Rolling Shutter vs Global Shutter
Global shutter wordt gebruikt voor het vastleggen van bewegende objecten, terwijl rolling shutter wordt gebruikt voor het vastleggen van stilstaande beelden. Een rolling shutter camera is goedkoper, vooral voor resoluties boven 1,6 Megapixel. Bijvoorbeeld, onze 12MP rolling shutter camera kost ongeveer 200 euro: MER2-1220-32U3C. In tegenstelling, onze 12MP global shutter kost ongeveer 1000 euro: ME2P-1230-23U3C. Een Global shutter heeft grotere pixels, daarom een grotere sensor dan een rolling shutter camera. Als gevolg hiervan is een global shutter camera gevoeliger voor licht en produceert scherpere beelden.
Belichting en Shutter
De belichtingstijd is een periode van de shutter van open tot dicht. Gedurende deze periode valt het licht op de fotosensitieve array van de chip en vindt het foto-elektrische effect plaats. Daarna worden foto-elektrische ladingen geproduceerd. Door de A/D-transformatie wordt de grijswaarde van elke pixel weergegeven. Onder een bepaalde lichtintensiteit geldt: hoe langer de shutter open is, hoe langer de belichtingstijd, hoe helderder het beeld. Een lange belichtingstijd kan de trajecten van langzaam bewegende objecten op een afbeelding tonen. Een korte belichtingstijd kan dingen nauwkeuriger vastleggen.
Met de ontwikkeling van technologie, maakte de film geleidelijk plaats voor de chip, en de bedieningsmethode van de shutter verandert ook geleidelijk van mechanische bediening naar elektrische bediening. Bij het gebruik van de elektrische bedieningsmodus begint een nieuwe belichting wanneer de lading van de foto-elektrische eenheid volledig is leeggelopen. Wanneer de lading van de foto-elektrische eenheid wordt overgedragen, eindigt de belichting.
Voor de global-shutter CCD/CMOS sensor, begint en stopt de camera de belichting van alle pixels in een array gelijktijdig. Maar voor de rolling-shutter CMOS-sensoren, belicht de camera slechts één lijn tegelijk, dan de tweede lijn, enzovoort. Het leest één lijn tegelijk uit; tegen de tijd dat het de volgende lijn leest, is het object al verplaatst.
Het werkingsprincipe van global shutter en rolling shutter
Een compleet belichtingsproces is verdeeld in 4 fasen: resetten, integreren, geheugenbediening en uitlezen. Zoals weergegeven in de volgende afbeelding 3:
● Reset timing: ook wel shutter timing genoemd. Deze fase wordt gebruikt om de lading in de foto-elektrische eenheid te wissen en om ervoor te zorgen dat de elektronische shutter geopend is.
● Integratietiming: ook wel belichtingstijdstip genoemd. In dit stadium vindt de foto-elektrische conversie plaats en worden de foto-elektronen geproduceerd
● Geheugenwerking: in dit stadium worden de foto-elektronen van de foto-elektrische cel verschoven
● Uitleestijdstip: in dit stadium worden de pixelgegevens overgedragen
Het verschil tussen global shutter en rolling shutter is of de timing van de belichting precies hetzelfde is in de verschillende lijnen van het beeld.
Global Shutter
Zoals weergegeven in de volgende afbeelding: in global shutter modus begint en eindigt elke pixel in de sensor gelijktijdig de belichting, waardoor een grote hoeveelheid geheugen nodig is. Het hele beeld kan in het geheugen worden opgeslagen nadat de belichting is beëindigd en kan geleidelijk worden uitgelezen. Het productieproces van de sensor is relatief complex en de prijs is relatief hoog. Het voordeel is dat het hoge-snelheid bewegende objecten zonder vervorming kan vastleggen, en de applicatie is uitgebreider.
Rolling Shutter
In rolling shutter modus worden verschillende lijnen van de array op verschillende tijden blootgesteld terwijl de uitlees ‘golf’ door de sensor beweegt. Dit wordt weergegeven in de volgende figuur: de eerste lijn wordt als eerste blootgesteld, en na een uitleestijd begint de tweede lijn met blootstelling, enzovoort. Dus, elke lijn leest uit en daarna kan de volgende lijn worden gelezen. Elke pixel van de rolling shutter heeft slechts twee transistors nodig om elektronen te transporteren, wat zorgt voor minder warmteproductie en lage ruis. In vergelijking met de global shutter sensor is de structuur van de rolling shutter sensor eenvoudiger en goedkoper. Echter, elke lijn wordt niet tegelijkertijd blootgesteld, waardoor vervorming ontstaat bij het vastleggen van snel bewegende objecten.
Belichting en Shutter
Met de ontwikkeling van technologie, maakte de film geleidelijk plaats voor de chip, en de controle methode van de shutter verandert ook geleidelijk van mechanische controle naar elektrische controle. Bij het gebruik van de elektrische controlemodus begint een nieuwe belichting wanneer de lading van de foto-elektrische eenheid volledig is leeggelopen. Wanneer de lading van de foto-elektrische eenheid wordt overgedragen, eindigt de belichting.
Voor de global-shutter CCD/CMOS sensor begint en stopt de belichting van alle pixels in een array tegelijkertijd. Maar voor de rolling-shutter CMOS-sensoren belicht de camera slechts één lijn tegelijk, dan naar de tweede lijn, enzovoort. Het leest één lijn tegelijk uit; tegen de tijd dat het de volgende lijn leest, is het object al verplaatst.
Het werkingsprincipe van global shutter en rolling shutter
● Reset timing: ook wel shutter genoemd. Deze fase wordt gebruikt om de lading in de foto-elektrische eenheid te wissen en ervoor te zorgen dat de elektronische shutter geopend is.
● Integratietiming: ook wel belichtingstijdstip genoemd. In dit stadium vindt de foto-elektrische conversie plaats en worden de foto-elektronen geproduceerd
● Geheugenwerking: in dit stadium worden de foto-elektronen van de foto-elektrische cel verschoven
● Uitleestijdstip: in dit stadium worden de pixelgegevens overgedragen
Het verschil tussen global shutter en rolling shutter is of de timing van de belichting precies hetzelfde is in de verschillende lijnen van het beeld.
Global Shutter
Rolling Shutter
1. Wat is het probleem?
● Wanneer hoge-snelheid bewegende objecten worden vastgelegd, treedt er gemakkelijk vervorming op in rolling shutter modus. Dit is zichtbaar in Figuur 6: Het vastleggen van de snel draaiende ventilator, de beelden van global shutter sensoren en rolling shutter sensoren zijn weergegeven in het linker- en rechterbeeld. Het linkerbeeld kan de vorm van de ventilatorblad perfect herstellen, maar het rechterbeeld is vervormd.
● Bij het vastleggen van objecten met variatie in helderheid kunnen er horizontale strepen met ongelijke helderheid optreden in rolling shutter modus. Dit wordt weergegeven in de volgende figuur 7. We hebben de belichtingstijd ingesteld op 5 ms en vangen de binnenobjecten onder de fluorescentielamp (verwijder de lens) met respectievelijk een global shutter sensor en een rolling shutter sensor. De rechter afbeelding heeft duidelijke watergolven op de achtergrond en de achtergrond van de linker afbeelding is relatief uniform. Dit komt omdat de frequentie van de fluorescentielamp 50 Hz is, de periode 10 ms (een periode van absolute waarde). De belichtingstijd van 5 ms kan zich in het helderdere bereik bevinden, maar ook in het donkerdere bereik. Voor de rolling shutter sensor exposeert elke lijn van de array op verschillende tijden. Daarom verschijnen er heldere en donkere, periodieke variatiestripes in de afbeelding. Voor de global shutter sensor beginnen en eindigen alle lijnen in de sensor gelijktijdig met de belichting, er zullen geen strepen verschijnen.
2. Hoe is dit gebeurd?
3. Hoe voorkom je dit?
Figuur 9 toont het volgende. Strobe is het flitsignaal dat door de camera wordt uitgegeven. Wanneer het stroboscoopsignaal hoog is, flitst de strobe (soms, wanneer het stroboscoopsignaal laag is, flitst de strobe). Wanneer de strobe flitst, worden alle lijnen tegelijkertijd belicht, zodat het beeld geen vervorming heeft.
Er zijn verschillende aspecten waar je op moet letten bij het gebruik van de sync-flitsfunctie met de rolling shutter sensor:
● Merk op dat bij een lange belichtingstijd met een stroboscoopsignaal, wanneer de belichtingstijd te kort is en de uitleestijd te lang is, alle lijnen geen overlappende belichting hebben. Er is geen flitssignaaluitvoer en de flitser flitst niet.
● Als de tijd van de stroboscoopflits korter is dan de belichtingstijd
● Als de uitgangstijd van het stroboscoopsignaal te kort is (μs-niveau), kunnen de prestaties van sommige flitsers niet voldoen aan de hogesnelheidsschakelaarvereiste, zodat de flitser het stroboscoopsignaal niet kan opvangen
1. Wat is het probleem?
Het verschil in imaging tussen global shutter sensor en rolling shutter sensor komt voornamelijk tot uiting in de dynamische beeldacquisitie:
● Bij het vastleggen van snel bewegende objecten treedt gemakkelijk vervorming op in rolling shutter modus. Dit is zichtbaar in Figuur 6: Het vastleggen van de snel draaiende ventilator, de beelden van global shutter sensoren en rolling shutter sensoren worden weergegeven in de linker afbeelding en rechter afbeelding. De linker afbeelding kan de vorm van de ventilatorblad perfect herstellen, maar de rechter afbeelding is vervormd.
● Bij het vastleggen van objecten met variatie in helderheid kunnen er horizontale strepen met ongelijke helderheid optreden in rolling shutter modus. Dit wordt weergegeven in de volgende figuur 7. We hebben de belichtingstijd ingesteld op 5 ms en vangen de binnenobjecten onder de fluorescentielamp (verwijder de lens) vast met respectievelijk een global shutter sensor en een rolling shutter sensor. De rechter afbeelding heeft duidelijke watergolven op de achtergrond en de achtergrond van de linker afbeelding is relatief uniform. Dit komt omdat de frequentie van de fluorescentielamp 50 Hz is, de periode 10 ms (een periode van absolute waarde). De belichtingstijd van 5 ms kan zich in het helderdere bereik bevinden, maar ook in het donkerdere bereik. Voor de rolling shutter sensor exposeert elke lijn van de array op verschillende tijden. Daarom verschijnen er heldere en donkere, periodieke variatiestripes in de afbeelding. Voor de global shutter sensor beginnen en eindigen alle lijnen in de sensor gelijktijdig met de belichting, er zullen geen strepen verschijnen.
2. Hoe is dit gebeurd?
De volgende afbeeldingsreeks kan het imaging proces van een rolling shutter sensor die een rennende hond vastlegt, interpreteren. De hond rent van rechts naar links. Wanneer de eerste regel begint met belichten, komt het hoofd van de hond net het frame binnen. Wanneer de laatste regel begint met belichten, is de hond bijna uit het frame. Bij elke regel die belicht, bevindt de hond zich op een andere positie, zodat de uiteindelijke afbeelding een 'gesplitste' hond toont.
3. Hoe voorkom je dit?
Als de bewegingssnelheid niet zo hoog is en de helderheid langzaam varieert, heeft het hierboven besproken probleem weinig invloed op het beeld. Gewoonlijk is het gebruik van een global shutter sensor in plaats van een rolling shutter sensor de meest fundamentele en effectieve methode in toepassingen met hoge snelheid. In sommige kosten- of geluidsgevoelige toepassingen kun je echter de flits gebruiken om de effecten te verminderen. Dit is ook mogelijk wanneer je een rolling shutter sensor moet gebruiken.
Figuur 9 toont het volgende. Strobe is het flitsignaal dat door de camera wordt uitgegeven. Wanneer het stroboscoopsignaal hoog is, flitst de strobe (soms, wanneer het stroboscoopsignaal laag is, flitst de strobe). Wanneer de strobe flitst, worden alle lijnen tegelijkertijd belicht, zodat het beeld geen vervorming heeft.
Er zijn verschillende aspecten waar je op moet letten bij het gebruik van de sync-flitsfunctie met de rolling shutter sensor:
● Merk op dat bij een lange belichtingstijd met een stroboscoopsignaal, wanneer de belichtingstijd te kort is en de uitleestijd te lang is, alle lijnen geen overlappende belichting hebben. Er is geen flitssignaaluitvoer en de flitser flitst niet.
● Als de tijd van de stroboscoopflits korter is dan de belichtingstijd
● Als de uitgangstijd van het stroboscoopsignaal te kort is (μs-niveau), kunnen de prestaties van sommige flitsers niet voldoen aan de hogesnelheidsschakelaarvereiste, zodat de flitser het stroboscoopsignaal niet kan opvangen
Wij helpen u graag met de juiste machine vision producten voor uw project.
Wij zijn experts in industriële camera's, lenzen en verlichting.
