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Rolling versus Global shutter

Rolling versus Global shutter

Global Shutter wird für die Aufnahme von bewegten Objekten verwendet, während Rolling Shutter für die Aufnahme von Standbildern verwendet wird. Eine Rolling-Shutter-Kamera ist preiswerter, vor allem bei Auflösungen über 1,6 Megapixel. Eine 12-MP-Rolling-Shutter-Kamera kostet ca. 200 Euro, während eine 12-MP-Global-Shutter-Kamera ca. 1000 Euro kostet. Ein Global Shutter hat größere Pixel, also einen größeren Sensor als eine Rolling Shutter Kamera. Folglich ist eine Global-Shutter-Kamera lichtempfindlicher und erzeugt schärfere Bilder.

BELICHTUNG UND BLENDE

Die Belichtungszeit ist der Zeitraum, in dem sich der Verschluss öffnet und schließt. Während dieser Zeit belichtet das Licht den lichtempfindlichen Bereich des Chips und der lichtelektrische Effekt tritt auf, dann werden lichtelektrische Ladungen erzeugt. Durch die A/D-Wandlung wird der Graustufenwert jedes Pixels angezeigt. Unter einer bestimmten Lichtintensität ist das Bild umso heller, je länger der Verschluss geöffnet ist und je länger die Belichtungszeit ist. Eine lange Belichtungszeit kann die Flugbahn von sich langsam bewegenden Objekten auf einem Bild zeigen, und eine kurze Belichtungszeit kann Dinge genauer aufzeichnen.
Mit der Entwicklung der Technologie wich der Film allmählich dem Chip, und auch die Steuerungsmethode des Verschlusses ändert sich allmählich von der mechanischen Steuerung zur elektrischen Steuerung. Bei der elektrischen Steuerung beginnt eine neue Belichtung, wenn die Ladung der Fotoeinheit vollständig entladen ist, und wenn die Ladung der Fotoeinheit abgeführt ist, endet die Belichtung.

Beim Global-Shutter-CCD/CMOS-Sensor startet und beendet die Kamera die Belichtung aller Pixel eines Bereichs gleichzeitig. Aber für die Rolling-Shutter-CMOS-Sensoren belichtet die Kamera nur eine Zeile auf einmal, dann die zweite Zeile usw., sie lesen eine Zeile nach der anderen aus, bis sie die nächste Zeile lesen, hat sich das Objekt bewegt.

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DAS FUNKTIONSPRINZIP VON GLOBAL SHUTTER UND ROLLING SHUTTER

Ein kompletter Belichtungsvorgang ist in 4 Stufen unterteilt: Reset, Integration, Speichern und Auslesen. Wie in der folgenden Abbildung 3 dargestellt:

  • Reset-Timing: auch Shutter-Timing genannt, in dieser Phase wird die Ladung in der fotoelektrischen Einheit gelöscht und sichergestellt, dass der elektronische Shutter geöffnet wird
  • Integrationszeitpunkt: auch Belichtungszeitpunkt genannt, in dieser Phase findet die fotoelektrische Umwandlung statt und die Fotoelektronen werden erzeugt
  • Speicherbetrieb: in dieser Phase werden die Fotoelektronen aus der Fotozelle verschoben
  • Auslesezeitpunkt: in dieser Phase werden die Pixeldaten ausgelesen

 
Der Unterschied zwischen Global Shutter und Rolling Shutter besteht darin, ob das Timing der Belichtung in den verschiedenen Zeilen des Bildes exakt gleich ist.

 
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GLOBAL SHUTTER

Wie in der folgenden Abbildung 4 dargestellt: Im Global-Shutter-Modus beginnt und beendet jedes Pixel im Sensor die Belichtung gleichzeitig, daher wird eine große Menge an Speicher benötigt, das gesamte Bild kann nach Beendigung der Belichtung im Speicher abgelegt und nach und nach ausgelesen werden. Der Herstellungsprozess des Sensors ist relativ komplex und der Preis ist relativ hoch, aber der Vorteil ist, dass er schnell bewegende Objekte ohne Verzerrung erfassen kann und die Anwendungsmöglichkeiten sind umfangreicher.

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ROLLING SHUTTER

Im Rolling-Shutter-Modus werden verschiedene Zeilen des Bereichs zu unterschiedlichen Zeiten belichtet, während die ausgelesene "Welle" den Sensor durchläuft, wie in der folgenden Abbildung 5 dargestellt: Die erste Zeile wird zuerst belichtet, und nach einer Auslesezeit beginnt die zweite Zeile mit der Belichtung, und so weiter. So wird jede Zeile ausgelesen und dann kann die nächste Zeile ausgelesen werden. Der Rolling-Shutter-Sensor benötigt pro Pixeleinheit nur zwei Transistoren für den Elektronentransport, daher entsteht weniger Wärmeentwicklung und geringes Rauschen. Im Vergleich zum Global-Shutter-Sensor ist die Struktur des Rolling-Shutter-Sensors einfacher und kostengünstiger, aber da nicht jede Zeile gleichzeitig belichtet wird, kommt es bei der Aufnahme von sich schnell bewegenden Objekten zu Verzerrungen.

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1. WO SIND DIE PROBLEME?

Der Unterschied in der Bildgebung zwischen Global-Shutter-Sensor und Rolling-Shutter-Sensor zeigt sich hauptsächlich in der dynamischen Bildaufnahme:

  • Bei der Aufnahme von sich schnell bewegenden Objekten kommt es im Rolling-Shutter-Modus leicht zu Verzerrungen, wie in der folgenden Abbildung 6 zu sehen ist: Bei der Aufnahme des schnell laufenden Ventilators sind die Bilder des Global-Shutter-Sensors und des Rolling-Shutter-Sensors jeweils im linken und rechten Bild zu sehen, das linke Bild kann die Form des Ventilatorflügels perfekt wiedergeben, aber auf dem rechten Bild ist er deformiert.
  • Bei der Aufnahme von Objekten mit Helligkeitsschwankungen können im Rolling-Shutter-Modus horizontale Streifen mit ungleichmäßiger Helligkeit auftreten, wie in der folgenden Abbildung 7 gezeigt: Bei einer Belichtungszeit von 5 ms und der Aufnahme von Innenraumobjekten unter der Leuchtstofflampe (Objektiv abgenommen) mit dem Global-Shutter-Sensor bzw. dem Rolling-Shutter-Sensor weist das rechte Bild deutliche Wasserrillen im Hintergrund auf, während der Hintergrund des linken Bildes relativ gleichmäßig ist. Dies liegt daran, dass die Frequenz der Leuchtstofflampe 50 Hz beträgt, die Periode 10 ms (eine Periode des absoluten Werts), die Belichtungszeit 5 ms kann in den helleren Bereich fallen und kann auch in den dunkleren Bereich fallen, für den Rolling-Shutter-Sensor belichtet jede Zeile des Arrays zu unterschiedlichen Zeiten, daher erscheinen helle und dunkle Streifen im Bild, während für den Global-Shutter-Sensor, bei dem alle Zeilen im Sensor gleichzeitig belichtet werden, keine Streifen erscheinen.

 
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2. WARUM PASSIERT DAS?

Die folgende Bildsequenz zeigt den Abbildungsvorgang eines Rolling-Shutter-Sensors, der einen laufenden Hund aufnimmt. Der Hund läuft von rechts nach links, wenn die erste Zeile mit der Belichtung beginnt, tritt der Kopf des Hundes gerade in das Bilden ein, und wenn die letzte Zeile mit der Belichtung beginnt, ist der Hund fast aus dem Bild heraus gelaufen, jede Zeile wird zu einer anderen Zeit belichtet, während der Hund jeweils an einer anderen Position ist. Dadurch zeigt das endgültige Bild einen "geteilten" Hund.

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3. WIE KANN DAS VERHINDERT WERDEN?

Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit nicht so groß ist und die Helligkeit langsam variiert wird, hat das oben beschriebene Problem kaum Auswirkungen auf das Bild. Normalerweise ist die Verwendung eines Global-Shutter-Sensors anstelle eines Rolling-Shutter-Sensors die einfachste und effektivste Methode bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Bei einigen kosten- oder geräuschempfindlichen Anwendungen oder wenn der Benutzer aus anderen Gründen einen Rolling-Shutter-Sensor verwenden muss, kann er jedoch einen Blitz verwenden, um die Auswirkungen zu mildern.
 
Wie in der folgenden Abbildung 9 dargestellt, ist der Blitz das von der Kamera ausgegebene Blitzsignal. Wenn das Blitzsignal hoch ist, blinkt der Blitz (manchmal, wenn das Blitzsignal niedrig ist, blinkt der Blitz), wenn der Blitz blinkt, belichten alle Zeilen gleichzeitig, so dass das Bild keine Verzerrung aufweist.
 
Bei der Verwendung der Synchronblitzfunktion mit dem Rolling-Shutter-Sensor müssen einige Aspekte beachtet werden:

  • Wenn die Belichtungszeit zu kurz und die Auslesezeit zu lang ist, belichten nicht alle Zeilen überlappend, es wird kein Stroboskop-Signal ausgegeben und das Stroboskop blinkt nicht.
  • Wenn die Zeit des Stroboskopblitzes kürzer ist als die Belichtungszeit
  • Wenn die Ausgabezeit des Stroboskop-Signals zu kurz ist (μs-Pegel), kann die Leistung einiger Stroboskope nicht die Anforderungen des Hochgeschwindigkeitsschalters erfüllen, so dass das Stroboskop das Stroboskop-Signal nicht einfangen kann.
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    20-10-2020 15:34     Kommentare ( 0 )
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