Rolling shutter- versus global shutter-camera's

Rolling shutter wordt gebruikt om stilstaande beelden vast te leggen, en global shutter wordt gebruikt om bewegende objecten vast te leggen. Vooral bij resoluties groter dan 1,6 Megapixels is een rolling shutter camera goedkoper. De MER2-1220-32U3C 12MP rolluikcamera kost bijvoorbeeld minder dan 300 dollar. Aan de andere kant kost onze 12 MP global shutter (ME2P-1230-23U3C) meer dan 1000 dollar. Vergeleken met een rolling shutter-camera heeft een global shutter een grotere sensor vanwege de grotere pixels. Bijgevolg legt een Global Shutter-camera beelden vast met grotere helderheid en gevoeligheid voor licht.

Belichting en sluiter

De belichtingstijd van de sluiter is de tijd dat deze open of dicht is. Gedurende deze tijd vinden foto-elektrische effecten en blootstelling aan licht op de lichtgevoelige array van de chip plaats. Vervolgens worden foto-elektrische ladingen gegenereerd. De grijsschaalwaarde van elke pixel wordt weergegeven door de A/D-transformatie. Hoe langer de sluiter open staat en hoe langer de belichtingstijd, bij een bepaalde lichtintensiteit, hoe helderder het beeld. Op een afbeelding kan een lange belichtingstijd het traject van langzaam bewegende objecten onthullen. Dingen kunnen nauwkeuriger worden vastgelegd met kortere belichtingstijden.

Naarmate de technologie vorderde, werd de film geleidelijk vervangen door chips, en ook het bedieningsmechanisme van de sluiter schakelde geleidelijk over van mechanische naar elektrische bediening. Wanneer de lading van de foto-elektrische eenheid volledig is uitgeput, begint een nieuwe belichting bij werking in de elektrische bedieningsmodus. De belichting stopt wanneer de lading van de foto-elektrische eenheid wordt vrijgegeven.

De CCD/CMOS-sensor in een camera met globale sluitertijd initieert en beëindigt tegelijkertijd de belichting van elke pixel in een array. De camera belicht echter slechts één lijn tegelijk, gevolgd door de tweede lijn, enz., voor de CMOS-sensoren met rolluiken. Regel voor regel wordt uitgelezen, en tegen de tijd dat de volgende regel wordt gelezen, is het object verplaatst.

De belangrijkste verschillen tussen global shutter en rolluik

De vier stappen van een volledig belichtingsproces zijn uitlezen, geheugenbewerking, reset en integratie. Zoals geïllustreerd in figuur 3 hieronder:

• Resettiming: ook wel sluitertijd genoemd. In deze fase wordt de lading van de foto-elektrische eenheid vrijgegeven en wordt ervoor gezorgd dat de elektronische sluiter opengaat.
• Timing integreren: ook wel belichtingstijd genoemd. In deze fase vindt foto-elektrische conversie plaats, waarbij foto-elektronen worden geproduceerd.
• Geheugenwerking: op dit punt worden de foto-elektronen uit de foto-elektrische cel verplaatst.
• Uitleestijdstip: de pixelgegevens worden nu op dit punt verzonden.

Als de belichtingstijd in elk van de beeldlijnen precies hetzelfde is, zijn rolling shutter en global shutter niet hetzelfde.

Wat is globale sluiter?

Zoals u kunt zien in figuur 4, initieert en beëindigt elke pixel in de sensor bij gebruik van de globale sluitermodus de belichting tegelijkertijd, wat een aanzienlijke hoeveelheid geheugen vereist. Zodra de belichting voorbij is, kan het hele beeld daar worden opgeslagen en geleidelijk worden uitgelezen. De sensor is relatief duur en kent een relatief ingewikkeld fabricageproces. Het voordeel is dat het een breder scala aan toepassingen heeft en snel bewegende objecten zonder vervorming kan vastleggen.

Wat is rolluik?

Wanneer de uitgelezen "golf" in de rolluikmodus over de sensor beweegt, worden verschillende lijnen van de array op verschillende tijdstippen belicht. Figuur 5 illustreert dit: de eerste lijn wordt als eerste belicht, gevolgd door de belichting van de tweede lijn na een uitleestijd, enzovoort. Het resultaat is dat nadat elke regel is gelezen, de volgende kan worden gelezen. Het rolluik heeft slechts twee transistors per pixel nodig om elektronen over te dragen, wat resulteert in verminderde warmteontwikkeling en geluidsniveaus. De rolluiksensor heeft een eenvoudiger en goedkopere structuur dan de global shutter-sensor. Maar omdat er geen lijn tegelijkertijd wordt belicht, ontstaat er vervorming bij het vastleggen van snel bewegende objecten.

Wilt u onze hulp bij het selecteren van de beste rolluik- of globale camera voor uw project?

Vul dan onderstaand formulier in.

Rolling vs. mondiaal sluiterscenario

De belangrijkste manier waarop rolluiksensoren en globale sluitersensoren qua beeldvorming verschillen, is de manier waarop ze dynamische beelden verkrijgen.

Rolling shutter-fotografie is gevoelig voor vervorming bij het vastleggen van snel bewegende onderwerpen. Dit is te zien in Figuur 6: De linker- en rechterafbeelding tonen respectievelijk de rolluiksensor en de globale sluitersensor, terwijl de snel draaiende ventilator wordt vastgelegd. In de linkerafbeelding kan de vorm van het ventilatorblad nauwkeurig worden hersteld, maar in de rechterafbeelding is deze vervormd.

De rolluikmodus kan resulteren in horizontale strepen met een ongelijkmatige helderheid bij het vastleggen van objecten met variaties in helderheid. Dit is weergegeven in figuur 7 hieronder. We gebruiken respectievelijk een global shutter-sensor en een rolling shutter-sensor om foto's te maken van objecten binnenshuis onder TL-verlichting, met een belichtingstijd ingesteld op 5 ms. De achtergrond van de linkerafbeelding is relatief uniform, terwijl de rechterafbeelding duidelijke rimpelingen vertoont die worden veroorzaakt door de beweging van water. Dit komt omdat fluorescentielampen een frequentie hebben van 50 Hz en een periode van 10 ms (een absolute waardeperiode). De belichtingsduur van 5 ms kan zowel in het donkere als in het heldere bereik vallen. Elke lijn in de array wordt op een ander tijdstip belicht bij gebruik van een rolluiksensor. Als gevolg hiervan vertoonde de afbeelding strepen die in de loop van de tijd in helderheid en duisternis varieerden. Met de Global Shutter-sensor zijn er geen strepen omdat elke lijn in de sensor de belichting op hetzelfde moment start en beëindigt.

Wat veroorzaakte het scenario?

Het beeldvormingsproces van een rolluiksensor die een rennende hond vastlegt, kan worden begrepen uit de reeks beelden die volgt. De hond sprint van links naar rechts. De kop van de hond komt net in het frame wanneer de eerste lijn zichtbaar is. De hond is bijna uit beeld als de laatste lijn zichtbaar wordt. De hond wordt in verschillende lijnen belicht, wat resulteert in een uiteindelijk beeld dat een "gespleten" hond voorstelt.

Hoe kunnen we dit vermijden?

Het hierboven besproken probleem heeft minimale invloed op het beeld als de bewegingssnelheid niet te hoog is en de helderheid geleidelijk wordt gewijzigd. Bij hogesnelheidstoepassingen is de meest basale en efficiënte techniek doorgaans het gebruik van een globale sluitersensor in plaats van een rolluiksensor. Niettemin kunt u de flitser gebruiken om de effecten te verminderen in sommige toepassingen waarbij het geld krap is of ruis een probleem is. Wanneer een rolluiksensor gewenst is, is dit ook mogelijk.

In Figuur 9 wordt het volgende weergegeven. Het flitssignaal dat de camera afgeeft, wordt een flitser genoemd. De flitser knippert als het signaal hoog is (hij knippert ook af en toe als het signaal laag is). Het beeld is vervormingsvrij omdat elke lijn gelijktijdig belicht wanneer de flitser flitst.

Wanneer u de rolluiksensor en de synchronisatieflitsfunctie gebruikt, zijn er een paar dingen waar u rekening mee moet houden:

• Opgemerkt moet worden dat alle lijnen geen overlappende belichting hebben als de belichtingstijd te kort is en de uitleestijd te lang is, zelfs bij alle belichtingstijden die een stroboscoopsignaal hebben. De flitser flitst niet en er is geen stroboscoopsignaaluitvoer.
• Wanneer de belichtingstijd groter is dan de duur van de stroboscoopflits
• De prestaties van sommige flitsers kunnen niet voldoen aan de hogesnelheidsschakelaarvereiste wanneer de uitgangstijd van het stroboscoopsignaal te kort is (\s-niveau). Bijgevolg is de flitser niet in staat het stroboscoopsignaal op te vangen.
•