Глобальный или скользящий затвор

Глобальный или скользящий затвор — базовый выбор при подборе камеры машинного зрения. Разница между ними в том, как сенсор экспонирует кадр: глобальный затвор (global shutter) экспонирует все пиксели одновременно, а скользящий (rolling shutter) — построчно, строка за строкой со сдвигом во времени. Для неподвижной сцены оба дают одинаковый результат; различие проявляется, когда объект или камера движутся. Ниже разобрано, чем отличается глобальный затвор от скользящего, какие искажения даёт rolling shutter, как это влияет на съёмку движущихся объектов и какой затвор выбрать, например для контроля деталей на конвейере.

Речь идёт об электронном затворе КМОП-сенсора (CMOS). Скользящий затвор проще и дешевле в реализации и потому распространён шире; глобальный затвор сложнее, но снимает движущийся объект без геометрических искажений. Правильный выбор определяется тем, движется ли объект в кадре и нужна ли точная геометрия для измерений.

Одновременная и построчная экспозиция

Разница между затворами — в способе набора и считывания заряда с матрицы.

• Глобальный затвор. Все пиксели начинают и заканчивают экспозицию одновременно. Накопленный заряд переносится во внутрипиксельный узел хранения, после чего кадр считывается построчно. Каждый кадр — это «снимок» одного мгновения.
• Скользящий затвор. Строки экспонируются и считываются последовательно: экспозиция каждой следующей строки начинается со сдвигом относительно предыдущей. Кадр оказывается «нарезан» по времени сверху вниз.

Глобальный затвор фиксирует всю сцену в один момент; скользящий собирает кадр строка за строкой, поэтому разные части кадра относятся к разным моментам времени.

Пока сцена неподвижна, а освещение постоянно, оба затвора дают идентичный результат. Различия возникают, как только движется объект, движется камера или резко меняется освещение за время считывания кадра.

Искажения скользящего затвора

Поскольку строки скользящего затвора экспонируются в разные моменты, движущийся объект успевает сместиться за время считывания кадра. Это порождает характерные геометрические искажения — так называемый эффект rolling shutter.

Геометрическое искажение (от построчного считывания) и смаз движения (от конечной выдержки) — разные явления. Глобальный затвор устраняет геометрическое искажение, но сам по себе не убирает смаз: чтобы «заморозить» быстрый объект, всё равно нужна короткая выдержка или импульсная (стробная) подсветка.

Съёмка движущихся объектов

Величина искажения скользящего затвора зависит от соотношения скорости объекта и времени считывания кадра: чем быстрее движение и чем дольше считывается кадр, тем сильнее смещение между верхними и нижними строками. Для задач измерения (метрология, позиционирование, контроль размеров) такое искажение недопустимо, поэтому здесь применяют глобальный затвор.

Глобальный затвор фиксирует форму и положение объекта корректно и синхронизируется с импульсной подсветкой на любой выдержке — все строки открыты одновременно, поэтому вспышка освещает весь кадр равномерно, без полос. Максимальная частота кадров при этом ограничена суммой выдержки и времени считывания.

Скользящий затвор для движущихся объектов тоже применим, но с оговорками. В затемнённом боксе короткий импульс подсветки уменьшает смаз, а для предсказуемого равномерного движения искажение иногда корректируют программно. Однако программная коррекция добавляет вычислительную нагрузку и надёжна не во всех сценариях, поэтому для промышленного измерения аппаратная точность глобального затвора предпочтительнее.

Технологии сенсоров и компромиссы

Различие затворов заложено в конструкции пикселя. Скользящий затвор реализуется на простом пикселе без узла хранения; глобальный требует внутрипиксельного узла хранения заряда, куда «замораживается» сигнал перед построчным считыванием. Отсюда — набор взаимных компромиссов.

У глобального затвора есть собственное слабое место — паразитная светочувствительность (parasitic light sensitivity, PLS): узел хранения может собирать «лишние» фотоны во время считывания. Способность затвора изолировать сохранённый заряд описывают параметром эффективности глобального затвора (global shutter efficiency). Современные КМОП-сенсоры с глобальным затвором заметно сократили исторический разрыв по светочувствительности и шуму.

Как выбрать затвор

Выбор сводится к вопросу: движется ли объект в кадре и нужна ли точная геометрия.

1. Оцените движение. Есть ли относительное движение объекта и камеры за время считывания кадра; какова скорость.
2. Определите требования к геометрии. Нужны ли точные размеры и положение (метрология) — тогда искажения недопустимы.
3. Учтите освещение. Планируется ли импульсная (стробная) подсветка или есть мерцающие источники.
4. Сопоставьте компромиссы. Разрешение, светочувствительность, частота кадров, стоимость — против устойчивости к движению.

Для типовой задачи контроля деталей на движущемся конвейере, где важна корректная форма и размеры объекта, выбирают глобальный затвор, как правило в паре со стробной подсветкой. Для статичных сцен или медленного движения в стабильных условиях достаточно скользящего затвора, который даёт выигрыш по разрешению, светочувствительности и стоимости.