4.6. Migawka kroczaca i globalna

Sensor odczytuje swoja dwuwymiarowa siatke pikseli po jednej komorce naraz. Dwie rzeczy zwiazane z tym odczytem ksztaltuja zarejestrowany obraz: kolejnosc, w jakiej skanowane sa piksele, oraz to, jak okno ekspozycji kazdego wiersza ukladane jest w czasie wzgledem tego skanowania. Pierwsza z nich jest na stale okreslona przez krzem; druga wystepuje w dwoch utrwalonych odmianach, ktore maja duze znaczenie dla scen z ruchem.

4.6.1. Kolejnosc odczytu

Typowe sensory zaczynaja od piksela w lewym dolnym rogu i skanuja w prawo wzdluz tego wiersza, nastepnie przesuwaja sie w gore do kolejnego wiersza i ponownie skanuja w prawo, i tak dalej, az zakoncza na pikselu w prawym gornym rogu.

Matryca pikseli jest odczytywana poczynajac od piksela w lewym dolnym rogu, skanujac w prawo wzdluz kazdego wiersza i przesuwajac sie w gore do kolejnego wiersza pomiedzy wierszami.

Ta kolejnosc nie jest przypadkowa. Obiektyw odbija scene w poziomie i odwraca ja w pionie, gdy rzutuje ja na sensor – gora sceny trafia na dol sensora, a lewa strona sceny na prawa strone sensora – a odczyt od lewego dolnego rogu w gore przemierza sensor w kolejnosci, ktora odwraca oba odbicia, umieszczajac piksele w pamieci wlasciwa strona do gory.

4.6.2. Migawka kroczaca

W sensorze z migawka kroczaca (rolling shutter) kazdy wiersz jest naswietlany i odczytywany po kolei. Podczas gdy jeden wiersz jest odczytywany, kolejny wciaz konczy swoja ekspozycje, nastepny dopiero ja rozpoczal, i tak dalej – okno ekspozycji kazdego wiersza jest nieznacznie przesuniete w czasie wzgledem nastepnego. Okno integracji sensora przesuwa sie po ramce w kolejnosci skanowania, a pelny przebieg skanowania zajmuje caly okres ramki.

W przypadku scen statycznych jest to niewidoczne. W przypadku scen z szybkim ruchem przesuniecie ujawnia sie jako skos – obiekt, ktory porusza sie pomiedzy momentem przechwycenia pierwszego wiersza a momentem przechwycenia ostatniego wiersza, pojawia sie w roznych pozycjach w roznych wierszach tej samej ramki.

Pionowy slupek poruszajacy sie w prawo, przechwycony przez kazdy typ migawki. Migawka kroczaca pochyla slupek, poniewaz gora ramki jest odczytywana w innym czasie niz dol; migawka globalna zamraza slupek w jednej chwili.

Migawka kroczaca to tansza konstrukcja. Poniewaz kazdy wiersz jest odczytywany niezwlocznie po zakonczeniu naswietlania, obwod piksela nie potrzebuje osobnej, oslonietej pamieci na piksel, ktora przechowywalaby jego wartosc przez caly odczyt obejmujacy caly sensor. Zaoszczedzone tranzystory pozostawiaja fotodiodzie wieksza czesc powierzchni piksela, co przeklada sie bezposrednio na wyzsza czulosc i nizszy szum przy tym samym fizycznym rozmiarze piksela. Z tego powodu wiekszosc konsumenckich sensorow obrazu uzywa migawki kroczacej.

4.6.3. Migawka globalna

W sensorze z migawka globalna (global shutter) kazdy piksel rozpoczyna ekspozycje w tej samej chwili i konczy ja w tej samej chwili. Zgromadzony ladunek jest nastepnie przenoszony do oslonietego obszaru pamieci na pikselu, a odczyt wiersz po wierszu odbywa sie stamtad. Przechwycona ramka reprezentuje jeden moment w czasie, niezaleznie od tego, jak szybko porusza sie scena.

Migawka globalna kosztuje wiecej krzemu, a koszt ten obciaza fotodiode. Przechowanie wartosci kazdego wiersza przez caly odczyt obejmujacy caly sensor wymaga dodatkowej oslonietej komorki pamieci na kazdym pikselu oraz tranzystorow, ktore odcinaja ja od fotodiody – powierzchnia, ktora w innym przypadku nalezalaby do samej fotodiody. Mniejsza fotodioda lapie mniej fotonow na jednostke czasu, wiec piksel z migawka globalna jest mniej czuly niz piksel z migawka kroczaca o rownowaznym rozmiarze. Ta sama scena wymaga dluzszej ekspozycji lub wyzszego wzmocnienia, aby zostac zarejestrowana z ta sama jasnoscia, a dodatkowe obwody nieznacznie podnosza ponad to szum odczytu.

Drugim obciazeniem jest budzet ekspozycji. W sensorze z migawka kroczaca ekspozycja kazdego wiersza zachodzi na odczyt sasiednich wierszy, wiec kazdy wiersz moze integrowac swiatlo przez niemal caly okres ramki. W migawce globalnej odczyt nie moze sie rozpoczac, dopoki kazdy wiersz nie zakonczy naswietlania, wiec przy danej liczbie klatek na sekunde maksymalny czas ekspozycji to okres ramki pomniejszony o pelny czas odczytu. Przy tej samej liczbie klatek na sekunde piksel z migawka kroczaca otrzymuje wiecej swiatla na ramke.

Te koszty kumuluja sie: sensory z migawka globalna maja mniejsza liczbe pikseli, sa bardziej zaszumione, mniej czule i drozsze w przeliczeniu na piksel niz ich odpowiedniki z migawka kroczaca. Kompromis oplaca sie tylko wtedy, gdy szybki ruch musi zostac przechwycony czysto.

4.6.4. Kiedy ktorej uzyc

Typ migawki to wlasciwosc sprzetowa sensora, a nie ustawienie programowe. Wybor jest dokonywany na etapie projektowania kamery.

Migawka kroczaca sprawdza sie, gdy:

• scena jest statyczna lub porusza sie powoli;

• aplikacja moze tolerowac pewien skos (wiekszosc fotografii i wiekszosc prac nad interfejsem uzytkownika);

• priorytetem sa koszt i rozdzielczosc w przeliczeniu na wydana zlotowke.

Migawka globalna jest wlasciwym wyborem, gdy:

• scena zawiera szybki ruch, ktory musi zostac przechwycony czysto (robotyka, drony, kontrola tasm przenosnikowych);

• sama kamera drga lub porusza sie wzgledem statycznej sceny;

• obraz jest podawany do algorytmu wizyjnego, ktory zaklada, ze kazda ramka to pojedyncza chwila w czasie (wiekszosc potokow estymacji pozy i structure-from-motion).

Informacja

Linia OpenMV Cam domyslnie uzywa sensorow z migawka globalna do zastosowan w wizji maszynowej, gdzie rozmycie ruchu na poruszajacym sie obiekcie (lub poruszajacej sie kamerze) psuje dalsze wykrywanie i sledzenie. Oferowane sa rowniez moduly sensorow z migawka kroczaca dla zastosowan, w ktorych jakosc obrazu wolnej lub statycznej sceny ma wieksze znaczenie niz zamrozenie szybkiego ruchu – klasyczne ujecia w stylu fotograficznym.