4.6. Obturateur déroulant et obturateur global¶

Le capteur lit sa grille bidimensionnelle de pixels une cellule à la fois. Deux aspects de cette lecture façonnent l’image enregistrée : l’ordre dans lequel les pixels sont balayés, et la manière dont la fenêtre d’exposition de chaque ligne s’aligne dans le temps avec ce balayage. Le premier est figé par le silicium ; le second se décline en deux variantes établies qui comptent beaucoup pour les scènes en mouvement.

4.6.1. Ordre de lecture¶

Les capteurs classiques commencent au pixel en bas à gauche et balaient vers la droite le long de cette ligne, puis avancent jusqu’à la ligne suivante et balaient de nouveau vers la droite, et ainsi de suite jusqu’à terminer en haut à droite.

Une grille de 6 colonnes par 4 lignes de cellules de pixels. La cellule en bas à gauche porte la mention « lue en premier ». Une flèche vers la droite court le long de chaque ligne pour indiquer le sens de balayage. À droite de la grille, une flèche vers le haut étiquetée « avancée des lignes » indique que le balayage monte jusqu'à la ligne suivante après que chaque ligne est terminée. La cellule en haut à droite porte la mention « lue en dernier ». — Le tableau de pixels est lu en commençant par le pixel en bas à gauche, en balayant vers la droite le long de chaque ligne, et en avançant jusqu’à la ligne suivante entre les lignes.¶

Cet ordre n’a rien d’un hasard. L’objectif inverse horizontalement la scène et la retourne verticalement lorsqu’il la projette sur le capteur – le haut de la scène atterrit en bas du capteur et la gauche de la scène à droite du capteur – et la lecture « en bas à gauche puis vers le haut » parcourt le capteur dans l’ordre qui annule ces deux inversions, plaçant les pixels en mémoire dans le bon sens.

4.6.2. Obturateur déroulant¶

Dans un capteur à obturateur déroulant, chaque ligne est exposée et lue à tour de rôle. Pendant qu’une ligne est lue, la suivante termine encore son exposition, celle d’après vient juste de commencer, et ainsi de suite – la fenêtre d’exposition de chaque ligne est légèrement décalée dans le temps par rapport à la suivante. La fenêtre d’intégration du capteur se déroule sur la trame dans l’ordre de balayage, et un balayage complet occupe toute la période de trame.

Pour les scènes statiques, c’est invisible. Pour les scènes avec un mouvement rapide, le décalage se manifeste sous la forme d’un cisaillement – un objet qui se déplace entre l’instant où la première ligne est capturée et l’instant où la dernière ligne est capturée apparaît à des positions différentes dans différentes lignes de la même trame.

Trois panneaux montrant une barre verticale se déplaçant vers la droite. Le premier panneau montre la barre à un instant donné, verticale. Le deuxième panneau montre la même barre capturée par un obturateur déroulant : elle apparaît comme un parallélogramme incliné, penché vers la droite en bas, parce que les lignes du haut ont été capturées lorsque la barre était à sa position antérieure et les lignes du bas lorsqu'elle s'était déplacée vers la droite. Le troisième panneau montre la barre capturée par un obturateur global : verticale et à une seule position. — Une barre verticale se déplaçant vers la droite, capturée par chaque type d’obturateur. L’obturateur déroulant incline la barre parce que le haut de la trame est lu à un instant différent du bas ; l’obturateur global fige la barre à un seul instant.¶

L’obturateur déroulant est la conception la moins coûteuse. Comme chaque ligne est lue rapidement après la fin de son exposition, le circuit du pixel n’a besoin d’aucune zone de stockage blindée par pixel pour conserver sa valeur pendant une lecture à l’échelle du capteur. Les transistors économisés laissent à la photodiode une plus grande fraction de la surface du pixel, ce qui se traduit directement par une sensibilité plus élevée et un bruit plus faible à taille physique de pixel équivalente. C’est pour cette raison que la plupart des capteurs d’image grand public sont à obturateur déroulant.

4.6.3. Obturateur global¶

Dans un capteur à obturateur global, chaque pixel commence son exposition au même instant et la termine au même instant. La charge capturée est ensuite transférée dans une zone de stockage blindée du pixel, et la lecture ligne par ligne s’effectue à partir de là. La trame capturée représente un seul moment dans le temps, quelle que soit la vitesse de déplacement de la scène.

L’obturateur global coûte davantage de silicium, et ce coût retombe sur la photodiode. Conserver la valeur de chaque ligne pendant une lecture à l’échelle du capteur nécessite une cellule de stockage blindée supplémentaire sur chaque pixel, plus les transistors qui l’isolent de la photodiode – une surface qui, autrement, appartiendrait à la photodiode elle-même. Une photodiode plus petite capte moins de photons par unité de temps, de sorte qu’un pixel à obturateur global est moins sensible qu’un pixel à obturateur déroulant de taille équivalente. La même scène nécessite une exposition plus longue ou un gain plus élevé pour être enregistrée avec la même luminosité, et la circuiterie supplémentaire augmente légèrement le bruit de lecture par-dessus le marché.

L’autre taxe pèse sur le budget d’exposition. Dans un capteur à obturateur déroulant, l’exposition de chaque ligne se chevauche avec la lecture des lignes voisines, de sorte que chaque ligne peut intégrer la lumière pendant presque toute la période de trame. Dans un obturateur global, la lecture ne peut pas commencer avant que chaque ligne ait fini de s’exposer, donc à une fréquence de trame donnée, le temps d’exposition maximal correspond à la période de trame moins le temps de lecture complet. Pour la même fréquence de trame, le pixel à obturateur déroulant se retrouve avec davantage de lumière par trame.

Ces coûts s’additionnent : les capteurs à obturateur global ont un nombre de pixels plus faible, sont plus bruyants, moins sensibles et plus chers au pixel que leurs homologues à obturateur déroulant. Le compromis n’en vaut la peine que lorsqu’un mouvement rapide doit être capturé proprement.

4.6.4. Quand utiliser l’un ou l’autre¶

Le type d’obturateur est une propriété matérielle du capteur, et non un réglage logiciel. Le choix est fait lors de la conception de la caméra.

L’obturateur déroulant convient lorsque :

la scène est statique ou se déplace lentement ;
l’application peut tolérer un certain cisaillement (la plupart des prises de vue photographiques et la plupart des travaux d’interface utilisateur) ;
le coût et la résolution par euro sont les priorités.

L’obturateur global est le bon choix lorsque :

la scène contient un mouvement rapide qui doit être capturé proprement (robotique, drones, inspection sur tapis roulant) ;
la caméra elle-même vibre ou se déplace par rapport à une scène statique ;
l’image est transmise à un algorithme de vision qui suppose que chaque trame correspond à un seul instant temporel (la plupart des chaînes d’estimation de pose et de structure-from-motion).

Note

La gamme OpenMV Cam utilise par défaut des capteurs à obturateur global pour les usages de vision industrielle, où le flou de mouvement sur un sujet en déplacement (ou une caméra en déplacement) compromet la détection et le suivi en aval. Des modules de capteur à obturateur déroulant sont également proposés pour les applications où la qualité d’image d’une scène lente ou statique compte plus que le figeage d’un mouvement rapide – une capture de style photographique classique.