Rolling Shutter vs. Global Shutter
Global shutter-kameraer bruges typisk til optagelse af objekter i bevægelse, mens rolling shutter-kameraer er mere velegnede til billedbehandling af statiske scener. Rolling shutter-teknologi er generelt mere udbredt ved højere opløsninger, f.eks. over 1,6 megapixel.
Vi tilbyder for eksempel et 12 MP rolling shutter-kamera (MER2-1220-32U3C) samt et 12 MP global shutter-kamera (ME2P-1230-23U3C).
Global shutter-sensorer bruger større pixels, hvilket resulterer i en større sensor sammenlignet med rolling shutter-sensorer med samme opløsning. Dette medfører højere lysfølsomhed og skarpere billedoptagelse, især i dynamiske scener.
Eksponering og Shutter
Eksponeringstid er den periode, hvor shutteren er åben til den lukkes. I denne periode eksponeres chipens lysfølsomme array for lys, og den fotoelektriske effekt opstår. Derefter produceres fotoelektriske ladninger. Ved A/D-konvertering vises gråtoneværdien for hver pixel. Ved en bestemt lysintensitet gælder det, at jo længere shutteren er åben, desto længere er eksponeringstiden, og desto lysere bliver billedet. Lang eksponeringstid kan vise banen for langsomt bevægende objekter i et billede. Kort eksponeringstid kan registrere ting mere nøjagtigt.
Med teknologiens udvikling blev film gradvist erstattet af chippen, og styringsmetoden for shutteren ændrede sig også gradvist fra mekanisk styring til elektrisk styring. Ved brug af elektrisk styring begynder en ny eksponering, når ladningen i den fotoelektriske enhed er helt tømt. Når ladningen i den fotoelektriske enhed overføres ud, afsluttes eksponeringen.
For global-shutter-CCD/CMOS sensoren starter og stopper kameraet eksponeringen af alle pixels i et array samtidig. Men for rolling-shutter-CMOS-sensorer eksponerer kameraet kun én linje ad gangen, derefter den anden linje osv. Det aflæser én linje ad gangen; når det aflæser den næste linje, har objektet bevæget sig.
Funktionsprincippet for global shutter og rolling shutter
En komplet eksponeringsproces er opdelt i 4 faser: nulstilling, integration, hukommelsesoperation og udlæsning. Som vist i følgende figur 3:
● Nulstillingstidspunkt: kaldes også shutter-tidspunkt. Denne fase bruges til at fjerne ladningen i den fotoelektriske enhed og sikre, at den elektroniske shutter er åben
● Integrationstidspunkt: kaldes også eksponeringstidspunkt. På dette trin sker den fotoelektriske konvertering, og fotoelektronerne dannes
● Hukommelsesoperation: på dette trin flyttes fotoelektronerne fra den fotoelektriske celle
● Udlæsningstidspunkt: på dette trin overføres pixeldataene ud
Forskellen mellem global shutter og rolling shutter er, om eksponeringstidspunktet er præcis det samme i billedets forskellige linjer.
Global Shutter
Som vist i følgende figur: I global shutter-tilstand starter og afslutter hver pixel i sensoren eksponeringen samtidig, hvilket kræver en stor mængde hukommelse. Hele billedet kan lagres i hukommelsen, efter eksponeringen er afsluttet, og kan udlæses gradvist. Sensorens fremstillingsproces er relativt kompleks, og prisen er relativt høj. Fordelen er, at den kan optage objekter i hurtig bevægelse uden forvrængning, og applikationen er mere omfattende.
Rolling Shutter
I rolling shutter-tilstand eksponeres forskellige linjer i arrayet på forskellige tidspunkter, idet udlæsnings-’bølgen’ bevæger sig gennem sensoren. Dette vises i følgende figur: Den første linje eksponeres først, og efter en udlæsningstid starter den anden linje eksponeringen osv. Hver linje udlæses således, hvorefter den næste linje kan udlæses. Hver pixel i rolling shutter behøver kun to transistorer til at transportere elektroner, hvilket medfører mindre varmeudvikling og lav støj. Sammenlignet med global shutter-sensoren er strukturen i rolling shutter-sensoren enklere og billigere. Linjerne eksponeres dog ikke samtidig, hvilket medfører forvrængning ved optagelse af objekter i hurtig bevægelse.
1. Hvad er problemet?
Forskellen i billedbehandling mellem global shutter-sensorer og rolling shutter-sensorer afspejles primært i optagelse af dynamiske billeder:
● Ved optagelse af objekter i høj hastighed opstår der let forvrængning i rolling shutter-tilstand. Dette ses i figur 6: Ved optagelse af den hurtigt roterende ventilator vises billederne fra global shutter-sensorer og rolling shutter-sensorer i henholdsvis det venstre og højre billede. Det venstre billede kan gengive ventilatorbladets form perfekt, men det højre billede er deformeret.
● Ved optagelse af objekter med varierende lysstyrke kan der forekomme vandrette striber med ujævn lysstyrke i rolling shutter-tilstand. Dette vises i nedenstående figur 7. Vi har indstillet eksponeringstiden til 5 ms og optager indendørs objekter under fluorescerende lys (fjern objektivet) med henholdsvis global shutter-sensor og rolling shutter-sensor. Det højre billede har tydelige vandrette bølger i baggrunden, mens baggrunden i det venstre billede er relativt ensartet. Dette skyldes, at frekvensen for den fluorescerende lampe er 50 Hz, og perioden er 10 ms (en periode i absolut værdi). Eksponeringstiden på 5 ms kan falde inden for det lysere område, men kan også falde inden for det mørkere område. For rolling shutter-sensoren eksponeres hver linje i arrayet på forskellige tidspunkter. Derfor opstår der lyse og mørke, periodisk varierende striber i billedet. For global shutter-sensoren starter og afslutter alle linjer i sensoren eksponeringen samtidigt, og der vil ikke forekomme striber
2. Hvordan skete dette?
Følgende billedsekvens kan illustrere billedbehandlingsprocessen for en rolling shutter-sensor, der optager en løbende hund. Hunden løber fra højre mod venstre. Når den første linje starter eksponeringen, er hundens hoved netop på vej ind i billedet. Når den sidste linje starter eksponeringen, er hunden næsten ude af billedet. Hver linje eksponeres, mens hunden befinder sig i en anden position, så det endelige billede viser en »opdelt« hund.
3. Hvordan undgår man det?
Hvis bevægelseshastigheden ikke er så høj, og lysstyrken varierer langsomt, har det ovenfor omtalte problem kun ringe indvirkning på billedet. Normalt er brugen af en global shutter-sensor i stedet for en rolling shutter-sensor den mest grundlæggende og effektive metode i højhastighedsapplikationer. I nogle omkostningsfølsomme eller støjfølsomme applikationer kan du dog bruge flash til at mindske effekterne. Dette er også muligt, når du skal bruge en rolling shutter-sensor.
Figur 9 viser følgende. Strobe er flashesignalet, der udsendes af kameraet. Når strobe-signalet er højt, blinker stroben (nogle gange blinker stroben, når strobe-signalet er lavt). Når stroben blinker, eksponeres alle linjer samtidig, så billedet ikke har nogen forvrængning.
Der er flere forhold, man skal være opmærksom på ved brug af synkroniseret flash-funktionen med rolling shutter-sensoren:
● Bemærk, at for alle eksponeringstider med strobe-signaloutput gælder det, at når eksponeringstiden er for kort, og udlæsningstiden er for lang, har alle linjer ingen overlappende eksponering. Der er intet strobe-signaloutput, og stroben blinker ikke.
● Når varigheden af strobe-flashet er kortere end eksponeringstiden
● Når strobe-signalets outputtid er for kort (på μs-niveau), kan nogle strobers ydeevne ikke opfylde kravet til højhastighedsskift, så stroben kan ikke opfange strobe-signalet
