4.6. Màn trập cuộn và màn trập toàn cầu

Cảm biến đọc lưới điểm ảnh hai chiều của mình từng ô một. Hai yếu tố trong quá trình đọc đó định hình ảnh chụp được: thứ tự quét các điểm ảnh, và cách cửa sổ phơi sáng của mỗi hàng khớp với quá trình quét theo thời gian. Yếu tố đầu tiên được quyết định bởi phần cứng silicon; yếu tố thứ hai có hai biến thể phổ biến quan trọng đối với các cảnh có chuyển động.

4.6.1. Thứ tự đọc

Các cảm biến thông thường bắt đầu từ điểm ảnh ở góc dưới bên trái, quét từ trái sang phải theo hàng đó, rồi chuyển lên hàng tiếp theo và quét từ trái sang phải một lần nữa, cứ tiếp tục như vậy cho đến khi kết thúc ở góc trên bên phải.

Mảng điểm ảnh được đọc bắt đầu từ điểm ảnh ở góc dưới bên trái, quét từ trái sang phải theo mỗi hàng, và tiến lên hàng tiếp theo giữa các hàng.

Thứ tự này không phải ngẫu nhiên. Thấu kính lật ngang và lật dọc cảnh vật khi chiếu lên cảm biến -- phần trên của cảnh nằm ở phần dưới cảm biến và phần bên trái của cảnh nằm ở phần bên phải cảm biến -- và quá trình đọc từ góc dưới bên trái rồi lên trên di chuyển qua cảm biến theo thứ tự hoàn tác cả hai lần lật đó, đưa các điểm ảnh vào bộ nhớ theo chiều đúng.

4.6.2. Màn trập cuộn

Trong cảm biến màn trập cuộn, mỗi hàng được phơi sáng và đọc lần lượt. Trong khi một hàng đang được đọc, hàng tiếp theo vẫn đang hoàn tất quá trình phơi sáng, hàng sau đó vừa mới bắt đầu, và cứ tiếp tục như vậy -- cửa sổ phơi sáng của mỗi hàng bị lệch nhẹ về thời gian so với hàng tiếp theo. Cửa sổ tích hợp của cảm biến cuộn qua khung hình theo thứ tự quét, và một lần quét đầy đủ mất toàn bộ thời gian của một khung hình.

Đối với các cảnh tĩnh điều này không thấy được. Đối với các cảnh có chuyển động nhanh, sự lệch thời gian biểu hiện dưới dạng méo nghiêng -- một vật thể di chuyển trong khoảng thời gian từ khi hàng đầu tiên được chụp đến khi hàng cuối cùng được chụp sẽ xuất hiện ở các vị trí khác nhau trong các hàng khác nhau của cùng một khung hình.

Một thanh dọc đang di chuyển sang phải, được chụp bởi từng loại màn trập. Màn trập cuộn làm nghiêng thanh vì phần trên của khung hình được đọc vào một thời điểm khác so với phần dưới; màn trập toàn cầu đóng băng thanh tại một thời điểm duy nhất.

Màn trập cuộn là thiết kế rẻ hơn. Vì mỗi hàng được đọc ngay sau khi hoàn tất phơi sáng, mạch điện của điểm ảnh không cần bộ lưu trữ có che chắn riêng cho từng điểm ảnh để giữ giá trị trong suốt quá trình đọc toàn bộ cảm biến. Các transistor tiết kiệm được nhường diện tích lớn hơn cho photodiode, điều này trực tiếp chuyển thành độ nhạy cao hơn và ít nhiễu hơn với cùng kích thước điểm ảnh vật lý. Hầu hết các cảm biến hình ảnh tiêu dùng đều dùng màn trập cuộn vì lý do này.

4.6.3. Màn trập toàn cầu

Trong cảm biến màn trập toàn cầu, mọi điểm ảnh đều bắt đầu phơi sáng tại cùng một thời điểm và kết thúc tại cùng một thời điểm. Điện tích được thu thập sau đó được chuyển vào vùng lưu trữ có che chắn trên điểm ảnh, và quá trình đọc từng hàng xảy ra từ đó. Khung hình được chụp đại diện cho một khoảnh khắc trong thời gian, bất kể cảnh vật di chuyển nhanh như thế nào.

Màn trập toàn cầu tốn nhiều diện tích silicon hơn, và chi phí đó ảnh hưởng đến photodiode. Giữ giá trị của mọi hàng trong suốt quá trình đọc toàn bộ cảm biến cần thêm một ô lưu trữ có che chắn trên mỗi điểm ảnh cùng với các transistor ngăn cách nó khỏi photodiode -- diện tích mà lẽ ra thuộc về chính photodiode đó. Một photodiode nhỏ hơn thu được ít photon hơn mỗi đơn vị thời gian, do đó điểm ảnh màn trập toàn cầu kém nhạy hơn so với điểm ảnh màn trập cuộn có kích thước tương đương. Cùng một cảnh vật cần thời gian phơi sáng lâu hơn hoặc độ khuếch đại cao hơn để ghi lại ở cùng độ sáng, và mạch điện bổ sung làm tăng nhiễu đọc thêm một chút.

Thuế khác nằm ở ngân sách phơi sáng. Trong cảm biến màn trập cuộn, quá trình phơi sáng của mỗi hàng chồng lên với quá trình đọc của các hàng lân cận, vì vậy mỗi hàng có thể tích hợp ánh sáng trong gần như toàn bộ thời gian của một khung hình. Trong màn trập toàn cầu, quá trình đọc không thể bắt đầu cho đến khi mọi hàng đều hoàn tất phơi sáng, vì vậy ở một tốc độ khung hình nhất định, thời gian phơi sáng tối đa là thời gian khung hình trừ đi toàn bộ thời gian đọc. Ở cùng tốc độ khung hình, điểm ảnh màn trập cuộn nhận được nhiều ánh sáng hơn cho mỗi khung hình.

Những chi phí này cộng dồn lại: cảm biến màn trập toàn cầu có số lượng điểm ảnh ít hơn, nhiều nhiễu hơn, kém nhạy hơn, và đắt hơn mỗi điểm ảnh so với cảm biến màn trập cuộn tương đương. Sự đánh đổi chỉ xứng đáng khi cần chụp rõ ràng các chuyển động nhanh.

4.6.4. Khi nào dùng loại nào

Loại màn trập là thuộc tính phần cứng của cảm biến, không phải là cài đặt phần mềm. Lựa chọn được thực hiện khi camera được thiết kế.

Màn trập cuộn phù hợp khi:

• cảnh vật tĩnh hoặc di chuyển chậm;

• ứng dụng có thể chấp nhận một chút méo nghiêng (hầu hết chụp ảnh thông thường và hầu hết công việc giao diện người dùng);

• chi phí và độ phân giải trên mỗi đô-la là ưu tiên hàng đầu.

Màn trập toàn cầu là lựa chọn đúng khi:

• cảnh vật chứa chuyển động nhanh cần được chụp rõ ràng (robot, thiết bị bay không người lái, kiểm tra băng chuyền);

• bản thân camera đang rung hoặc di chuyển so với cảnh tĩnh;

• ảnh được đưa vào thuật toán thị giác giả định mỗi khung hình là một thời điểm đơn lẻ (hầu hết các pipeline ước lượng tư thế và tái cấu trúc cấu trúc từ chuyển động).

Ghi chú

Dòng OpenMV Cam mặc định sử dụng cảm biến màn trập toàn cầu cho mục đích thị giác máy, nơi mà nhòe chuyển động trên đối tượng đang di chuyển (hoặc camera đang di chuyển) làm hỏng quá trình phát hiện và theo dõi ở downstream. Các module cảm biến màn trập cuộn cũng được cung cấp cho các ứng dụng nơi chất lượng ảnh của cảnh chậm hoặc tĩnh quan trọng hơn việc đóng băng chuyển động nhanh -- kiểu chụp ảnh truyền thống.