4.6. Rivisuljin ja globaali suljin

Sensori lukee kaksiulotteisen pikseliruudukkonsa yhden solun kerrallaan. Kaksi seikkaa tässä lukutavassa muokkaa tallennettua kuvaa: järjestys, jossa pikselit skannataan, ja se, miten kunkin rivin valotusikkuna asettuu ajallisesti tämän skannauksen kanssa. Ensimmäinen on piilevyssä kiinteästi määrätty; jälkimmäinen esiintyy kahtena vakiintuneena muotona, joilla on suuri merkitys liikkuvien kohtausten kannalta.

4.6.1. Lukujärjestys

Tyypilliset sensorit aloittavat vasemmasta alakulman pikselistä ja skannaavat oikealle kyseistä riviä pitkin, siirtyvät sitten ylös seuraavalle riville ja skannaavat taas oikealle, ja niin edelleen, kunnes ne päättävät oikeaan yläkulmaan.

Pikselimatriisi luetaan aloittaen vasemman alakulman pikselistä, skannaten oikealle pitkin kutakin riviä ja siirtyen ylös seuraavalle riville rivien välillä.

Järjestys ei ole sattumaa. Linssi peilaa kohtauksen vaakasuunnassa ja kääntää sen pystysuunnassa heijastaessaan sen sensorille – kohtauksen yläosa päätyy sensorin alaosaan ja kohtauksen vasen reuna sensorin oikeaan reunaan – ja vasemmasta alakulmasta ylöspäin etenevä lukutapa kulkee sensorin läpi siinä järjestyksessä, joka kumoaa molemmat käännöt ja sijoittaa pikselit muistiin oikein päin.

4.6.2. Rivisuljin

Rivisuljin-sensorissa (rolling shutter) kukin rivi valotetaan ja luetaan vuorollaan. Kun yhtä riviä luetaan, seuraava on yhä viimeistelemässä valotustaan, sitä seuraava on juuri aloittanut, ja niin edelleen – kunkin rivin valotusikkuna on ajallisesti hieman seuraavasta poikennut. Sensorin integrointi-ikkuna vierii kehyksen läpi skannausjärjestyksessä, ja täysi skannaus kestää koko kehyksen jakson.

Liikkumattomille kohtauksille tämä on näkymätöntä. Nopeasti liikkuville kohtauksille poikkeama näkyy vinoutumana – kohde, joka liikkuu ensimmäisen rivin kuvaamisen ja viimeisen rivin kuvaamisen välisenä aikana, näkyy eri paikoissa saman kehyksen eri riveillä.

Oikealle liikkuva pystysuora palkki, kuvattuna kummallakin suljintyypillä. Rivisuljin vinouttaa palkin, koska kehyksen yläosa luetaan eri ajankohtana kuin alaosa; globaali suljin pysäyttää palkin yhdelle hetkelle.

Rivisuljin on edullisempi rakenne. Koska kukin rivi luetaan heti sen valotuksen valmistuttua, pikselipiiri ei tarvitse pikselikohtaista suojattua tallennuspaikkaa arvonsa säilyttämiseen koko sensorin laajuisen lukutapahtuman ajan. Säästetyt transistorit jättävät valodiodille suuremman osuuden pikselin pinta-alasta, mikä kääntyy suoraan korkeammaksi herkkyydeksi ja matalammaksi kohinaksi samalla fyysisellä pikselikoolla. Useimmat kuluttajakuvasensorit ovat rivisuljimellisia tästä syystä.

4.6.3. Globaali suljin

Globaali suljin -sensorissa (global shutter) jokainen pikseli aloittaa valotuksensa samalla hetkellä ja päättää sen samalla hetkellä. Talteen otettu varaus siirretään tämän jälkeen pikselin suojattuun tallennusalueeseen, ja rivi riviltä tapahtuva lukeminen suoritetaan sieltä. Talteen otettu kehys edustaa yhtä ajanhetkeä riippumatta siitä, kuinka nopeasti kohtaus liikkuu.

Globaali suljin maksaa enemmän piipinta-alaa, ja kustannus kohdistuu valodiodiin. Jokaisen rivin arvon säilyttäminen koko sensorin laajuisen lukutapahtuman ajan vaatii ylimääräisen suojatun tallennussolun jokaiselle pikselille sekä transistorit, jotka eristävät sen valodiodista – pinta-alaa, joka muutoin kuuluisi itse valodiodille. Pienempi valodiodi nappaa vähemmän fotoneita aikayksikköä kohden, joten globaalisuljinpikseli on vähemmän herkkä kuin samankokoinen rivisuljinpikseli. Sama kohtaus vaatii pidemmän valotuksen tai korkeamman vahvistuksen samalla kirkkaudella tallentuakseen, ja ylimääräinen piiri nostaa lukukohinaa hieman tämän päälle.

Toinen vero kohdistuu valotusbudjettiin. Rivisuljinsensorissa kunkin rivin valotus menee päällekkäin viereisten rivien lukemisen kanssa, joten jokainen rivi voi integroida valoa lähes koko kehyksen jakson ajan. Globaalissa suljimessa lukemista ei voi aloittaa ennen kuin jokainen rivi on valottunut loppuun, joten tietyllä kehysnopeudella suurin valotusaika on kehyksen jakso miinus täysi lukuaika. Samalla kehysnopeudella rivisuljinpikseli saa kehystä kohden enemmän valoa.

Nämä kustannukset kasautuvat: globaalisuljinsensoreissa on vähemmän pikseleitä, ne ovat kohinaisempia, vähemmän herkkiä ja kalliimpia pikseliä kohden kuin rivisuljinvastineensa. Vaihtokauppa on kannattava vain silloin, kun nopea liike on saatava kuvattua puhtaasti.

4.6.4. Milloin kumpaakin käytetään

Suljintyyppi on sensorin laitteistollinen ominaisuus, ei ohjelmistoasetus. Valinta tehdään kameran suunnitteluvaiheessa.

Rivisuljin on hyvä valinta, kun:

• kohtaus on liikkumaton tai liikkuu hitaasti;

• sovellus sietää jonkin verran vinoutumaa (useimmat valokuvaus- ja käyttöliittymätyöt);

• kustannukset ja resoluutio rahalle ovat etusijalla.

Globaali suljin on oikea valinta, kun:

• kohtaus sisältää nopeaa liikettä, joka on saatava kuvattua puhtaasti (robotiikka, droonit, kuljetinhihnatarkastus);

• kamera itse tärisee tai liikkuu suhteessa staattiseen kohtaukseen;

• kuva syötetään konenäköalgoritmiin, joka olettaa kunkin kehyksen edustavan yhtä ajanhetkeä (useimmat asennonestimointi- ja structure-from-motion-putket).

Muista

OpenMV Cam -tuotelinja käyttää oletuksena globaalisuljinsensoreita konenäkökäyttöä varten, jossa liike-epäterävyys liikkuvassa kohteessa (tai liikkuvassa kamerassa) rikkoo myöhemmän tunnistuksen ja seurannan. Rivisuljinsensorimoduuleja tarjotaan myös sovelluksiin, joissa hitaan tai staattisen kohtauksen kuvanlaatu on tärkeämpää kuin nopean liikkeen pysäyttäminen – klassinen valokuvausmainen kuvaus.