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.
Esposizione e otturatore
Il tempo di esposizione è un periodo in cui l'shutter va da aperto a chiuso. Durante questo periodo, la luce espone l'array fotosensibile del chip e si verifica l'effetto fotoelettrico. Dopo di che, vengono prodotti cariche fotoelettriche. Attraverso la trasformazione A/D, viene visualizzato il valore di scala di grigi di ogni pixel. Sotto una certa intensità luminosa, più a lungo rimane aperto l'shutter, più lungo è il tempo di esposizione, più luminosa sarà l'immagine. Un lungo tempo di esposizione può mostrare la traiettoria di oggetti in movimento lento su un'immagine. Un breve tempo di esposizione può registrare le cose in modo più accurato.
Con lo sviluppo della tecnologia, il film ha gradualmente ceduto il posto al chip, e il metodo di controllo dell'shutter cambia anche da controllo meccanico a controllo elettrico gradualmente. Quando si utilizza la modalità di controllo elettrico, inizia una nuova esposizione quando la carica dell'unità fotoelettrica è completamente esaurita. Quando la carica dell'unità fotoelettrica viene trasferita, l'esposizione termina.
Per il sensore CCD/CMOS a otturatore globale, la fotocamera inizia e ferma l'esposizione di tutti i pixel in un array simultaneamente. Ma per i sensori a otturatore rolling CMOS, la fotocamera espone solo una linea alla volta, poi passa alla seconda linea, ecc.. Legge una linea alla volta; quando legge la linea successiva, l'oggetto si è già spostato.
Il principio di funzionamento dell'global shutter e dell'rolling shutter
Un processo di esposizione completo è diviso in 4 fasi: ripristino, integrazione, operazione di memoria e lettura. Come mostrato nella seguente figura 3:
● Reset timing: chiamato anche shutter. Questa fase viene utilizzata per scaricare la carica nell'unità fotoelettrica e per garantire che l'shutter elettronico sia aperto.
● Temping di integrazione: chiamato anche timing di esposizione. In questa fase avviene la conversione fotoelettrica e vengono prodotti i fotoelettroni
● Funzionamento con memoria: in questa fase, i fotoelettroni vengono spostati dalla cellula fotoelettrica
● Tempi di lettura: in questa fase, i dati dei pixel vengono trasferiti
La differenza tra global shutter e rolling shutter è se il timing dell'esposizione sia esattamente lo stesso nelle diverse linee dell'immagine.
Otturatore globale
Come mostrato nella figura seguente: in modalità global shutter, ogni pixel nel sensore inizia e termina l'esposizione simultaneamente, quindi è necessaria una grande quantità di memoria; l'intera immagine può essere memorizzata nella memoria dopo che l'esposizione è terminata e può essere letta gradualmente. Il processo di fabbricazione del sensore è relativamente complesso e il prezzo è relativamente elevato. Il vantaggio è che può catturare oggetti in movimento ad alta velocità senza distorsione, e l'application è più estesa.
Tapparella avvolgibile
In rolling shutter mode, diverse linee dell'array vengono esposte in momenti diversi mentre l'onda di lettura attraversa il sensore. Questo è mostrato nella figura seguente: la prima linea espone per prima, e dopo un tempo di lettura, la seconda linea inizia l'esposizione, e così via. Quindi, ogni linea viene letta e poi la successiva può essere letta. Ogni pixel del rolling shutter ha bisogno solo di due transistor per trasportare elettroni, producendo così meno calore e basso rumore. Rispetto al sensore a global shutter, la struttura del sensore a rolling shutter è più semplice e a basso costo. Tuttavia, ogni linea non viene esposta contemporaneamente, quindi produrrà distorsione quando si catturano oggetti in movimento ad alta velocità.
1. Qual è il problema?
La differenza nell'imaging tra il sensore a global e il sensore a rolling si riflette principalmente nell'acquisizione di immagini dinamiche:
● Quando si catturano oggetti in movimento ad alta velocità, la distorsione si verifica facilmente in modalità rolling shutter. Questo è visibile nella Figura 6: Catturando il ventilatore che corre ad alta velocità, le immagini dei sensori a global shutter e dei sensori a rolling shutter sono mostrate nell'immagine a sinistra e nell'immagine a destra. L'immagine a sinistra può ripristinare perfettamente la forma della lama del ventilatore, ma l'immagine a destra è deformata.
● Quando si catturano oggetti con variazione di luminosità, possono verificarsi strisce orizzontali con luminosità irregolare in modalità rolling shutter. Questo è mostrato nella seguente figura 7. Abbiamo impostato il tempo di esposizione a 5ms e stiamo catturando gli oggetti interni sotto la lampada fluorescente (rimuovere l'obiettivo) con sensore a global shutter e sensore a rolling shutter rispettivamente. L'immagine a destra presenta chiare increspature d'acqua sullo sfondo e lo sfondo dell'immagine a sinistra è relativamente uniforme. Questo perché la frequenza della lampada fluorescente è di 50Hz, il periodo è di 10ms (un periodo di valore assoluto). Il tempo di esposizione di 5ms può cadere nell'intervallo più luminoso e può anche cadere nell'intervallo più scuro. Per il sensore a rolling shutter, ogni linea dell'array espone a tempi diversi. Pertanto, sono apparse strisce di variazione luminosa e scura nell'immagine. Per il sensore a global shutter, tutte le linee nel sensore iniziano e terminano l'esposizione simultaneamente, non appariranno strisce.
2. Come è successo?
La seguente sequenza di immagini può interpretare il processo di imaging di un sensore a rolling shutter che cattura un cane in corsa. Il cane corre da destra a sinistra. Quando la prima linea inizia l'esposizione, la testa del cane sta appena entrando nel fotogramma. Quando l'ultima linea inizia l'esposizione, il cane è quasi fuori dal fotogramma. Ogni linea espone, il cane si trova in una posizione diversa, quindi l'immagine finale mostra un cane 'diviso'.
3. Come evitarlo?
Se la velocità di movimento non è così alta e la luminosità varia lentamente, il problema discusso sopra ha poco effetto sull'immagine. Di solito, utilizzare un sensore global shutter invece di un sensore rolling shutter è il metodo più fondamentale ed efficace nelle applicazioni ad alta velocità. Tuttavia, in alcune applicazioni sensibili ai costi o al rumore, puoi utilizzare il flash per mitigare gli effetti. Questo è anche possibile quando devi utilizzare un sensore rolling shutter.
La Figura 9 mostra quanto segue. Lo strobo è il segnale del flash emesso dalla fotocamera. Quando il segnale stroboscopico è alto, lo stroboscopio lampeggia (a volte, quando il segnale stroboscopico è basso, lo stroboscopio lampeggia). Quando il flash lampeggia, tutte le linee vengono esposte contemporaneamente, quindi l'immagine non presenta distorsioni.
Ci sono diversi aspetti di cui essere consapevoli quando si utilizza la funzione di flash sincronizzato con il sensore rolling shutter:
● Nota che con tutto il tempo di esposizione che ha l'uscita del segnale stroboscopico, quando il tempo di esposizione è troppo breve e il tempo di lettura è troppo lungo, tutte le linee non hanno un'esposizione sovrapposta. Non viene emesso alcun segnale stroboscopico e lo stroboscopio non lampeggia.
● Quando la durata del flash stroboscopico è inferiore al tempo di esposizione
● Quando il tempo di uscita del segnale stroboscopico è troppo breve (livello μs), le prestazioni di alcune luci stroboscopiche non possono soddisfare i requisiti di commutazione ad alta velocità, quindi la luce stroboscopica non riesce a catturare il segnale stroboscopico
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