Rolling Shutter vs Global Shutter
Gaspar van Elmbt
Global shutter é utilizado para capturar objetos em movimento, enquanto rolling shutter é utilizado para capturar imagens estáticas. Uma câmera rolling shutter é mais económica, especialmente para resoluções acima de 1,6 Megapixel. Por exemplo, a nossa câmera rolling shutter de 12MP custa aproximadamente 200 euros: MER2-1220-32U3C. Em contraste, a nossa câmera global shutter de 12MP custa aproximadamente 1000 euros: ME2P-1230-23U3C. Um Global shutter tem píxeis maiores, portanto um sensor maior do que uma câmera rolling shutter. Como resultado, uma câmera global shutter é mais sensível à luz e produz imagens mais nítidas.
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Exposição e Shutter
O tempo de exposição é o período em que o shutter permanece aberto até fechar. Durante esse período, a luz incide sobre a matriz fotos sensível do chip e ocorre o efeito fotoelétrico. Após isso, são produzidas cargas fotoelétricas. Através da conversão A/D, é apresentado o valor de escala de cinzentos de cada pixel. Sob uma determinada intensidade luminosa, quanto mais tempo o shutter permanece aberto, maior o tempo de exposição e mais brilhante será a imagem. Um tempo de exposição longo pode mostrar a trajetória de objetos que se movem lentamente numa imagem. Um tempo de exposição curto pode registar os acontecimentos com maior precisão.
Com o desenvolvimento da tecnologia, o filme foi gradualmente substituído pelo chip, e o método de controlo do shutter também passou gradualmente de controlo mecânico para controlo elétrico. Ao utilizar o modo de controlo elétrico, uma nova exposição começa quando a carga da unidade fotoelétrica é completamente esvaziada. Quando a carga da unidade fotoelétrica é transferida, a exposição termina.
Para o sensor CCD/CMOS global-shutter, a câmera inicia e termina a exposição de todos os píxeis numa matriz simultaneamente. Mas para os sensores CMOS rolling-shutter, a câmera apenas expõe uma linha de cada vez, depois a segunda linha, etc.. Lê uma linha de cada vez e, quando lê a linha seguinte, o objeto já se moveu.
O princípio de funcionamento do global shutter e rolling shutter
Um processo completo de exposição é dividido em 4 fases: reset, integração, operação de memória e leitura. Conforme ilustrado na figura 3 seguinte:
● Tempo de reset: também chamado de shutter timing. Esta fase é utilizada para limpar a carga na unidade fotoelétrica e garantir que o shutter eletrónico esteja aberto
● Tempo de integração: também chamado de tempo de exposição. Nesta fase ocorre a conversão fotoelétrica e são produzidos os fotoelétrons
● Operação de memória: nesta fase, os fotoelétrons são transferidos da célula fotoelétrica
● Tempo de leitura: nesta fase, os dados dos píxeis são transferidos para fora
A diferença entre global shutter e rolling shutter é se o tempo de exposição é exatamente o mesmo nas diferentes linhas da imagem.
Shutter Global
Como mostrado na figura seguinte: no modo global shutter, cada pixel no sensor inicia e termina a exposição simultaneamente, sendo assim necessária uma grande quantidade de memória; toda a imagem pode ser armazenada na memória após o fim da exposição e pode ser lida gradualmente. O processo de fabrico do sensor é relativamente complexo e o preço é relativamente elevado. A vantagem é que pode capturar objetos em movimento rápido sem distorção, e a aplicação é mais abrangente.
Rolling Shutter
No modo rolling shutter, diferentes linhas da matriz são expostas em momentos distintos à medida que a 'onda' de leitura percorre o sensor. Isto é ilustrado na figura seguinte: a primeira linha é exposta primeiro e, após um tempo de leitura, a segunda linha inicia a exposição, e assim sucessivamente. Assim, cada linha é lida e só depois a linha seguinte pode ser lida. Cada pixel do rolling shutter necessita apenas de dois transístores para transportar eletrões, o que resulta numa menor produção de calor e baixo ruído. Em comparação com o sensor global shutter, a estrutura do sensor rolling shutter é mais simples e de baixo custo. No entanto, como cada linha não é exposta ao mesmo tempo, pode ocorrer distorção ao capturar objetos em movimento rápido.
1. Qual é o problema?
A diferença na imagem entre o sensor global shutter e o sensor rolling shutter reflete-se principalmente na aquisição dinâmica de imagem:
● Ao capturar objetos em movimento rápido, ocorre facilmente distorção no modo rolling shutter. Isto é visível na Figura 6: Ao capturar a ventoinha em funcionamento a alta velocidade, as imagens dos sensores global shutter e rolling shutter são apresentadas na imagem da esquerda e na imagem da direita, respetivamente. A imagem da esquerda consegue restaurar perfeitamente a forma da pá da ventoinha, mas a imagem da direita está deformada.
● Ao capturar objetos com variação de brilho, podem ocorrer faixas horizontais com brilho desigual no modo rolling shutter. Isto é mostrado na figura 7 seguinte. Definimos o tempo de exposição para 5ms e estamos a capturar os objetos interiores sob a lâmpada fluorescente (sem a lente) com sensor global shutter e sensor rolling shutter, respetivamente. A imagem da direita apresenta ondulações claras no fundo e o fundo da imagem da esquerda é relativamente uniforme. Isto deve-se ao facto de a frequência da lâmpada fluorescente ser 50Hz, com um período de 10ms (um período de valor absoluto). O tempo de exposição de 5ms pode coincidir com a faixa mais clara ou com a faixa mais escura. Para o sensor rolling shutter, cada linha da matriz expõe em momentos diferentes. Por isso, aparecem faixas de variação de brilho e escuridão periódicas na imagem. Para o sensor global shutter, todas as linhas do sensor iniciam e terminam a exposição simultaneamente, não surgindo faixas.
2. Como é que isto aconteceu?
A seguinte sequência de imagem pode ilustrar o processo de imagem de um sensor rolling shutter a captar um cão em movimento. O cão está a correr da direita para a esquerda. Quando a primeira linha inicia a exposição, a cabeça do cão está a entrar no enquadramento. Quando a última linha inicia a exposição, o cão está quase fora do enquadramento. Cada linha expõe o cão numa posição diferente, pelo que a imagem final mostra um cão ‘dividido’.
3. Como evitar?
Se a velocidade de movimento não for muito elevada e a luminosidade variar lentamente, o problema discutido acima tem pouco impacto na imagem. Normalmente, utilizar um sensor com global shutter em vez de um sensor com rolling shutter é o método mais fundamental e eficaz em aplicações de alta velocidade. No entanto, em algumas aplicações sensíveis ao custo ou ao ruído, pode utilizar o flash para mitigar os efeitos. Isto também é possível quando tem de utilizar um sensor com rolling shutter.
A Figura 9 mostra o seguinte. O estroboscópio é o sinal de flash emitido pela câmera. Quando o sinal do estroboscópio está alto, o estroboscópio dispara (por vezes, quando o sinal do estroboscópio está baixo, o estroboscópio dispara). Quando o estroboscópio dispara, todas as linhas expõem ao mesmo tempo, pelo que a imagem não apresenta distorção.
Há vários aspetos a ter em conta ao utilizar a função de flash sincronizado com o sensor rolling shutter:
● Note que, com todo o tempo de exposição que tem saída de sinal de estroboscópio, quando o tempo de exposição é demasiado curto e o tempo de leitura é demasiado longo, todas as linhas não têm sobreposição de exposição. Não há saída de sinal de estroboscópio e o estroboscópio não dispara.
● Quando o tempo de disparo do estroboscópio é mais curto do que o tempo de exposição
● Quando o tempo de saída do sinal do estroboscópio é demasiado curto (nível de μs), o desempenho de alguns estroboscópios não consegue satisfazer o requisito de comutação de alta velocidade, pelo que o estroboscópio não consegue captar o sinal do estroboscópio
