Rolling Shutter vs Global Shutter
Gaspar van Elmbt
As câmaras com obturador global são normalmente utilizadas para captar objetos em movimento, enquanto as câmaras com obturador rolling são mais adequadas para a captação de cenas estáticas. A tecnologia de obturador rolling é particularmente comum em resoluções mais elevadas, como acima de 1,6 megapíxeis.
Por exemplo, oferecemos uma câmara rolling shutter de 12 MP (MER2-1220-32U3C) e uma câmara global shutter de 12 MP (ME2P-1230-23U3C).
Os sensores global shutter utilizam píxeis de maior dimensão, o que resulta num sensor maior em comparação com sensores rolling shutter com a mesma resolução. Isto proporciona uma maior sensibilidade à luz e uma captação de imagem mais nítida, especialmente em cenas dinâmicas.
Índice
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
