4.6. Obturador rodante y global

El sensor lee su cuadrícula bidimensional de píxeles celda por celda. Dos aspectos de esa lectura determinan la imagen registrada: el orden en que se escanean los píxeles y cómo la ventana de exposición de cada fila se alinea con ese escaneo en el tiempo. El primero está fijado por el silicio; el segundo se presenta en dos variantes consolidadas que importan mucho en escenas con movimiento.

4.6.1. Orden de lectura

Los sensores típicos comienzan en el píxel inferior izquierdo y escanean hacia la derecha a lo largo de esa fila, luego avanzan a la siguiente fila y vuelven a escanear hacia la derecha, y así sucesivamente hasta terminar en el extremo superior derecho.

La matriz de píxeles se lee comenzando en el píxel inferior izquierdo, escaneando hacia la derecha a lo largo de cada fila y avanzando a la siguiente fila entre filas.

El orden no es casual. La lente refleja horizontalmente y voltea verticalmente la escena al proyectarla sobre el sensor – la parte superior de la escena cae en la parte inferior del sensor y la izquierda de la escena en la derecha del sensor – y la lectura de abajo a la izquierda hacia arriba recorre el sensor en el orden que deshace ambas inversiones, colocando los píxeles en memoria con la orientación correcta.

4.6.2. Obturador rodante

En un sensor de obturador rodante, cada fila se expone y se lee por turnos. Mientras se lee una fila, la siguiente aún está terminando su exposición, la fila posterior acaba de empezar, y así sucesivamente – la ventana de exposición de cada fila está ligeramente desfasada en el tiempo respecto a la siguiente. La ventana de integración del sensor rueda a través del fotograma en el orden de escaneo, y un escaneo completo dura todo el periodo del fotograma.

Para escenas estáticas esto es invisible. Para escenas con movimiento rápido el desfase se manifiesta como una inclinación – un objeto que se mueve entre el momento en que se captura la primera fila y el momento en que se captura la última fila aparece en posiciones diferentes en distintas filas del mismo fotograma.

Una barra vertical moviéndose hacia la derecha, capturada por cada tipo de obturador. El obturador rodante inclina la barra porque la parte superior del fotograma se lee en un momento distinto del de la parte inferior; el obturador global congela la barra en un solo instante.

El obturador rodante es el diseño más económico. Como cada fila se lee de inmediato después de terminar su exposición, el circuito del píxel no necesita un almacenamiento blindado por píxel para retener su valor durante una lectura de todo el sensor. Los transistores ahorrados dejan al fotodiodo una mayor fracción del área del píxel, lo que se traduce directamente en mayor sensibilidad y menor ruido con el mismo tamaño físico de píxel. La mayoría de los sensores de imagen de consumo son de obturador rodante por esta razón.

4.6.3. Obturador global

En un sensor de obturador global, cada píxel inicia su exposición en el mismo instante y la termina en el mismo instante. La carga capturada se transfiere entonces a un área de almacenamiento blindada en el píxel, y la lectura fila por fila se realiza desde allí. El fotograma capturado representa un único momento en el tiempo, sin importar lo rápido que se mueva la escena.

El obturador global cuesta más silicio, y el costo recae sobre el fotodiodo. Retener el valor de cada fila durante una lectura de todo el sensor requiere una celda de almacenamiento blindada adicional en cada píxel más los transistores que la aíslan del fotodiodo – área que de otro modo pertenecería al propio fotodiodo. Un fotodiodo más pequeño capta menos fotones por unidad de tiempo, por lo que un píxel de obturador global es menos sensible que un píxel de obturador rodante de tamaño equivalente. La misma escena necesita una exposición más larga o una ganancia más alta para registrarse con el mismo brillo, y la circuitería adicional eleva ligeramente el ruido de lectura por encima de eso.

El otro impuesto recae sobre el presupuesto de exposición. En un sensor de obturador rodante la exposición de cada fila se solapa con la lectura de las filas vecinas, de modo que cada fila puede integrar luz durante prácticamente todo el periodo del fotograma. En un obturador global la lectura no puede comenzar hasta que todas las filas hayan terminado de exponerse, de modo que a una tasa de fotogramas dada el tiempo máximo de exposición es el periodo del fotograma menos el tiempo total de lectura. Para la misma tasa de fotogramas, el píxel de obturador rodante termina con más luz por fotograma.

Estos costos se acumulan: los sensores de obturador global tienen menor número de píxeles, son más ruidosos, menos sensibles y más caros por píxel que sus equivalentes de obturador rodante. El intercambio solo vale la pena cuando el movimiento rápido debe capturarse de forma nítida.

4.6.4. Cuándo usar cada uno

El tipo de obturador es una propiedad de hardware del sensor, no un ajuste de software. La elección se hace cuando se diseña la cámara.

El obturador rodante es adecuado cuando:

• la escena es estática o se mueve lentamente;

• la aplicación puede tolerar cierta inclinación (la mayoría de la fotografía y la mayoría del trabajo de interfaz de usuario);

• el costo y la resolución por dólar son las prioridades.

El obturador global es la opción correcta cuando:

• la escena contiene movimiento rápido que debe capturarse de forma nítida (robótica, drones, inspección de cintas transportadoras);

• la propia cámara vibra o se mueve respecto a una escena estática;

• la imagen se introduce en un algoritmo de visión que asume que cada fotograma es un único instante de tiempo (la mayoría de los flujos de estimación de pose y structure-from-motion).

Nota

La línea OpenMV Cam usa por defecto sensores de obturador global para uso de visión artificial, donde el desenfoque de movimiento sobre un sujeto en movimiento (o una cámara en movimiento) arruina la detección y el seguimiento posteriores. También se ofrecen módulos de sensor de obturador rodante para aplicaciones donde la calidad de imagen de una escena lenta o estática importa más que congelar el movimiento rápido – captura clásica de estilo fotográfico.