kontakt kamery@atesystem.cz
kontakt +420 595 170 472

Globální a rolující závěrka

Vytvořil:

Tomáš Gřeš

Popis principů fungování globální závěrky (global shutter) a rolující závěrky (rolling shutter)

Technologie snímacích čipů CCD a CMOS se liší v architektuře a ve způsobu, jakým sbírají, připravují a zpracovávají informace, což má vliv na kvalitu obrazu a rychlost snímání. Typ závěrky ovlivňuje, jak se zachycují obrazová data, tzn. jak jednotlivé pixely přijímají fotony a převádí je na elektrony.

1. Základní koncept závěrek

 V klasické filmové kameře chrání závěrka film před světlem a otevírá se jen, když se zmáčkne tlačítko spouště. Nastavení rychlosti závěrky určuje, jak dlouho bude otevřená, čímž se film vystaví optimální "dávce" světla. Pokud je expoziční čas příliš krátký, pak jsou snímky podexponované a naopak, pokud je příliš dlouhý, pak jsou fotografie přeexponované.

V dnešní době film nahradily snímače, avšak principy expozice zůstávají stále stejné. Už není potřeba, aby závěrka byla mechanická, ale na moderních čipech funguje elektronicky. Funguje to takto: Na fotocitlivé buňky neustále dopadá světlo, proto se na začátku expozice vyprázdní, a po ukončení expozice se nashromážděný náboj změří - buňka se tzv. přečte.

Každý obraz se skládá z velkého množství horizontálních řádků, přičemž každý řádek obsahuje fotocitlivé buňky, kterým říkáme pixely. Vlastní počet pixelů pak určuje rozlišení snímače. Existují dvě základní metody, jak vystavit řádky světlu: globální nebo rolující závěrka.

2. Expozice pomocí globální závěrky (Global Shutter)

Expozice v režimu centrální závěrky začíná a končí pro všechny pixely zároveň

Centrální závěrka pracuje na stejném principu jako standardní clona filmové kamery. Závěrka se otevře, světlo dopadne na povrch snímače - na všechny řádky najednou - a pak se závěrka uzavře.

Název ”globální” se v tomto případě odkazuje na jednorázovou expozici celého povrchu, při které se najednou zachytí celý obraz. Tento princip závěrky byl dlouho dostupný pouze u CCD snímačů a byl považován za technologii vhodnou pro rychle se pohybující objekty. Moderní CMOS snímače již disponují centrální závěrkou, což je užitečné zejména v aplikacích s vyšší snímkovou frekvencí při vysokém rozlišení.

3. Expozice pomocí rolující závěrky (Rolling Shutter)

 Rotující uzávěrka - postupná expozice jednotlivých řádků

Expozici pomocí rolující závěrky využívají především levné CMOS snímače, jako máte třeba ve svém mobilním telefonu. Na rozdíl od centrální závěrky zde nedochází k "jedné" souběžné expozici, ale spíše k sérii expozic. Při zmáčknutí spouště jsou řádky vystavovány expozici postupně, řádek po řádku. To může v určitých případech způsobit překrývání.

Jakmile je ukončena expozice posledního řádku fotografie, opakuje se stejný proces pro nový obraz od prvního řádku. Metoda rolující závěrky potřebuje jen dva tranzistory na pixel, což ve výsledku vytvoří méně tepla a výrazně nižší úroveň šumu než při použití centrální závěrky. Ta naopak potřebuje 4 až 5 tranzistorů, které produkují relativně více tepla a šumu. Rolující závěrka však zejména pro pohybující se objekty vytváří zkreslení, které pro některé aplikace může přesáhnout přijatelnou mez. Díky jednoduššímu designu jsou snímače s rolující závěrkou výrazně levnější, a proto se masívně používají ve spotřební elektronice.

4. Efekt rolující závěrky a jeho dopad

Zkreslení se zpravidla objeví, když se objekt nebo kamera během postupné expozice řádků pohybuje. Jakmile jsou nasnímána data z jednotlivých řádků, sestaví z nich se ve stejném pořadí výsledný obraz. Postupná expozice jednotlivých řádků je tak viditelná ve zkreslení, které vzniká sestavením obrazu. Tomu se říká efekt rolující závěrky. Kromě doby expozice je dalším důležitým faktorem i rychlost snímače. Ta určuje, jak rychle se řádky otevřou a zase zavřou. Rychlý snímač při frekvenci 60 snímků za vteřinu (fps) efektem rolující závěrky trpí méně než pomalejší snímač, který zvládne jen 15 fps.

Žlutý řádek zobrazuje průběh expozice od prvního řádku obrazu po poslední. Vrtule se během expozice otočila celkem čtyřikrát.

Při sestavování výsledného obrázku z exponovaných řádků je viditelné zkreslení, které vzniklo pohybem vrtule v důsledku postupné expozice řádků.

Spotřebitelé jsou takovýmto zkreslením obvykle překvapeni a pobaveni, ale v případě průmyslového využití strojového vidění nebo bezpečnostních IP kamer se může jednat o velký problém. Monitorování tak může skončit s obrazy natolik zkreslenými, že nemohou být použity jako důkaz. Bezpečnostní kamery jsou dnes běžnou součástí moderního života: banky, veřejné budovy, akce, kasina, sledování dopravy - všude tam, kde se shromažďují davy lidí. Lidé a dopravní prostředky se pohybují různou rychlostí. Čím nižší rychlost, tím menší pravděpodobnost efektu rolující závěrky. V tom případě kombinace snímkové frekvence a expozicí určuje, co je dostatečně pomalé a co už je příliš rychlé pro efektivní zachycení. Například monitorovací systémy v kasinech pro vytvoření série snímků kombinují vysokou snímkovou frekvenci s krátkou dobou expozice, čehož lze využít při odhalování podvodů.

Ukázky efektu rotující závěrky (Wikipedie)

V případě monitorování dopravy je situace o něco komplikovanější. Snížit efekt rolující závěrky na tolerovatelnou mez může být v závislosti na pozici kamery vůči objektu, zvolené snímkové frekvenci a době expozice velmi obtížené. Pokud je zvolena velice krátká doba expozice (např. 1/2000s), bude v obrázku větší zkreslení než při zpracování větší části pohybu v případě dlouhé expozice. Čas snímače a kamery potřebný k zachycení obrazu po jednotlivých řádcích nemusí být dostatečně rychlý na to, aby udržel krok s pohybujícím se dopravním prostředkem. V tom případě je nutné při hodnocení obrazu počítat s určitým zkreslením. 


Centrální závěrka a standardní rozlišení

Rotující závěrka při standardním rozlišení

Rolující závěrka při standardním rozlišení

5. Znamená vyšší rozlišení automaticky i lepší kvalitu obrazu?

V žádném případě. V rozporu s obecným míněním nemusí vyšší rozlišení nutně vytvořit lepší obraz. Při průmyslovém využití strojového vidění je to například pravda jen z části, protože všechna data musí být jednotlivě zpracována a vykreslena. Vyšší rozlišení je obvykle spojeno s menší velikostí pixelu. Malé pixely mají nižší saturační kapacitu, která vede k horšímu poměru signál/šum a nižšímu dynamickému rozsahu.

Při použití, které nevyžaduje vysokou snímkovou frekvenci ani rozlišení, lze stále doporučit CCD snímače. Při rozlišení 1 - 2 megapixely a frekvenci 30 fps (1 MP/30 fps, 2 MP/15 fps), dokážou tyto snímače vytvořit obraz ve velmi dobré kvalitě i při omezeném osvětlení. Mezi ostatní přínosy lze lepší rozlišení barevných složek redukci šumu a větší citlivost ve viditelné oblasti spektra. CCD snímače také hrají důležitou roli při využití v mikroskopii a astronomii.

Oproti tomu CMOS snímače získávají na důležitosti tam, kde je nutné použít vysokou snímkovou frekvenci. CCD snímače s nimi při kombinaci 60 fps a 2 megapixelech kvůli nižší rychlosti snímání a mnohem vyšší produkci tepla nemohou držet krok.

6. Zamezení efektu rolující závěrky pomocí blesku a doby expozice

Efekt rolující závěrky lze obejít použitím blesku, pokud je to možné.

Kompenzace efektu rotující závěrky pomocí správného načasování blesku

 

Obrázek ukazuje kombinaci blesku a delší doby expozice. Čas expozice se adekvátně prodlouží tak, aby se expozice jednotlivých částí překrývala s dobou trvání blesku. Blesk je nastaven přesně na dobu tohoto překrytí. Některé kamery také obsahují digitální výstup, který může posílat signál externímu blesku.

V některých případech je možné ke korekci zkreslení rolující závěrky využít softwarová řešení, které obsahují speciální nástroje k tomu určené.

7. Souhrn

Výrobci snímačů mají stále větší zájem o trh průmyslového využití strojového vidění. Především CMOS technologie zaznamenala v posledních letech obrovské technologické skoky a podnikla zásadní kroky, aby dohnala silnou stránku CCD snímačů - kvalitu obrazu. Problémové oblasti CMOS snímačů jako jsou delší expoziční časy, kratší životnost produktu a zkreslení rolující závěrky byly buďto odstraněny, nebo jsou již tak nevýznamné, že nebrání jejich běžnému používání.

Hromadná výroba pro trh náročných zákazníků, kde jsou běžné chytré telefony s CMOS snímači a rolující závěrkou, tlačí vývoj stále dopředu. Někteří výrobci jsou dokonce schopni dodat snímače s více typy závěrek, mezi nimiž je možné se dle aktuální potřeby jednoduše přepínat. Jejich využití může být rozšířeno na celou řadu aplikací, od strojového vidění v průmyslu až po sledování, skenování čárových kódů a jiné zpracování obrazu. 

Zvýšená kvantová efektivita (poměr mezi počtem elektronů a fotonů, které se na nich shromažďují) a optimalizovaný poměr signál/šum umožňují i při špatném osvětlení vytvořit kvalitní obraz pohybujícího se objektu. A technologický pokrok ještě zdaleka není u konce. Zákazníci se mohou těšit jak na přísun technických novinek, tak na snížení cen. A to díky provedení a architektuře snímačů (dva tranzistory stojí méně než pět) a díky velkému množství vyráběných snímačů.

Článek byl převzat ze stránek firmy Basler. Originální článek naleznete zde.

Logo
Top