4.6. Rullande och global slutare

Sensorn läser ut sitt tvådimensionella pixelraster en cell i taget. Två saker med den utläsningen formar den inspelade bilden: ordningen i vilken pixlarna avläses, och hur varje rads exponeringsfönster ställer in sig mot den avläsningen i tid. Det första är fastställt av kislet; det andra kommer i två etablerade varianter som spelar stor roll för scener i rörelse.

4.6.1. Utläsningsordning

Typiska sensorer börjar vid pixeln längst ned till vänster och avläser åt höger längs den raden, går sedan upp till nästa rad och avläser åt höger igen, och så vidare tills de avslutar längst upp till höger.

Pixelmatrisen läses ut med början vid pixeln längst ned till vänster, avläses åt höger längs varje rad och avancerar upp till nästa rad mellan raderna.

Ordningen är ingen slump. Linsen speglar scenen horisontellt och vänder den vertikalt när den projicerar den på sensorn – scenens överkant hamnar längst ned på sensorn och scenens vänsterkant längst till höger – och utläsningen längst-ned-till-vänster-sedan-uppåt vandrar över sensorn i den ordning som upphäver båda vändningarna och placerar pixlarna i minnet rättvända.

4.6.2. Rullande slutare

I en sensor med rullande slutare exponeras och läses varje rad ut i tur och ordning. Medan en rad läses håller nästa rad fortfarande på att avsluta sin exponering, raden därefter har precis börjat, och så vidare – varje rads exponeringsfönster är något förskjutet i tid från nästa. Sensorns integrationsfönster rullar över bildrutan i avläsningsordning, och en fullständig avläsning tar hela bildruteperioden.

För stillastående scener är detta osynligt. För scener med snabb rörelse visar sig förskjutningen som en skevhet – ett objekt som rör sig mellan den tidpunkt då den första raden fångas och den tidpunkt då den sista raden fångas framträder i olika positioner på olika rader i samma bildruta.

En lodrät stapel som rör sig åt höger, fångad av varje slutartyp. Rullande slutare lutar stapeln eftersom bildrutans överkant läses vid en annan tidpunkt än underkanten; global slutare fryser stapeln vid ett enda ögonblick.

Rullande slutare är den billigare konstruktionen. Eftersom varje rad läses ut omedelbart efter att den är färdigexponerad behöver pixelkretsen ingen avskärmad lagring per pixel för att hålla sitt värde genom en sensoromfattande utläsning. De transistorer som sparas lämnar fotodioden en större andel av pixelytan, vilket direkt översätts till högre känslighet och lägre brus vid samma fysiska pixelstorlek. De flesta konsumentbildsensorer använder rullande slutare av detta skäl.

4.6.3. Global slutare

I en sensor med global slutare börjar varje pixel sin exponering vid samma ögonblick och avslutar den vid samma ögonblick. Den fångade laddningen överförs sedan till ett avskärmat lagringsområde på pixeln, och utläsningen rad för rad sker därifrån. Den fångade bildrutan representerar ett enda ögonblick i tiden, oavsett hur snabbt scenen rör sig.

Global slutare kostar mer kisel, och kostnaden landar på fotodioden. Att hålla varje rads värde genom en sensoromfattande utläsning kräver en extra avskärmad lagringscell på varje pixel plus de transistorer som stänger av den från fotodioden – yta som annars skulle tillhöra fotodioden själv. En mindre fotodiod fångar färre fotoner per tidsenhet, så en pixel med global slutare är mindre känslig än en lika stor pixel med rullande slutare. Samma scen kräver längre exponering eller högre förstärkning för att registreras med samma ljusstyrka, och den extra kretsen höjer dessutom utläsningsbruset något.

Den andra avgiften belastar exponeringsbudgeten. I en sensor med rullande slutare överlappar varje rads exponering med grannradernas utläsning, så varje rad kan integrera ljus under nästan hela bildruteperioden. I en global slutare kan utläsningen inte börja förrän varje rad har avslutat sin exponering, så vid en given bildhastighet är den maximala exponeringstiden bildruteperioden minus hela utläsningstiden. För samma bildhastighet får pixeln med rullande slutare slutligen mer ljus per bildruta.

Dessa kostnader förstärker varandra: sensorer med global slutare har lägre pixelantal, är brusigare, mindre känsliga och dyrare per pixel än sina motsvarigheter med rullande slutare. Bytet är bara värt det när snabb rörelse måste fångas rent.

4.6.4. När man ska använda vilken

Slutartypen är en hårdvaruegenskap hos sensorn, inte en programvaruinställning. Valet görs när kameran konstrueras.

Rullande slutare fungerar bra när:

• scenen är stillastående eller rör sig långsamt;

• tillämpningen kan tolerera viss skevhet (det mesta inom fotografi och de flesta användargränssnittsarbeten);

• kostnad och upplösning per krona är prioriteringarna.

Global slutare är rätt val när:

• scenen innehåller snabb rörelse som måste fångas rent (robotik, drönare, inspektion av transportband);

• kameran själv vibrerar eller rör sig i förhållande till en statisk scen;

• bilden matas in i en maskinseendealgoritm som antar att varje bildruta är ett enda tidsögonblick (de flesta pipelines för posuppskattning och struktur-från-rörelse).

Anteckning

OpenMV Cam-serien använder som standard sensorer med global slutare för maskinseende, där rörelseoskärpa på ett rörligt motiv (eller en rörlig kamera) bryter detektering och spårning längre fram. Sensormoduler med rullande slutare erbjuds också för tillämpningar där bildkvaliteten av en långsam eller statisk scen spelar större roll än att frysa snabb rörelse – klassisk fotografiliknande tagning.