Rolling Shutter kontra Global Shutter
Global shutter-kameraer brukes vanligvis til å fange objekter i bevegelse, mens rolling shutter-kameraer er bedre egnet for bildebehandling av statiske scener. Rolling shutter-teknologi er generelt mer vanlig ved høyere oppløsninger, for eksempel over 1,6 megapiksler.
Vi tilbyr for eksempel et 12 MP rolling shutter-kamera (MER2-1220-32U3C) samt et 12 MP global shutter-kamera (ME2P-1230-23U3C).
Global shutter-sensorer bruker større piksler, noe som resulterer i en større sensor sammenlignet med rolling shutter-sensorer med samme oppløsning. Dette gir høyere lysfølsomhet og skarpere bildeopptak, spesielt i dynamiske scener.
Eksponering og Shutter
Eksponeringstid er perioden fra shutter åpnes til den lukkes. I løpet av denne perioden eksponeres lyset på brikkens lysfølsomme matrise, og den fotoelektriske effekten oppstår. Deretter produseres fotoelektriske ladninger. Ved A/D-konvertering vises gråskalaverdien for hver piksel. Ved en bestemt lysintensitet gjelder det at jo lenger shutter er åpen, desto lengre er eksponeringstiden og desto lysere blir bildet. Lang eksponeringstid kan vise banen til saktegående objekter i et bilde. Kort eksponeringstid kan registrere objekter mer nøyaktig.
Med teknologiens utvikling ble film gradvis erstattet av brikken, og styringsmetoden for shutter endres også gradvis fra mekanisk styring til elektrisk styring. Ved bruk av elektrisk styring starter en ny eksponering når ladningen i den fotoelektriske enheten er fullstendig tømt. Når ladningen i den fotoelektriske enheten overføres ut, avsluttes eksponeringen.
For global-shutter-CCD/CMOS -sensoren starter og stopper kameraet eksponeringen av alle pikslene i en matrise samtidig. Men for rolling-shutter CMOS-sensorer eksponerer kameraet bare én linje om gangen, deretter den andre linjen osv. Det leser ut én linje om gangen, og når det leser den neste linjen, har objektet beveget seg.
Virkemåten til global shutter og rolling shutter
En komplett eksponeringsprosess er delt inn i fire faser: tilbakestilling, integrering, minneoperasjon og utlesning. Som vist i følgende figur 3:
● Tidspunkt for tilbakestilling: også kalt shutter-tidspunkt. Denne fasen brukes til å fjerne ladningen i den fotoelektriske enheten og sikre at den elektroniske lukkeren er åpnet
● Integreringstidspunkt: også kalt eksponeringstidspunkt. På dette stadiet skjer den fotoelektriske konverteringen, og fotoelektronene produseres
● Minneoperasjon: på dette stadiet flyttes fotoelektronene fra den fotoelektriske cellen
● Utlesningstidspunkt: på dette stadiet overføres pikseldataene ut
Forskjellen mellom global shutter og rolling shutter er om eksponeringstidspunktet er nøyaktig det samme i de ulike linjene i bildet.
Global Shutter
Som vist i følgende figur: I global shutter-modus starter og avslutter hver piksel i sensoren eksponeringen samtidig. Det kreves derfor en stor mengde minne, og hele bildet kan lagres i minnet etter at eksponeringen er avsluttet og leses ut gradvis. Produksjonsprosessen for sensoren er relativt kompleks, og prisen er relativt høy. Fordelen er at den kan fange objekter i rask bevegelse uten forvrengning, og applikasjonen er mer omfattende.
Rolling Shutter
I rolling shutter-modus eksponeres ulike linjer i matrisen på ulike tidspunkter idet «bølgen» for utlesning beveger seg gjennom sensoren. Dette vises i følgende figur: Den første linjen eksponeres først, og etter en utlesningstid starter den andre linjen eksponeringen, og så videre. Dermed leses hver linje ut, og deretter kan neste linje leses ut. Hver piksel i rolling shutter trenger bare to transistorer for å transportere elektroner, noe som gir mindre varmeutvikling og lavt støynivå. Sammenlignet med global shutter-sensoren er strukturen til rolling shutter-sensoren enklere og rimeligere. Siden hver linje imidlertid ikke eksponeres samtidig, kan det oppstå forvrengning ved opptak av objekter i høy hastighet.
1. Hva er problemet?
Forskjellen i bildebehandling mellom global shutter-sensor og rolling shutter-sensor gjenspeiles hovedsakelig i dynamisk bildeopptak:
● Ved opptak av objekter i høyhastighetsbevegelse oppstår det lett forvrengning i rolling shutter-modus. Dette vises i figur 6: Ved opptak av den raskt roterende viften vises bildene fra global shutter-sensorer og rolling shutter-sensorer i henholdsvis venstre og høyre bilde. Det venstre bildet kan gjengi formen på viftebladet perfekt, mens det høyre bildet er deformert.
● Ved opptak av objekter med varierende lysstyrke kan horisontale striper med ujevn lysstyrke oppstå i rolling shutter-modus. Dette vises i figur 7 nedenfor. Vi har satt eksponeringstid til 5 ms og tar opp innendørsobjekter under fluorescerende lampe (ta av objektiv) med henholdsvis global shutter-sensor og rolling shutter-sensor. Det høyre bildet har tydelige vannkrusninger i bakgrunnen, mens bakgrunnen i det venstre bildet er relativt jevn. Dette skyldes at frekvensen til den fluorescerende lampen er 50 Hz, og perioden er 10 ms (en periode med absoluttverdi). Eksponeringstid på 5 ms kan falle innenfor det lysere området, og kan også falle innenfor det mørkere området. For rolling shutter-sensoren eksponeres hver linje i matrisen på ulike tidspunkter. Derfor oppstår striper med lyse og mørke periodiske variasjoner i bildet. For global shutter-sensoren begynner og avslutter alle linjene i sensoren eksponeringen samtidig, og ingen striper vil oppstå
2. Hvordan skjedde dette?
Følgende bildesekvens kan illustrere bildebehandlingsprosessen til en rolling shutter-sensor som fanger en løpende hund. Hunden løper fra høyre mot venstre. Når den første linjen begynner eksponeringen, kommer hundens hode så vidt inn i bildet. Når den siste linjen begynner eksponeringen, er hunden nesten ute av bildet. Når hver linje eksponeres, befinner hunden seg i en annen posisjon, slik at det endelige bildet viser en «delt» hund.
3. Hvordan unngå dette?
Hvis bevegelseshastigheten ikke er så høy og lysstyrken varierer langsomt, har problemet som er omtalt ovenfor, liten innvirkning på bildet. Vanligvis er bruk av en global shutter-sensor i stedet for en rolling shutter-sensor den mest grunnleggende og effektive metoden i høyhastighetsapplikasjoner. I enkelte kostnadsfølsomme eller støyfølsomme applikasjoner kan du imidlertid bruke blits for å redusere effektene. Dette er også mulig når du må bruke en rolling shutter-sensor.
Figur 9 viser følgende. Strobe er flashsignalet som sendes ut av kamera. Når strobe-signalet er høyt, blinker stroben (noen ganger blinker stroben når strobe-signalet er lavt). Når stroben blinker, eksponerer alle linjene samtidig, slik at bildet ikke har noen forvrengning.
Det er flere forhold å være oppmerksom på ved bruk av synkroniseringsflashfunksjonen med rolling shutter-sensoren:
● Vær oppmerksom på at for all eksponeringstid med utgang av strobe-signal, når eksponeringstiden er for kort og utlesningstiden er for lang, har ikke alle linjene overlappende eksponering. Det er ingen utgang av strobe-signal, og stroben blinker ikke.
● Når tiden for strobe-blinket er kortere enn eksponeringstiden
● Når utgangstiden for strobe-signalet er for kort (på μs-nivå), kan ytelsen til enkelte strober ikke oppfylle kravet til høyhastighetsbryting, slik at stroben ikke kan registrere strobe-signalet
