đơn giản trong sản xuất và chi phí thấp hơn của máy ảnh màn trập lăn có lợi

Những quan niệm sai lầm phổ biến

1. "Cửa cuốn luôn tệ."

Không đúng—màn trập lăn lý tưởng cho nhiều trường hợp sử dụng và thường hoạt động tốt hơn màn trập toàn cục trong điều kiện ánh sáng yếu và dải động rộng.

2. "Màn trập toàn cầu luôn tốt hơn."

Mặc dù khả năng chụp ảnh không bị méo là một lợi thế, nhưng sự đánh đổi về chi phí, nhiễu và độ nhạy có thể lớn hơn lợi ích của việc chụp ảnh chậm hơn.

3. "Bạn không thể quay video bằng màn trập lăn."

Nhiều máy quay phim cao cấp sử dụng màn trập lăn hiệu quả; kỹ thuật quay cẩn thận có thể giảm thiểu hiện tượng nhiễu.

4. "Màn trập toàn cầu loại bỏ mọi hiện tượng nhòe chuyển động."

Chúng ngăn ngừa sự biến dạng hình học, nhưng hiện tượng nhòe chuyển động do thời gian phơi sáng dài vẫn có thể xảy ra.

Phần kết luận

Sự lựa chọn giữa công nghệ màn trập toàn cục và màn trập lăn trong camera CMOS phụ thuộc vào sự cân bằng giữa khả năng xử lý chuyển động, độ nhạy sáng, chi phí và nhu cầu ứng dụng cụ thể của bạn.

● Nếu bạn cần chụp ảnh không bị méo hình đối với các cảnh chuyển động nhanh, màn trập toàn cục là lựa chọn phù hợp.

● Nếu bạn ưu tiên hiệu suất chụp ảnh thiếu sáng, dải động và ngân sách, màn trập lăn thường mang lại kết quả tốt nhất.

Hiểu được những khác biệt này sẽ giúp bạn có thể chọn đúng công cụ, dù là để chụp ảnh khoa học, giám sát công nghiệp hay sản xuất sáng tạo.

Câu hỏi thường gặp

Loại màn trập nào tốt hơn cho chụp ảnh trên không hoặc lập bản đồ bằng máy bay không người lái?

Đối với việc lập bản đồ, khảo sát và kiểm tra, nơi độ chính xác hình học là yếu tố quan trọng, màn trập toàn cục được ưu tiên để tránh biến dạng. Tuy nhiên, đối với video trên không sáng tạo, màn trập lăn vẫn có thể mang lại kết quả tuyệt vời nếu kiểm soát được chuyển động.

Lựa chọn màn trập ảnh hưởng thế nào đến việc chụp ảnh thiếu sáng?

Màn trập lăn thường có lợi thế về hiệu suất trong điều kiện thiếu sáng vì thiết kế điểm ảnh của chúng có thể ưu tiên hiệu quả thu sáng. Màn trập toàn cục có thể yêu cầu mạch phức tạp hơn, có thể làm giảm độ nhạy sáng đôi chút, mặc dù các thiết kế hiện đại đang dần thu hẹp khoảng cách này.

Loại màn trập ảnh hưởng đếnmáy ảnh khoa học?

Trong chụp ảnh khoa học tốc độ cao—chẳng hạn như theo dõi hạt, động lực học tế bào hoặc đạn đạo—màn trập toàn cục thường rất cần thiết để tránh biến dạng chuyển động. Nhưng đối với kính hiển vi huỳnh quang ánh sáng yếu, mộtmáy ảnh sCMOScó thể chọn màn trập lăn để tối đa hóa độ nhạy và dải động.

Phương pháp nào tốt hơn cho việc kiểm tra công nghiệp?

Trong hầu hết các nhiệm vụ kiểm tra công nghiệp—đặc biệt là những nhiệm vụ liên quan đến băng tải chuyển động, robot hoặc thị giác máy—màn trập toàn cục là lựa chọn an toàn hơn để đảm bảo các phép đo chính xác mà không có lỗi hình học do chuyển động gây ra.