4.6. ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งและแบบโกลบอล

เซนเซอร์อ่านค่ากริดพิกเซลสองมิติทีละหนึ่งเซลล์ สองสิ่งเกี่ยวกับรูปแบบการอ่านออกนี้กำหนดภาพที่บันทึก ได้แก่ ลำดับการสแกนพิกเซล และช่วงเวลาการรับแสงของแต่ละแถวสอดคล้องกับการสแกนนั้นอย่างไร อย่างแรกถูกกำหนดโดยซิลิคอน ส่วนอย่างหลังมีสองรูปแบบที่เป็นที่ยอมรับซึ่งสำคัญมากสำหรับฉากที่มีการเคลื่อนไหว

4.6.1. ลำดับการอ่านออก

เซนเซอร์ทั่วไปเริ่มต้นที่พิกเซลมุมล่างซ้ายและสแกนไปทางขวาตามแถวนั้น จากนั้นเลื่อนขึ้นไปยังแถวถัดไปและสแกนไปทางขวาอีกครั้ง ทำเช่นนี้จนเสร็จสิ้นที่พิกเซลมุมบนขวา

อาร์เรย์พิกเซลถูกอ่านออกโดยเริ่มต้นที่พิกเซลมุมล่างซ้าย สแกนไปทางขวาตามแต่ละแถว และเลื่อนขึ้นไปยังแถวถัดไประหว่างแถว

ลำดับนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ เลนส์สะท้อนกลับแนวนอนและพลิกแนวตั้งของฉากขณะฉายลงบนเซนเซอร์ -- ด้านบนของฉากตกลงที่ด้านล่างของเซนเซอร์ และด้านซ้ายของฉากตกที่ด้านขวา -- และการอ่านออกจากมุมล่างซ้ายขึ้นไปเดินเซนเซอร์ในลำดับที่ยกเลิกการพลิกทั้งสอง ทำให้พิกเซลเข้าสู่หน่วยความจำในแนวตั้งที่ถูกต้อง

4.6.2. ชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง

ในเซนเซอร์ ชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง แต่ละแถวจะถูกรับแสงและอ่านออกตามลำดับ ในขณะที่แถวหนึ่งกำลังถูกอ่าน แถวถัดไปยังคงสิ้นสุดการรับแสง แถวหลังจากนั้นเพิ่งเริ่มต้น เป็นต้น -- ช่วงเวลาการรับแสงของแต่ละแถวถูกชดเชยเล็กน้อยในเวลาจากแถวถัดไป หน้าต่างการรวมสัญญาณของเซนเซอร์โรลข้ามเฟรมตามลำดับการสแกน และการสแกนทั้งหมดใช้เวลาเท่ากับช่วงเฟรมทั้งหมด

สำหรับฉากนิ่งนี้มองไม่เห็น สำหรับฉากที่มีการเคลื่อนไหวเร็ว การชดเชยจะปรากฏเป็น ความเบี้ยว -- วัตถุที่เคลื่อนไหวระหว่างเวลาที่บันทึกแถวแรกและเวลาที่บันทึกแถวสุดท้ายจะปรากฏในตำแหน่งที่ต่างกันในแถวต่างๆ ของเฟรมเดียวกัน

แท่งแนวตั้งที่เคลื่อนที่ไปทางขวา ถูกจับโดยชัตเตอร์แต่ละประเภท ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งทำให้แท่งเอียงเพราะด้านบนของเฟรมถูกอ่านในเวลาที่ต่างจากด้านล่าง ชัตเตอร์แบบโกลบอลแช่แข็งแท่งในช่วงเวลาเดียว

ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งเป็นการออกแบบที่ประหยัดกว่า เนื่องจากแต่ละแถวถูกอ่านทันทีหลังจากสิ้นสุดการรับแสง วงจรพิกเซลไม่จำเป็นต้องมีหน่วยเก็บข้อมูลที่ป้องกันต่อพิกเซลเพื่อเก็บค่าไว้ตลอดการอ่านออกทั้งเซนเซอร์ ทรานซิสเตอร์ที่ประหยัดได้ให้โฟโตไดโอดมีพื้นที่เป็นสัดส่วนที่ใหญ่กว่าของพื้นที่พิกเซล ซึ่งแปลโดยตรงเป็นความไวสูงขึ้นและสัญญาณรบกวนต่ำลงที่ขนาดพิกเซลทางกายภาพเดียวกัน เซนเซอร์ภาพผู้บริโภคส่วนใหญ่เป็นชัตเตอร์แบบโรลลิ่งด้วยเหตุนี้

4.6.3. ชัตเตอร์แบบโกลบอล

ในเซนเซอร์ ชัตเตอร์แบบโกลบอล พิกเซลทุกตัวเริ่มต้นการรับแสงในช่วงเวลาเดียวกันและสิ้นสุดในช่วงเวลาเดียวกัน ประจุที่จับได้จะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นที่เก็บข้อมูลที่มีการป้องกันบนพิกเซล และการอ่านออกแถวต่อแถวจะเกิดขึ้นจากที่นั่น เฟรมที่ถูกจับแสดงถึงช่วงเวลาหนึ่งขณะ ไม่ว่าฉากจะเคลื่อนไหวเร็วเพียงใด

ชัตเตอร์แบบโกลบอลต้องใช้ซิลิคอนมากกว่า และต้นทุนตกอยู่ที่โฟโตไดโอด การเก็บค่าของทุกแถวไว้ตลอดการอ่านออกทั้งเซนเซอร์ต้องการเซลล์เก็บข้อมูลที่มีการป้องกันเพิ่มเติมบนพิกเซลแต่ละตัวพร้อมกับทรานซิสเตอร์ที่ควบคุมมันให้แยกออกจากโฟโตไดโอด -- พื้นที่ที่จะเป็นของโฟโตไดโอดเอง โฟโตไดโอดขนาดเล็กกว่าจะรับโฟตอนได้น้อยกว่าต่อหน่วยเวลา ดังนั้นพิกเซลชัตเตอร์แบบโกลบอลจะมีความไวน้อยกว่าพิกเซลชัตเตอร์แบบโรลลิ่งที่มีขนาดเทียบเท่า ฉากเดียวกันต้องการการรับแสงนานขึ้นหรือค่าเกนสูงขึ้นเพื่อบันทึกที่ความสว่างเดียวกัน และวงจรเพิ่มเติมยังเพิ่มสัญญาณรบกวนการอ่านเล็กน้อยด้วย

ภาษีอื่นอยู่ที่งบประมาณการรับแสง ในเซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง การรับแสงของแต่ละแถวทับซ้อนกับการอ่านออกของแถวข้างเคียง ดังนั้นทุกแถวสามารถรวมแสงได้เกือบเต็มช่วงเฟรม ในชัตเตอร์แบบโกลบอล การอ่านออกไม่สามารถเริ่มต้นได้จนกว่าทุกแถวจะสิ้นสุดการรับแสง ดังนั้นที่อัตราเฟรมที่กำหนด เวลาการรับแสงสูงสุดคือช่วงเฟรมลบเวลาการอ่านออกทั้งหมด สำหรับอัตราเฟรมเดียวกัน พิกเซลชัตเตอร์แบบโรลลิ่งจะได้รับแสงมากขึ้นต่อเฟรม

ต้นทุนเหล่านี้สะสม: เซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอลมีจำนวนพิกเซลน้อยกว่า มีสัญญาณรบกวนมากกว่า ความไวน้อยกว่า และมีราคาแพงกว่าต่อพิกเซลเมื่อเทียบกับคู่หูชัตเตอร์แบบโรลลิ่ง การแลกเปลี่ยนนี้คุ้มค่าเฉพาะเมื่อต้องการจับการเคลื่อนไหวเร็วอย่างชัดเจน

4.6.4. ควรใช้ประเภทใด

ประเภทชัตเตอร์เป็นคุณสมบัติฮาร์ดแวร์ของเซนเซอร์ ไม่ใช่การตั้งค่าซอฟต์แวร์ การเลือกทำเมื่อออกแบบกล้อง

ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งเหมาะสมเมื่อ:

• ฉากนิ่งหรือเคลื่อนที่ช้า

• แอปพลิเคชันสามารถยอมรับความเบี้ยวได้บ้าง (การถ่ายภาพส่วนใหญ่และงานส่วนติดต่อผู้ใช้ส่วนใหญ่)

• ลำดับความสำคัญคือต้นทุนและความละเอียดต่อดอลลาร์

ชัตเตอร์แบบโกลบอลเป็นตัวเลือกที่ถูกต้องเมื่อ:

• ฉากมีการเคลื่อนไหวเร็วที่ต้องการจับอย่างชัดเจน (หุ่นยนต์, โดรน, การตรวจสอบสายพานลำเลียง)

• กล้องเองสั่นสะเทือนหรือเคลื่อนที่สัมพันธ์กับฉากนิ่ง

• ภาพถูกป้อนเข้าสู่อัลกอริทึมการมองเห็นที่สมมติว่าแต่ละเฟรมเป็นช่วงเวลาเดียว (ไปป์ไลน์การประมาณท่าทางและการสร้างโครงสร้างจากการเคลื่อนไหวส่วนใหญ่)

Note

สายผลิตภัณฑ์ OpenMV Cam ใช้เซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโกลบอลเป็นค่าเริ่มต้นสำหรับการใช้งานการมองเห็นของเครื่อง ซึ่งความพร่ามัวของการเคลื่อนไหวบนวัตถุที่เคลื่อนที่ (หรือกล้องที่เคลื่อนที่) จะทำลายการตรวจจับและติดตามในขั้นตอนต่อไป โมดูลเซนเซอร์ชัตเตอร์แบบโรลลิ่งยังมีให้สำหรับแอปพลิเคชันที่คุณภาพภาพของฉากช้าหรือนิ่งสำคัญกว่าการแช่แข็งการเคลื่อนไหวเร็ว -- การจับภาพสไตล์ถ่ายภาพแบบคลาสสิก