4.6. Obturator rolling și global

Senzorul citește grila sa bidimensională de pixeli câte o celulă pe rând. Două aspecte ale acestei citiri modelează imaginea înregistrată: ordinea în care sunt scanați pixelii și modul în care fereastra de expunere a fiecărui rând se aliniază în timp cu acea scanare. Primul aspect este fixat de siliciu; al doilea apare în două variante consacrate care contează foarte mult pentru scenele în mișcare.

4.6.1. Ordinea de citire

Senzorii tipici încep de la pixelul din stânga-jos și scanează spre dreapta de-a lungul acelui rând, apoi avansează la rândul următor și scanează din nou spre dreapta, și așa mai departe până când termină în dreapta-sus.

Matricea de pixeli este citită începând de la pixelul din stânga-jos, scanând spre dreapta de-a lungul fiecărui rând și avansând la rândul următor între rânduri.

Ordinea nu este întâmplătoare. Obiectivul oglindește scena pe orizontală și o răstoarnă pe verticală pe măsură ce o proiectează pe senzor – partea de sus a scenei ajunge în partea de jos a senzorului, iar partea stângă a scenei ajunge în partea dreaptă a senzorului – iar citirea de la stânga-jos spre sus parcurge senzorul în ordinea care anulează ambele răsturnări, plasând pixelii în memorie cu orientarea corectă.

4.6.2. Obturator rolling

Într-un senzor cu obturator rolling, fiecare rând este expus și citit pe rând. În timp ce un rând este citit, următorul își termină încă expunerea, rândul de după acela tocmai a început, și așa mai departe – fereastra de expunere a fiecărui rând este decalată ușor în timp față de cea a rândului următor. Fereastra de integrare a senzorului se rostogolește peste cadru în ordinea de scanare, iar o scanare completă durează întreaga perioadă a cadrului.

Pentru scenele staționare acest lucru este invizibil. Pentru scenele cu mișcare rapidă, decalajul apare sub forma unei înclinări (skew) – un obiect care se mișcă între momentul în care este captat primul rând și momentul în care este captat ultimul rând apare în poziții diferite în rânduri diferite ale aceluiași cadru.

O bară verticală deplasându-se spre dreapta, captată de fiecare tip de obturator. Obturatorul rolling înclină bara deoarece partea de sus a cadrului este citită la un moment diferit față de partea de jos; obturatorul global îngheață bara la un singur instant.

Obturatorul rolling este designul mai ieftin. Deoarece fiecare rând este citit prompt după ce își termină expunerea, circuitul pixelului nu are nevoie de un spațiu de stocare ecranat per pixel pentru a-și păstra valoarea pe durata unei citiri la nivelul întregului senzor. Tranzistorii economisiți lasă fotodiodei o fracțiune mai mare din suprafața pixelului, ceea ce se traduce direct în sensibilitate mai mare și zgomot mai redus la aceeași dimensiune fizică a pixelului. Majoritatea senzorilor de imagine de larg consum sunt cu obturator rolling din acest motiv.

4.6.3. Obturator global

Într-un senzor cu obturator global, fiecare pixel își începe expunerea în același instant și o încheie în același instant. Sarcina captată este apoi transferată într-o zonă de stocare ecranată de pe pixel, iar citirea rând cu rând se face de acolo. Cadrul captat reprezintă un singur moment în timp, indiferent cât de rapid se mișcă scena.

Obturatorul global costă mai mult siliciu, iar costul cade asupra fotodiodei. Păstrarea valorii fiecărui rând pe durata unei citiri la nivelul întregului senzor necesită o celulă suplimentară de stocare ecranată pe fiecare pixel, plus tranzistorii care o izolează de fotodiodă – suprafață care altfel ar aparține fotodiodei înseși. O fotodiodă mai mică captează mai puțini fotoni pe unitatea de timp, așa că un pixel cu obturator global este mai puțin sensibil decât un pixel cu obturator rolling de dimensiune echivalentă. Aceeași scenă necesită o expunere mai lungă sau o amplificare (gain) mai mare pentru a fi înregistrată la aceeași luminozitate, iar circuitele suplimentare cresc ușor zgomotul de citire pe lângă aceasta.

Cealaltă taxă se aplică bugetului de expunere. Într-un senzor cu obturator rolling, expunerea fiecărui rând se suprapune cu citirea rândurilor învecinate, astfel încât fiecare rând poate integra lumină pentru aproape întreaga perioadă a cadrului. La un obturator global, citirea nu poate începe până când fiecare rând nu și-a terminat expunerea, așa că la o anumită rată a cadrelor timpul maxim de expunere este perioada cadrului minus timpul complet de citire. Pentru aceeași rată a cadrelor, pixelul cu obturator rolling ajunge să primească mai multă lumină pe cadru.

Aceste costuri se cumulează: senzorii cu obturator global au un număr mai mic de pixeli, sunt mai zgomotoși, mai puțin sensibili și mai scumpi per pixel decât omologii lor cu obturator rolling. Compromisul merită doar atunci când mișcarea rapidă trebuie captată curat.

4.6.4. Când să folosești fiecare tip

Tipul de obturator este o proprietate hardware a senzorului, nu o setare software. Alegerea se face atunci când camera este proiectată.

Obturatorul rolling este potrivit atunci când:

• scena este staționară sau se mișcă lent;

• aplicația poate tolera o anumită înclinare (majoritatea fotografiilor și majoritatea lucrărilor de interfață cu utilizatorul);

• costul și rezoluția per dolar sunt prioritățile.

Obturatorul global este alegerea corectă atunci când:

• scena conține mișcare rapidă care trebuie captată curat (robotică, drone, inspecția benzilor transportoare);

• camera însăși vibrează sau se mișcă în raport cu o scenă statică;

• imaginea este alimentată într-un algoritm de viziune care presupune că fiecare cadru reprezintă un singur instant temporal (majoritatea pipeline-urilor de estimare a poziției și de structure-from-motion).

Notă

Linia OpenMV Cam folosește implicit senzori cu obturator global pentru utilizarea în viziune artificială, unde estomparea de mișcare a unui subiect în mișcare (sau a unei camere în mișcare) compromite detectarea și urmărirea ulterioare. Sunt oferite și module de senzori cu obturator rolling pentru aplicații în care calitatea imaginii unei scene lente sau statice contează mai mult decât înghețarea mișcării rapide – captare în stil fotografic clasic.