4.6. الغالق المتدحرج والغالق العام

يقرأ المستشعر شبكة البكسلات ثنائية الأبعاد خلية واحدة في كل مرة. وهناك أمران يتعلقان بعملية القراءة هذه يحدّدان شكل الصورة المسجلة: الترتيب الذي تُمسح به البكسلات، وكيفية محاذاة نافذة التعريض لكل صف مع ذلك المسح زمنياً. الأول ثابت بحكم تصميم السيليكون؛ أما الثاني فيأتي في نوعين راسخين لهما أهمية كبيرة في المشاهد المتحركة.

4.6.1. ترتيب القراءة

تبدأ المستشعرات النموذجية من البكسل الموجود أسفل اليسار وتمسح نحو اليمين على طول ذلك الصف، ثم تتقدم صعوداً إلى الصف التالي وتمسح نحو اليمين مرة أخرى، وهكذا حتى تنتهي عند أعلى اليمين.

تُقرأ مصفوفة البكسلات بدءاً من البكسل في أسفل اليسار، مع المسح نحو اليمين على طول كل صف، والتقدم صعوداً إلى الصف التالي بين الصفوف.

هذا الترتيب ليس مصادفة. فالعدسة تعكس المشهد أفقياً وتقلبه رأسياً وهي تُسقطه على المستشعر -- إذ تقع قمة المشهد في أسفل المستشعر ويسار المشهد في يمين المستشعر -- وعملية القراءة من أسفل اليسار ثم صعوداً تجوب المستشعر بالترتيب الذي يلغي كلا الانعكاسين، فتضع البكسلات في الذاكرة بوضعها القائم الصحيح.

4.6.2. الغالق المتدحرج

في مستشعر الغالق المتدحرج، يُعرَّض كل صف ويُقرأ بالتناوب. فبينما يُقرأ صف ما، يكون الصف التالي لا يزال ينهي تعريضه، والصف الذي يليه قد بدأ للتو، وهكذا -- فنافذة تعريض كل صف تُزاح زمنياً قليلاً عن نافذة الصف التالي. وتتدحرج نافذة تكامل المستشعر عبر الإطار بترتيب المسح، وتستغرق المسحة الكاملة فترة الإطار الكاملة.

بالنسبة للمشاهد الثابتة يكون هذا غير مرئي. أما في المشاهد ذات الحركة السريعة فتظهر الإزاحة على هيئة انحراف -- إذ يظهر الجسم الذي يتحرك بين لحظة التقاط الصف الأول ولحظة التقاط الصف الأخير في مواضع مختلفة في صفوف مختلفة من الإطار نفسه.

قضيب عمودي يتحرك نحو اليمين، ملتقَط بكل نوع من أنواع الغالق. يُحدِث الغالق المتدحرج ميلاً في القضيب لأن أعلى الإطار يُقرأ في وقت مختلف عن أسفله؛ بينما يجمّد الغالق العام القضيب في لحظة واحدة.

الغالق المتدحرج هو التصميم الأرخص. فلأن كل صف يُقرأ مباشرة بعد انتهاء تعريضه، لا تحتاج دائرة البكسل إلى مخزن محمي لكل بكسل للاحتفاظ بقيمته طوال عملية قراءة تشمل المستشعر بأكمله. والترانزستورات الموفّرة تترك للصمام الضوئي حصة أكبر من مساحة البكسل، وهو ما يُترجَم مباشرة إلى حساسية أعلى وضوضاء أقل عند نفس الحجم الفيزيائي للبكسل. ولهذا السبب فإن معظم مستشعرات الصور الاستهلاكية تعتمد الغالق المتدحرج.

4.6.3. الغالق العام

في مستشعر الغالق العام، يبدأ كل بكسل تعريضه في اللحظة نفسها وينهيه في اللحظة نفسها. ثم تُنقل الشحنة الملتقطة إلى منطقة تخزين محمية على البكسل، وتجري القراءة صفاً تلو الآخر من هناك. ويمثّل الإطار الملتقَط لحظة زمنية واحدة، مهما كانت سرعة حركة المشهد.

يكلّف الغالق العام مزيداً من السيليكون، وتقع هذه التكلفة على الصمام الضوئي. فالاحتفاظ بقيمة كل صف طوال عملية قراءة تشمل المستشعر بأكمله يستلزم خلية تخزين محمية إضافية على كل بكسل بالإضافة إلى الترانزستورات التي تعزلها عن الصمام الضوئي -- وهي مساحة كانت لتكون من نصيب الصمام الضوئي نفسه. والصمام الضوئي الأصغر يلتقط عدداً أقل من الفوتونات في وحدة الزمن، ولذلك يكون بكسل الغالق العام أقل حساسية من بكسل الغالق المتدحرج المماثل في الحجم. ويحتاج المشهد نفسه إلى تعريض أطول أو كسب أعلى ليُسجَّل بنفس السطوع، كما ترفع الدوائر الإضافية ضوضاء القراءة قليلاً فوق ذلك.

والضريبة الأخرى تقع على ميزانية التعريض. ففي مستشعر الغالق المتدحرج يتداخل تعريض كل صف مع قراءة الصفوف المجاورة، فيستطيع كل صف أن يكامل الضوء طوال فترة الإطار الكاملة تقريباً. أما في الغالق العام فلا يمكن أن تبدأ القراءة حتى ينهي كل صف تعريضه، ولذلك يكون أقصى زمن تعريض عند معدل إطارات معين هو فترة الإطار ناقص زمن القراءة الكامل. وعند نفس معدل الإطارات، ينتهي بكسل الغالق المتدحرج بكمية ضوء أكبر لكل إطار.

وتتراكم هذه التكاليف: فمستشعرات الغالق العام أصغر في عدد البكسلات، وأكثر ضوضاء، وأقل حساسية، وأغلى لكل بكسل من نظيراتها ذات الغالق المتدحرج. والمقايضة لا تستحق العناء إلا عندما يتعين التقاط الحركة السريعة بنقاء.

4.6.4. متى يُستخدم كل منهما

نوع الغالق هو خاصية عتادية للمستشعر، وليس إعداداً برمجياً. ويُتخذ الاختيار عند تصميم الكاميرا.

الغالق المتدحرج مناسب عندما:

• يكون المشهد ثابتاً أو يتحرك ببطء؛

• يستطيع التطبيق تحمّل بعض الانحراف (معظم التصوير الفوتوغرافي ومعظم أعمال واجهات المستخدم)؛

• تكون التكلفة والدقة لكل دولار هما الأولويتين.

الغالق العام هو الاختيار الصحيح عندما:

• يحتوي المشهد على حركة سريعة يجب التقاطها بنقاء (الروبوتات، والطائرات المسيّرة، وفحص أحزمة النقل)؛

• تكون الكاميرا نفسها تهتز أو تتحرك بالنسبة لمشهد ثابت؛

• تُغذّى الصورة إلى خوارزمية رؤية تفترض أن كل إطار يمثّل لحظة زمنية واحدة (معظم خطوط معالجة تقدير الوضعية والبنية من الحركة).

ملاحظة

تعتمد سلسلة OpenMV Cam افتراضياً على مستشعرات الغالق العام لاستخدامات الرؤية الآلية، حيث يؤدي تشوّش الحركة على هدف متحرك (أو كاميرا متحركة) إلى تعطيل الكشف والتتبع في المراحل اللاحقة. كما تُقدَّم وحدات مستشعرات الغالق المتدحرج للتطبيقات التي تكون فيها جودة صورة مشهد بطيء أو ثابت أهم من تجميد الحركة السريعة -- أي الالتقاط على الطراز الفوتوغرافي الكلاسيكي.