Rolling Shutter vs Global Shutter
Global Shutter wird verwendet, um sich bewegende Objekte einzufangen, während rolling Shutter für die Aufnahme von Standbildern verwendet wird. Eine rolling Shutter Kamera ist günstiger, insbesondere bei Auflösungen über 1,6 Megapixel. Zum Beispiel kostet unsere 12MP rolling Shutter Kamera ca. 200 Euro: MER2-1220-32U3C. Im Gegensatz dazu kostet unser 12MP global Shutter ca. 1000 Euro: ME2P-1230-23U3C. Ein Global Shutter hat größere Pixel, daher einen größeren Sensor als eine rolling Shutter Kamera. Infolgedessen ist eine global Shutter Kamera lichtempfindlicher und produziert schärfere Bilder.
Belichtung und Shutter
Die Belichtungszeit ist der Zeitraum des Shutter von offen bis geschlossen. Während dieses Zeitraums fällt Licht auf das lichtempfindliche Array des Chips und der photoelektrische Effekt tritt auf. Danach werden photoelektrische Ladungen erzeugt. Durch die A/D-Umwandlung wird der Grauwert jedes Pixels angezeigt. Bei einer bestimmten Lichtintensität gilt: Je länger der Shutter geöffnet ist, desto länger die Belichtungszeit, desto heller das Bild. Eine lange Belichtungszeit kann die Trajektorie langsam bewegter Objekte auf einem Bild zeigen. Eine kurze Belichtungszeit kann Dinge genauer festhalten.
Mit der Entwicklung der Technologie trat der Film allmählich dem Chip zur Seite, und die Steuerungsmethode des Shutter ändert sich ebenfalls allmählich von mechanischer Steuerung zu elektrischer Steuerung. Bei Verwendung des elektrischen Steuerungsmodus beginnt eine neue Belichtung, wenn die Ladung des photoelektrischen Elements vollständig entleert ist. Wenn die Ladung des photoelektrischen Elements abgeleitet wird, endet die Belichtung.
Für den globalen Verschluss CCD/CMOS -Sensor beginnt und stoppt die Belichtung aller Pixel in einem Array gleichzeitig. Bei den Rolling-Shutter -CMOS-Sensoren belichtet die Kamera nur eine Zeile nach der anderen, dann die zweite Zeile usw. Sie liest eine Zeile nach der anderen aus; bis sie die nächste Zeile liest, hat sich das Objekt bewegt.
Das Funktionsprinzip des global Shutter und des rolling Shutter
Ein vollständiger Belichtungsvorgang gliedert sich in 4 Phasen: Zurücksetzen, Integrieren, Speicherbetrieb und Auslesen. Wie in der folgenden Abbildung 3 dargestellt:
● Reset-Zeitpunkt: auch genannt Shutter Zeitpunkt. Diese Phase wird verwendet, um die Ladung im photoelektrischen Modul zu löschen und sicherzustellen, dass der elektronische Shutter geöffnet ist.
● Integrierendes Timing: auch Belichtungs-Timing genannt. In diesem Stadium findet die photoelektrische Umwandlung statt und die Photoelektronen werden erzeugt
● Speicherbetrieb: In diesem Stadium werden die Photoelektronen von der Photozelle verschoben
● Auslesezeitpunkt: In dieser Phase werden die Pixeldaten übertragen
Der Unterschied zwischen global Shutter und rolling Shutter besteht darin, ob der Zeitpunkt der Belichtung in den verschiedenen Zeilen des Bildes genau gleich ist.
Global Shutter
Wie in der folgenden Abbildung gezeigt: Im global Shutter-Modus beginnt und endet jeder Pixel im Sensor die Belichtung gleichzeitig, sodass eine große Menge an Speicher benötigt wird. Das gesamte Bild kann im Speicher gespeichert werden, nachdem die Belichtung beendet ist, und kann schrittweise ausgelesen werden. Der Herstellungsprozess des Sensors ist relativ komplex und der Preis ist relativ hoch. Der Vorteil ist, dass er sich schnell bewegende Objekte ohne Verzerrung erfassen kann, und die Applikation ist umfangreicher.
Rolling Shutter
Im rolling Shutter-Modus werden verschiedene Zeilen des Arrays zu unterschiedlichen Zeiten belichtet, während die Auslesewelle durch den Sensor sweepen. Dies wird in der folgenden Abbildung gezeigt: Die erste Zeile wird zuerst belichtet, und nach einer Auslesezeit beginnt die zweite Zeile mit der Belichtung, und so weiter. Jede Zeile wird ausgelesen und dann kann die nächste Zeile gelesen werden. Jedes Pixel des rolling Shutter benötigt nur zwei Transistoren, um Elektronen zu transportieren, was zu weniger Wärmeproduktion und geringem Rauschen führt. Im Vergleich zum global Shutter-Sensor ist die Struktur des rolling Shutter-Sensors einfacher und kostengünstiger. Allerdings wird jede Zeile nicht gleichzeitig belichtet, sodass es zu Verzerrungen kommt, wenn hochgeschwindigkeitsbewegte Objekte aufgenommen werden.
Belichtung und Shutter
Mit der Entwicklung der Technologie trat der Film allmählich dem Chip zur Seite, und die Steuerungsmethode des Shutter ändert sich ebenfalls allmählich von mechanischer Steuerung zu elektrischer Steuerung. Bei Verwendung des elektrischen Steuerungsmodus beginnt eine neue Belichtung, wenn die Ladung des photoelektrischen Elements vollständig entleert ist. Wenn die Ladung des photoelektrischen Elements abgeleitet wird, endet die Belichtung.
Für den globalen Verschluss CCD/CMOS-Sensor beginnt und stoppt die Belichtung aller Pixel in einem Array gleichzeitig. Bei den Rolling-Shutter-CMOS-Sensoren belichtet die Kamera nur eine Zeile nach der anderen, dann zur zweiten Zeile usw. Sie liest eine Zeile nach der anderen aus; bis sie die nächste Zeile liest, hat sich das Objekt bewegt.
Das Funktionsprinzip des global Shutter und des rolling Shutter
● Reset-Zeitpunkt: auch genannt Shutter Zeitpunkt. Diese Phase wird verwendet, um die Ladung im photoelektrischen Element zu löschen und sicherzustellen, dass der elektronische Shutter geöffnet ist.
● Integrierendes Timing: auch Belichtungs-Timing genannt. In diesem Stadium findet die photoelektrische Umwandlung statt und die Photoelektronen werden erzeugt
● Speicherbetrieb: In diesem Stadium werden die Photoelektronen von der Photozelle verschoben
● Auslesezeitpunkt: In dieser Phase werden die Pixeldaten übertragen
Der Unterschied zwischen global Shutter und rolling Shutter besteht darin, ob der Zeitpunkt der Belichtung in den verschiedenen Zeilen des Bildes genau gleich ist.
Global Shutter
Rolling Shutter
1. Was ist das Problem?
● Beim Erfassen von hochgeschwindigkeitsbewegten Objekten tritt im rolling Shutter-Modus leicht Verzerrung auf. Dies ist in Abbildung 6 sichtbar: Beim Erfassen des hochlaufenden Ventilators werden die Bilder von global Shutter-Sensoren und rolling Shutter-Sensoren im linken und rechten Bild gezeigt. Das linke Bild kann die Form der Ventilatorblätter perfekt wiederherstellen, während das rechte Bild deformiert ist.
● Bei der Erfassung von Objekten mit Helligkeitsvariationen können im rolling Shutter-Modus horizontale Streifen mit ungleichmäßiger Helligkeit auftreten. Dies wird in der folgenden Abbildung 7 gezeigt. Wir haben die Belichtungszeit auf 5 ms eingestellt und erfassen die Innenobjekte unter der Leuchtstofflampe (nehmen Sie das Objektiv ab) mit einem global Shutter-Sensor und einem rolling Shutter-Sensor jeweils. Das rechte Bild zeigt klare Wasserwellen im Hintergrund, während der Hintergrund des linken Bildes relativ gleichmäßig ist. Dies liegt daran, dass die Frequenz der Leuchtstofflampe 50 Hz beträgt, die Periode 10 ms (eine Periode des Absolutwerts). Die Belichtungszeit von 5 ms kann im helleren Bereich liegen und auch im dunkleren Bereich. Bei einem rolling Shutter-Sensor belichtet jede Zeile des Arrays zu unterschiedlichen Zeiten. Daher erscheinen helle und dunkle, periodische Variationsstreifen im Bild. Bei einem global Shutter-Sensor beginnen und enden alle Zeilen im Sensor gleichzeitig, sodass keine Streifen erscheinen.
2. Wie ist es dazu gekommen?
3. Wie kann man das vermeiden?
Abbildung 9 zeigt Folgendes. Strobe ist das Blitzsignal, das von der Kamera ausgegeben wird. Wenn das Stroboskop-Signal hoch ist, blitzt das Stroboskop (manchmal, wenn das Stroboskop-Signal niedrig ist, blitzt das Stroboskop). Wenn das Stroboskop blitzt, belichten alle Linien gleichzeitig, sodass das Bild keine Verzerrung aufweist.
Es gibt mehrere Aspekte, die man beachten sollte, wenn man die Sync-Flash-Funktion mit dem rolling Shutter-Sensor verwendet:
● Beachten Sie, dass bei der gesamten Belichtungszeit mit Strobe-Signalausgabe, wenn die Belichtungszeit zu kurz und die Auslesezeit zu lang ist, alle Zeilen keine überlappende Belichtung haben. Es wird kein Blitzsignal ausgegeben und der Blitz blinkt nicht.
● Wenn die Zeit des Stroboskopblitzes kürzer als die Belichtungszeit ist
● Wenn die Ausgabezeit des Strobe-Signals zu kurz ist (μs-Pegel), kann die Leistung einiger Strobe-Geräte die Anforderungen an den Hochgeschwindigkeitsschalter nicht erfüllen, sodass das Strobe-Gerät das Strobe-Signal nicht empfangen kann
1. Was ist das Problem?
Der Unterschied in imaging zwischen global Shutter-Sensoren und rolling Shutter-Sensoren spiegelt sich hauptsächlich in der dynamischen Bildaufnahme wider:
● Bei der Aufnahme von hochgeschwindigkeitsbewegten Objekten tritt im rolling Shutter-Modus leicht Verzerrung auf. Dies ist in Abbildung 6 sichtbar: Bei der Aufnahme des schnell laufenden Ventilators sind die Bilder von global Shutter-Sensoren und rolling Shutter-Sensoren im linken und rechten Bild dargestellt. Das linke Bild kann die Form der Ventilatorblätter perfekt wiederherstellen, während das rechte Bild deformiert ist.
● Bei der Erfassung von Objekten mit Helligkeitsvariationen können im rolling Shutter-Modus horizontale Streifen mit ungleichmäßiger Helligkeit auftreten. Dies wird in der folgenden Abbildung 7 gezeigt. Wir haben die Belichtungszeit auf 5 ms eingestellt und erfassen die Innenobjekte unter der Leuchtstofflampe (nehmen Sie das Objektiv ab) mit einem global Shutter-Sensor und einem rolling Shutter-Sensor jeweils. Das rechte Bild zeigt klare Wasserwellen im Hintergrund, während der Hintergrund des linken Bildes relativ gleichmäßig ist. Dies liegt daran, dass die Frequenz der Leuchtstofflampe 50 Hz beträgt, die Periode 10 ms (eine Periode des Absolutwerts). Die Belichtungszeit von 5 ms kann im helleren Bereich liegen und auch im dunkleren Bereich. Bei einem rolling Shutter-Sensor belichtet jede Zeile des Arrays zu unterschiedlichen Zeiten. Daher erscheinen helle und dunkle, periodische Variationsstreifen im Bild. Bei einem global Shutter-Sensor beginnen und enden alle Zeilen im Sensor gleichzeitig, sodass keine Streifen erscheinen.
2. Wie ist es dazu gekommen?
Die folgende Bildsequenz kann den imaging-Prozess eines rolling Shutter-Sensors darstellen, der einen laufenden Hund aufnimmt. Der Hund läuft von rechts nach links. Wenn die erste Zeile mit der Belichtung beginnt, betritt der Kopf des Hundes gerade den Rahmen. Wenn die letzte Zeile mit der Belichtung beginnt, ist der Hund fast aus dem Rahmen. Bei jeder Zeile befindet sich der Hund in einer anderen Position, sodass das endgültige Bild einen ‚geteilten‘ Hund zeigt.
3. Wie kann man das vermeiden?
Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit nicht so hoch ist und die Helligkeit langsam variiert, hat das oben diskutierte Problem wenig Einfluss auf das Bild. In der Regel ist die Verwendung eines global Shutter anstelle eines rolling Shutter der grundlegendste und effektivste Ansatz in Hochgeschwindigkeits-Applikationen. In einigen kosten- oder geräuschempfindlichen Applikationen könnten Sie jedoch den Blitz verwenden, um die Auswirkungen zu mildern. Dies ist auch möglich, wenn Sie einen rolling Shutter verwenden müssen.
Abbildung 9 zeigt Folgendes. Der Stroboskop ist das Blitzsignal, das von der Kamera ausgegeben wird. Wenn das Stroboskop-Signal hoch ist, blitzt das Stroboskop (manchmal, wenn das Stroboskop-Signal niedrig ist, blitzt das Stroboskop). Wenn das Stroboskop blitzt, belichten alle Linien gleichzeitig, sodass das Bild keine Verzerrung aufweist.
Es gibt mehrere Aspekte, die man beachten sollte, wenn man die Sync-Flash-Funktion mit dem rolling Shutter-Sensor verwendet:
● Beachten Sie, dass bei der gesamten Belichtungszeit mit Strobe-Signalausgabe, wenn die Belichtungszeit zu kurz und die Auslesezeit zu lang ist, alle Zeilen keine überlappende Belichtung haben. Es wird kein Blitzsignal ausgegeben und der Blitz blinkt nicht.
● Wenn die Zeit des Stroboskopblitzes kürzer als die Belichtungszeit ist
● Wenn die Ausgabezeit des Strobe-Signals zu kurz ist (μs-Pegel), kann die Leistung einiger Strobe-Geräte die Anforderungen an den Hochgeschwindigkeitsschalter nicht erfüllen, sodass das Strobe-Gerät das Strobe-Signal nicht empfangen kann
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