Migawka krocząca vs migawka globalna
Kamery z migawką globalną są zazwyczaj używane do rejestrowania poruszających się obiektów, natomiast kamery z rolling shutter są bardziej odpowiednie do obrazowania statycznych scen. Technologia rolling shutter jest zazwyczaj bardziej powszechna przy wyższych rozdzielczościach, takich jak powyżej 1,6 megapiksela.
Na przykład oferujemy kamerę 12 MP z rolling shutter (MER2-1220-32U3C), a także kamerę 12 MP z migawką globalną (ME2P-1230-23U3C).
Czujniki z migawką globalną wykorzystują większe piksele, co skutkuje większym czujnikiem w porównaniu z czujnikami z rolling shutter o tej samej rozdzielczości. Prowadzi to do wyższej czułości na światło i ostrzejszego rejestrowania obrazu, zwłaszcza w dynamicznych scenach.
Ekspozycja i Migawka
Czas ekspozycji to okres, w którym migawka jest otwarta, od otwarcia do zamknięcia. W tym czasie światło pada na światłoczułą matrycę chipu i zachodzi efekt fotoelektryczny. Następnie powstają ładunki fotoelektryczne. Dzięki przetwarzaniu A/D wyświetlana jest wartość skali szarości każdego piksela. Przy określonym natężeniu światła im dłużej migawka pozostaje otwarta, tym dłuższy jest czas ekspozycji i tym jaśniejszy jest obraz. Długi czas ekspozycji może pokazać na obrazie tor ruchu wolno poruszających się obiektów. Krótki czas ekspozycji umożliwia dokładniejsze rejestrowanie obiektów.
Wraz z rozwojem technologii film stopniowo ustąpił miejsca chipowi, a metoda sterowania migawką również stopniowo zmieniała się ze sterowania mechanicznego na sterowanie elektryczne. W przypadku trybu sterowania elektrycznego nowa ekspozycja rozpoczyna się, gdy ładunek jednostki fotoelektrycznej zostanie całkowicie opróżniony. Gdy ładunek jednostki fotoelektrycznej zostanie przesłany, ekspozycja kończy się.
W przypadku czujnika CCD/CMOS z global-shutter, kamera jednocześnie rozpoczyna i kończy ekspozycję wszystkich pikseli w matrycy. Jednak w przypadku czujników CMOS z krocząca migawką, kamera naświetla tylko jedną linię naraz, potem drugą linię itd. Odczytuje jedną linię naraz, a zanim odczyta następną linię, obiekt się poruszy.
Zasada działania migawki globalnej i rolling shutter
Pełny proces ekspozycji jest podzielony na 4 etapy: resetowanie, integrację, operację pamięci i odczyt. Jak pokazano na poniższym rysunku 3:
● Czas resetowania: nazywany również czasem migawki. Ta faza służy do usunięcia ładunku w elemencie fotoelektrycznym oraz zapewnienia otwarcia migawki elektronicznej
● Czas integracji: nazywany również czasem ekspozycji. Na tym etapie zachodzi konwersja fotoelektryczna i powstają fotoelektrony
● Operacja pamięci: na tym etapie fotoelektrony są przenoszone z komórki fotoelektrycznej
● Czas odczytu: na tym etapie dane pikseli są przesyłane na zewnątrz
Różnica między migawką globalną a rolling shutter polega na tym, czy czas ekspozycji jest dokładnie taki sam w różnych liniach obrazu.
Globalna Migawka
Jak pokazano na poniższym rysunku: w trybie migawki globalnej każdy piksel w czujniku rozpoczyna i kończy ekspozycję jednocześnie, dlatego potrzebna jest duża ilość pamięci. Cały obraz może zostać zapisany w pamięci po zakończeniu ekspozycji i może być stopniowo odczytywany. Proces produkcji czujnika jest stosunkowo złożony, a cena jest relatywnie wysoka. Zaletą jest możliwość rejestrowania szybko poruszających się obiektów bez zniekształceń, a zastosowanie jest szersze.
Krocząca Migawka
W trybie rolling shutter różne linie matrycy są eksponowane w różnych momentach, gdy „fala” odczytu przesuwa się przez sensor. Przedstawiono to na poniższym rysunku: pierwsza linia jest eksponowana jako pierwsza, a po czasie odczytu druga linia rozpoczyna ekspozycję i tak dalej. Każda linia jest więc odczytywana, a następnie może zostać odczytana kolejna linia. Każdy piksel rolling shutter wymaga tylko dwóch tranzystorów do transportu elektronów, co skutkuje mniejszym wytwarzaniem ciepła i niskim poziomem szumu. W porównaniu z sensorem z migawką globalną struktura sensora rolling shutter jest prostsza i tańsza. Jednak każda linia nie jest eksponowana w tym samym czasie, dlatego podczas rejestrowania szybko poruszających się obiektów powstają zniekształcenia.
1. Jaki jest problem?
Różnica w obrazowaniu między czujnikiem z migawką globalną a czujnikiem rolling shutter jest widoczna głównie podczas dynamicznego pozyskiwania obrazu:
● Podczas rejestrowania szybko poruszających się obiektów w trybie rolling shutter łatwo dochodzi do zniekształceń. Jest to widoczne na rysunku 6: podczas rejestrowania szybko obracającego się wentylatora obrazy z czujników z migawką globalną i czujników rolling shutter przedstawiono odpowiednio na obrazie po lewej i po prawej stronie. Lewy obraz doskonale odwzorowuje kształt łopatki wentylatora, natomiast prawy obraz jest zniekształcony.
● Podczas rejestrowania obiektów o zmiennej jasności w trybie rolling shutter mogą pojawić się poziome pasy o nierównomiernej jasności. Przedstawiono to na poniższym rysunku 7. Ustawiliśmy czas ekspozycji na 5 ms i rejestrujemy obiekty wewnątrz pomieszczenia pod lampą fluorescencyjną (po zdjęciu obiektywu) odpowiednio za pomocą czujnika z migawką globalną i czujnika rolling shutter. Na prawym obrazie w tle wyraźnie widoczne są falowania, natomiast tło lewego obrazu jest względnie jednolite. Wynika to z faktu, że częstotliwość lampy fluorescencyjnej wynosi 50 Hz, a okres wynosi 10 ms (okres wartości bezwzględnej). Czas ekspozycji 5 ms może przypadać na jaśniejszy zakres, ale może również przypadać na ciemniejszy zakres. W przypadku czujnika rolling shutter każdy wiersz matrycy jest eksponowany w innym czasie. Dlatego na obrazie pojawiają się jasne i ciemne pasy o okresowych zmianach. W przypadku czujnika z migawką globalną wszystkie wiersze czujnika rozpoczynają i kończą ekspozycję jednocześnie, dlatego nie pojawiają się żadne pasy
2. Jak do tego doszło?
Poniższa sekwencja obrazów może wyjaśnić proces obrazowania przez sensor rolling shutter rejestrujący biegnącego psa. Pies biegnie od prawej do lewej. Gdy pierwsza linia rozpoczyna ekspozycję, głowa psa dopiero wchodzi w kadr. Gdy ostatnia linia rozpoczyna ekspozycję, pies jest już prawie poza kadrem. Podczas ekspozycji każdej linii pies znajduje się w innej pozycji, więc końcowy obraz przedstawia „podzielonego” psa.
3. Jak uniknąć?
Jeśli prędkość ruchu nie jest zbyt wysoka, a jasność zmienia się powoli, problem omówiony powyżej ma niewielki wpływ na obraz. Zazwyczaj zastosowanie czujnika z migawką globalną zamiast czujnika rolling shutter jest najbardziej podstawową i skuteczną metodą w zastosowaniach wymagających dużej prędkości. Jednak w niektórych zastosowaniach wrażliwych na koszty lub szumy można użyć lampy błyskowej, aby złagodzić te efekty. Jest to również możliwe, gdy konieczne jest użycie czujnika rolling shutter.
Rysunek 9 przedstawia następującą sytuację. Stroboskop to sygnał błysku wyprowadzany przez kamerę. Gdy sygnał stroboskopu jest wysoki, stroboskop błyska (czasami, gdy sygnał stroboskopu jest niski, stroboskop błyska). Gdy stroboskop błyska, wszystkie linie są eksponowane jednocześnie, więc obraz nie ma zniekształceń.
Podczas korzystania z funkcji błysku synchronizowanego z czujnikiem rolling shutter należy zwrócić uwagę na kilka aspektów:
● Należy pamiętać, że przy każdym czasie ekspozycji, dla którego występuje wyjście sygnału stroboskopu, gdy czas ekspozycji jest zbyt krótki, a czas odczytu zbyt długi, wszystkie linie nie mają nakładającej się ekspozycji. Nie ma wyjścia sygnału stroboskopu, a stroboskop nie błyska.
● Gdy czas błysku stroboskopu jest krótszy niż czas ekspozycji
● Gdy czas wyjścia sygnału stroboskopu jest zbyt krótki (na poziomie μs), wydajność niektórych stroboskopów nie spełnia wymagań dotyczących przełączania z dużą prędkością, więc stroboskop nie może wykryć sygnału stroboskopu
