Rolling Shutter vs Global Shutter
Global shutter is used for capturing moving objects, while rolling shutter is used for capturing still images. A rolling shutter camera is cheaper, especially for resolutions above 1.6 Megapixel. For example, our 12MP rolling shutter camera costs approx. 200 euro: MER2-1220-32U3C. In contrast, our 12MP global shutter costs approx. 1000 euro: ME2P-1230-23U3C. A Global shutter has larger pixels, therefore a larger sensor as a rolling shutter camera. As a result, a global shutter camera is more light sensitive and produces sharper images.
Exposición y Obturador
El tiempo de exposición es un período del obturador desde que se abre hasta que se cierra. Durante este período, la luz expone el arreglo fotosensible del chip y ocurre el efecto fotoeléctrico. Después de eso, se producen cargas fotoeléctricas. A través de la transformación A/D, se muestra el valor de escala de grises de cada píxel. Bajo una cierta intensidad de luz, cuanto más tiempo esté abierto el obturador, más largo será el tiempo de exposición y más brillante será la imagen. Un tiempo de exposición largo puede mostrar la trayectoria de objetos en movimiento lento en una imagen. Un tiempo de exposición corto puede registrar las cosas con mayor precisión.
Con el desarrollo de la tecnología, el filme fue cediendo gradualmente ante el chip, y el método de control del obturador también cambia de control mecánico a control eléctrico gradualmente. Al utilizar el modo de control eléctrico, comienza una nueva exposición cuando la carga de la unidad fotoeléctrica se ha vaciado por completo. Cuando la carga de la unidad fotoeléctrica se transfiere, finaliza la exposición.
Para el sensor CCD/CMOS de obturador global, la cámara comienza y detiene la exposición de todos los píxeles en una matriz simultáneamente. Pero para los sensores CMOS de obturador rodante , la cámara solo expone una línea a la vez, luego pasa a la segunda línea, etc. Lee una línea a la vez; para cuando lee la siguiente línea, el objeto se ha movido.
El principio de funcionamiento del global obturador y el rodante obturador
Un proceso de exposición completo se divide en 4 etapas: reinicio, integración, operación de memoria y lectura. Como se muestra en la siguiente figura 3:
● Tiempo de reinicio: también llamado obturador. Esta fase se utiliza para eliminar la carga en la unidad fotoeléctrica y para asegurar que el obturador electrónico esté abierto.
● Tiempo de integración: también llamado tiempo de exposición. En esta etapa se produce la conversión fotoeléctrica y se producen los fotoelectrones.
● Operación de memoria: en esta etapa, los fotoelectrones se desplazan de la celda fotoeléctrica.
● Tiempo de lectura: en esta etapa, los datos de píxeles se transfieren
La diferencia entre global obturador y rodante obturador es si el tiempo de exposición es exactamente el mismo en las diferentes líneas de la imagen.
Global Obturador
Como se muestra en la siguiente figura: en modo global obturador, cada píxel del sensor comienza y termina la exposición simultáneamente, por lo que se necesita una gran cantidad de memoria; toda la imagen puede almacenarse en la memoria después de que finaliza la exposición y puede leerse gradualmente. El proceso de fabricación del sensor es relativamente complejo y el precio es relativamente caro. La ventaja es que puede capturar objetos en movimiento a alta velocidad sin distorsión, y la applicación es más extensa.
Rodante Obturador
En modo de rodante obturador, diferentes líneas de la matriz se exponen en diferentes momentos a medida que la ‘onda’ de lectura barre el sensor. Esto se muestra en la siguiente figura: la primera línea se expone primero, y después de un tiempo de lectura, la segunda línea comienza la exposición, y así sucesivamente. Por lo tanto, cada línea se lee y luego se puede leer la siguiente línea. Cada píxel del rodante obturador necesita solo dos transistores para transportar electrones, produciendo así menos calor y bajo ruido. En comparación con el sensor de global obturador, la estructura del sensor de rodante obturador es más simple y de bajo costo. Sin embargo, cada línea no se expone al mismo tiempo, por lo que producirá distorsión al capturar objetos en movimiento a alta velocidad.
1. ¿Cuál es el problema?
La diferencia en imágenes entre el sensor de global obturador y el sensor de rodante obturador se refleja principalmente en la adquisición dinámica de imágenes:
● Al capturar objetos en movimiento a alta velocidad, la distorsión ocurre fácilmente en modo rodante obturador. Esto es visible en la Figura 6: Capturando el ventilador que corre a alta velocidad, las imágenes de los sensores de global obturador y de rodante obturador se muestran en la imagen izquierda y la imagen derecha. La imagen izquierda puede restaurar la forma de la pala del ventilador perfectamente, pero la imagen derecha está deformada.
● Al capturar objetos con variación de brillo, pueden aparecer franjas horizontales con brillo desigual en modo rodante obturador. Esto se muestra en la siguiente figura 7. Hemos establecido el tiempo de exposición en 5 ms y estamos capturando los objetos interiores bajo la lámpara fluorescente (quitar el objetivo) con un sensor de global obturador y un sensor de rodante obturador respectivamente. La imagen de la derecha tiene ondas de agua claras en el fondo y el fondo de la imagen de la izquierda es relativamente uniforme. Esto se debe a que la frecuencia de la lámpara fluorescente es de 50 Hz, el período es de 10 ms (un período de valor absoluto). El tiempo de exposición de 5 ms puede caer en el rango más brillante y también puede caer en el rango más oscuro. Para el sensor de rodante obturador, cada línea de la matriz expone en diferentes momentos. Por lo tanto, aparecieron franjas de variaciones brillantes y oscuras en la imagen. Para el sensor de global obturador, todas las líneas en el sensor comienzan y terminan la exposición simultáneamente, no aparecerán franjas.
2. ¿Cómo ocurrió esto?
La siguiente secuencia de imágenes puede interpretar el proceso de imágenes de un sensor de obturador rodante capturando a un perro corriendo. El perro está corriendo de derecha a izquierda. Cuando la primera línea comienza la exposición, la cabeza del perro apenas entra en el marco. Cuando la última línea comienza la exposición, el perro está casi fuera del marco. En cada línea expuesta, el perro está en una posición diferente, por lo que la imagen final muestra un perro 'dividido'.
3. ¿Cómo evitarlo?
Si la velocidad de movimiento no es tan alta y el brillo varía lentamente, el problema discutido anteriormente tiene poco efecto en la imagen. Por lo general, usar un global obturador rodante en lugar de un rodante obturador es el método más fundamental y efectivo en aplicaciones de alta velocidad aplicaciones. Sin embargo, en algunas aplicaciones sensibles al costo o al ruido, podrías usar el flash para mitigar los efectos. Esto también es posible cuando tienes que usar un rodante obturador.
La Figura 9 muestra lo siguiente. El estroboscopio es la señal de flash que emite la cámara. Cuando la señal del estroboscopio está alta, el estroboscopio parpadea (a veces, cuando la señal del estroboscopio está baja, el estroboscopio parpadea). Cuando el estroboscopio parpadea, todas las líneas se exponen al mismo tiempo, por lo que la imagen no tiene distorsión.
Hay varios aspectos a tener en cuenta al utilizar la función de flash sincronizado con el sensor de rodante obturador:
● Tenga en cuenta que con todo el tiempo de exposición que tiene salida de señal estroboscópica, cuando el tiempo de exposición es demasiado corto y el tiempo de lectura es demasiado largo, todas las líneas no tienen exposición superpuesta. No hay salida de señal estroboscópica y la luz estroboscópica no parpadea.
● Cuando el tiempo del flash estroboscópico es más corto que el tiempo de exposición
● Cuando el tiempo de salida de la señal estroboscópica es demasiado corto (nivel μs), el rendimiento de algunas luces estroboscópicas no puede cumplir con el requisito del interruptor de alta velocidad, por lo que la luz estroboscópica no puede captar la señal estroboscópica.
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