4.6. Rolling shutter e global shutter

Il sensore legge la sua griglia bidimensionale di pixel una cella alla volta. Due aspetti di questa lettura determinano la forma dell’immagine registrata: l’ordine in cui i pixel vengono scansionati e come la finestra di esposizione di ciascuna riga si allinea nel tempo con tale scansione. Il primo aspetto e fissato dal silicio; il secondo si presenta in due varianti consolidate che contano molto per le scene in movimento.

4.6.1. Ordine di lettura

I sensori tipici partono dal pixel in basso a sinistra e scansionano verso destra lungo quella riga, poi avanzano alla riga successiva e scansionano di nuovo verso destra, e cosi via fino a terminare in alto a destra.

L’array di pixel viene letto partendo dal pixel in basso a sinistra, scansionando verso destra lungo ciascuna riga e avanzando alla riga successiva tra una riga e l’altra.

L’ordine non e casuale. L’obiettivo specchia orizzontalmente e capovolge verticalmente la scena mentre la proietta sul sensore – la parte alta della scena finisce in basso sul sensore e la parte sinistra della scena finisce a destra – e la lettura dal basso a sinistra verso l’alto percorre il sensore nell’ordine che annulla entrambi i ribaltamenti, collocando i pixel in memoria con il giusto verso.

4.6.2. Rolling shutter

In un sensore rolling-shutter, ciascuna riga viene esposta e letta a turno. Mentre una riga viene letta, la successiva sta ancora completando la propria esposizione, quella dopo ancora ha appena iniziato, e cosi via – la finestra di esposizione di ogni riga e leggermente sfasata nel tempo rispetto alla successiva. La finestra di integrazione del sensore scorre attraverso il frame nell’ordine di scansione, e una scansione completa richiede l’intero periodo del frame.

Per le scene statiche questo e invisibile. Per le scene con movimento rapido lo sfasamento si manifesta come uno skew – un oggetto che si muove tra il momento in cui viene catturata la prima riga e il momento in cui viene catturata l’ultima riga appare in posizioni diverse in righe diverse dello stesso frame.

Una barra verticale in movimento verso destra, catturata da ciascun tipo di otturatore. Il rolling shutter inclina la barra perche la parte superiore del frame viene letta in un momento diverso rispetto a quella inferiore; il global shutter congela la barra in un unico istante.

Il rolling shutter e il progetto piu economico. Poiche ciascuna riga viene letta prontamente dopo aver completato l’esposizione, il circuito del pixel non necessita di una memoria schermata per pixel per conservare il proprio valore durante una lettura estesa a tutto il sensore. I transistor risparmiati lasciano al fotodiodo una frazione maggiore dell’area del pixel, il che si traduce direttamente in maggiore sensibilita e minore rumore a parita di dimensione fisica del pixel. Per questo motivo la maggior parte dei sensori di immagine per il consumo e di tipo rolling-shutter.

4.6.3. Global shutter

In un sensore global-shutter, ogni pixel inizia la propria esposizione nello stesso istante e la termina nello stesso istante. La carica catturata viene poi trasferita in un’area di memoria schermata sul pixel, e la lettura riga per riga avviene a partire da li. Il frame catturato rappresenta un unico momento nel tempo, indipendentemente dalla velocita con cui si muove la scena.

Il global shutter costa piu silicio, e il costo ricade sul fotodiodo. Conservare il valore di ogni riga durante una lettura estesa a tutto il sensore richiede una cella di memoria schermata aggiuntiva su ciascun pixel piu i transistor che la isolano dal fotodiodo – area che altrimenti apparterrebbe al fotodiodo stesso. Un fotodiodo piu piccolo cattura meno fotoni per unita di tempo, quindi un pixel global-shutter e meno sensibile di un pixel rolling-shutter di dimensioni equivalenti. La stessa scena richiede un’esposizione piu lunga o un guadagno maggiore per essere registrata con la stessa luminosita, e in aggiunta la circuiteria extra aumenta leggermente il rumore di lettura.

L’altra penalita riguarda il budget di esposizione. In un sensore rolling-shutter l’esposizione di ciascuna riga si sovrappone alla lettura delle righe vicine, quindi ogni riga puo integrare luce per quasi l’intero periodo del frame. In un global shutter la lettura non puo iniziare finche ogni riga non ha terminato l’esposizione, quindi a un dato frame rate il tempo di esposizione massimo e il periodo del frame meno il tempo di lettura completo. A parita di frame rate, il pixel rolling-shutter finisce con piu luce per frame.

Questi costi si sommano: i sensori global-shutter hanno un numero di pixel inferiore, sono piu rumorosi, meno sensibili e piu costosi per pixel rispetto alle loro controparti rolling-shutter. Il compromesso vale la pena solo quando il movimento rapido deve essere catturato in modo nitido.

4.6.4. Quando usare l’uno o l’altro

Il tipo di otturatore e una proprieta hardware del sensore, non un’impostazione software. La scelta viene fatta quando la camera viene progettata.

Il rolling shutter va bene quando:

• la scena e statica o si muove lentamente;

• l’applicazione puo tollerare un certo skew (la maggior parte della fotografia e del lavoro sulle interfacce utente);

• le priorita sono il costo e la risoluzione per dollaro.

Il global shutter e la scelta giusta quando:

• la scena contiene movimento rapido che deve essere catturato in modo nitido (robotica, droni, ispezione su nastro trasportatore);

• la camera stessa vibra o si muove rispetto a una scena statica;

• l’immagine viene fornita a un algoritmo di visione che assume che ogni frame sia un singolo istante temporale (la maggior parte delle pipeline di stima della posa e structure-from-motion).

Nota

La linea OpenMV Cam adotta per impostazione predefinita sensori global-shutter per l’uso nella visione artificiale, dove il motion blur su un soggetto in movimento (o su una camera in movimento) compromette il rilevamento e il tracciamento a valle. Sono offerti anche moduli sensore rolling-shutter per applicazioni in cui la qualita dell’immagine di una scena lenta o statica conta piu del congelare il movimento rapido – la classica acquisizione in stile fotografico.