Jak globální fotoaparáty se závěrkou eliminují rozmazání pohybem u rychle{0}}pohybujících se objektů

Zavedení
V rychle se vyvíjejícím prostředí digitálního zobrazování, počítačového vidění a průmyslové automatizace je zachycování-rychlé akce s nedotčenou čistotou zásadní výzvou. Ať už je systém navržen tak, aby kontroloval tisíce mikroskopických desek plošných spojů řítících se po dopravním pásu v továrně, vedl autonomní dron proplétající se složitými překážkami nebo analyzoval-sekundovou mechaniku olympijského sprintera, přesnost dat závisí výhradně na kvalitě pořízeného snímku. Pokud jeden snímek obsahuje rozmazání, zkreslení nebo geometrické deformace, následné algoritmy počítačového vidění nemohou data správně zpracovat, což vede k selhání systému, nepřesným měřením nebo chybám.
Mnoho lidí si všimlo bizarních artefaktů, ke kterým dochází při zachycování-rychlostního pohybu standardním chytrým telefonem nebo komerční bezzrcadlovkou. Otáčející se rotorové listy vrtulníku se mohou zdát oddělené od letadla a ohýbají se do nepřirozených, zakřivených tvarů připomínajících bumerangy. Golfová hůl zamrzlá uprostřed švihu může vypadat nevysvětlitelně gumově, nebo vysokorychlostní vlak jedoucí vodorovně přes rám může vypadat nakloněný dopředu v nepřirozeném úhlu. Tyto vizuální anomálie nejsou optickými klamy způsobenými čočkou, ani se nejedná o chyby fyzického objektu samotného. Namísto toho jsou přímým vedlejším produktem architektury senzorů známé jako roleta.
K překonání těchto do očí bijících omezení spoléhají inženýři a vědci v oblasti zraku na zcela odlišnou metodu snímání obrazu. Využití vysoce-výkonné kamery Global Shutter je definitivním průmyslovým řešením pro zachování strukturální pravdy ve vysokorychlostních-prostředích. Technologie globální závěrky díky přepracování-způsobu, jakým digitální snímač vzorkuje světlo v průběhu času, zaručuje, že každý jednotlivý pixel v celé matrici snímače zaznamená scénu v přesně stejnou mikrosekundu. Tento zásadní architektonický posun eliminuje rozmazání pohybu a strukturální zkreslení a poskytuje mimořádně-ostré, časově konzistentní snímky potřebné pro pokročilou moderní automatizaci a analytickou vědu.
Mechanika zachycování obrazu: Rolling vs. Global Shutter
Abychom ocenili, jak globální závěrka dosahuje dokonalé čistoty, musíme ji porovnat s provozní mechanikou všudypřítomného snímače rolovací závěrky. Většina moderních komplementárních kovových-oxidových-polovodičových (CMOS) senzorů využívá mechanismus rolovací závěrky především proto, že je vysoce nákladově{3}}efektivní na výrobu a poskytuje vynikající výkon ve statickém nebo pomalém{4}}pohybu.
Když snímač rolovací závěrky provede expozici, nezachytí celou scénu najednou. Místo toho aktivuje horní řadu pixelů na snímači, umožní jim akumulovat světlo po určenou dobu expozice a načte tato data. Poté se sekvenčně přesune do druhého řádku, třetího řádku a tak dále a pohybuje se po řádcích-po{3}}řádcích dolů, dokud nedosáhne spodního řádku matice senzoru. I když doba expozice pro každý jednotlivý řádek může být neuvěřitelně krátká-možná 1 $/8000 $ za sekundu-, celková doba potřebná k naskenování celého senzoru odshora dolů (známá jako doba čtení snímku) je výrazně delší a často trvá od desítek do stovek milisekund.
Toto sekvenční čtení vytváří časové zpoždění mezi horní a spodní částí obrazu. Pokud je objekt zcela nehybný, toto zpoždění není vidět. Pokud se však objekt pohybuje vysokou rychlostí v zorném poli, zatímco senzor skenuje směrem dolů, objekt fyzicky změní svou prostorovou polohu v době, kdy senzor dosáhne spodních řad. Horní řádky zachycují objekt tam, kde byl, zatímco spodní řádky zachycují objekt, kde je nyní. Tento nesoulad v čase a prostoru má za následek vážné geometrické zkreslení.
Kamera Global Shutter tento problém řeší tím, že zcela eliminuje časové zpoždění. Pixelová architektura snímače globální závěrky je zásadně propracovanější. Namísto postupné aktivace řad řídicí obvody aplikují puls elektronické závěrky na každý jednotlivý pixel na snímači současně. Všechny pixely začnou hromadit fotony v přesně stejný okamžik a všechny pixely přestanou exponovat v přesně stejný okamžik.
Jakmile expozice skončí, nahromaděný elektrický náboj v každém pixelu se okamžitě přenese do vyhrazeného, ​​světlem{0}}stíněného úložného uzlu umístěného přímo uvnitř nebo bezprostředně vedle každého jednotlivého pixelu. Jakmile jsou data bezpečně uzamčena uvnitř těchto uzlů úložiště, může snímač číst obraz po řádcích -po řádcích{3}} bez jakéhokoli rizika zkreslení, protože dočasný snímek již byl dokonale stejnoměrně zmrazen v celém prostorovém poli.
Eliminace zkreslení: Vysvětlení artefaktů rolovací závěrky
Strukturální rozdíl mezi mechanismy rolování a globálními závěrkami se projevuje přímo v tom, jak zacházejí s objekty s vysokou rychlostí-. Při práci s rychle se-pohybujícími se objekty představují kamery s rolovací závěrkou řadu předvídatelných, destruktivních obrazových artefaktů, které zcela narušují věrnost dat.
Jello efekt a vysokofrekvenční-vibrace
Když je zobrazovací systém namontován na platformě, která zažívá intenzivní,-vysokofrekvenční vibrace-, jako je dron poháněný kvadrotory nebo kamera přišroubovaná k průmyslovému lisovacímu stroji-, senzory rolovací závěrky vytvářejí artefakt, hovorově známý jako „efekt želé“. Protože kamera rychle vibruje nahoru, dolů, doleva a doprava, zatímco snímač skenuje řádek-po{5}}řádku, různé řady se posouvají v alternativních směrech. Zdá se, že výsledný snímek videa se kroutí, chvěje a vlní jako želatina. To prakticky znemožňuje softwaru pro stabilizaci obrazu nebo automatizovaným sledovacím algoritmům zaměřit se na cíl, protože rovné okraje světa se neustále ohýbají. Fotoaparát s globální závěrkou to zcela eliminuje; protože je zachycen celý snímek najednou, vibrace mají za následek pouze rovnoměrné, mírné prostorové posunutí celého obrazu napříč snímky, které lze snadno vypočítat a opravit pomocí softwaru.
Překroutit a zakolísat
Když se objekt pohybuje vodorovně přes rám rolovací rolety extrémní rychlostí, svislé struktury-jako jsou telefonní sloupy, budovy nebo plotové sloupky-jako by se dramaticky nakláněly na jednu stranu. Tomu se říká prostorové zkreslení. Úhel náklonu je přímo úměrný rychlosti objektu vzhledem k rychlosti skenování senzoru. U automatických snímačů čárových kódů nebo autonomních vozidel, která se snaží identifikovat dopravní značky, může toto zkosení změnit zdánlivý tvar geometrických značek a zabránit softwaru v rozpoznání důležitých dat. Globální senzory závěrky zcela postrádají zkreslení; vertikální sloupek zůstává bezchybně vertikální, bez ohledu na to, zda se kolem něj kamera pohybuje rychlostí devadesát mil za hodinu.
Základní aplikace: Kde je technologie globální závěrky zásadní
Díky své schopnosti zachytit absolutní strukturální pravdu bez časových artefaktů jsou kamery s globální závěrkou preferovanou volbou v širokém spektru-kritických průmyslových a vědeckých odvětví.
Automatizace továren a strojové vidění
V moderních inteligentních továrnách závisí produktivita do značné míry na systémech automatizované optické kontroly (AOI). Položky se pohybují po výrobních linkách závratnou rychlostí. Například ve vysokorychlostních stáčírnách-projdou každou minutu tisíce kontejnerů kamerovým kontrolním stanovištěm. Systém strojového vidění musí okamžitě ověřit úrovně naplnění, zkontrolovat zarovnání štítků, zkontrolovat mikroskopické praskliny ve skle a přečíst vytištěné alfanumerické kódy šarže.
Pokud by se zde použila kamera s rolovací závěrkou, rychle se{0}}pohybující lahve by vypadaly pokřivené nebo rozmazané, takže čtení čárových kódů a metriky-detekce okrajů by byly zcela zbytečné. Díky integraci Global Shutter Camera spárované s vysoce-zábleskovým LED osvětlením inspekční systém zmrazí pohyb každé láhve s ostrou ostrostí- břitvy, což softwaru pro kontrolu kvality umožňuje provést rozhodnutí o vyhovění/neúspěchu s přesností pod-milimetrovou přesností bez zpomalení montážní linky.
Autonomní vozidla a robotická navigace
U samořídících automobilů, robotů pro doručování do skladů a bezpilotních letounů (UAV) se vizuální mapování a navigace do značné míry spoléhají na technologii zvanou Visual SLAM (Simultaneous Localization and Mapping). Tyto systémy využívají kamery ke sledování orientačních bodů v okolním prostředí a vypočítávají přesnou rychlost a polohu robota ve 3D prostoru.
Pokud kamera při náhlé zatáčce nebo na nerovném terénu zaznamená zkosení rolovací závěrky nebo jello artefakty, algoritmy SLAM špatně spočítají vzdálenost ke stěnám, dveřím nebo chodcům. Takové prostorové chybné výpočty mohou být katastrofální. Technologie globální závěrky zajišťuje, že prostorová geometrie prostředí zůstává dokonale tuhá a přesná a poskytuje mozkům autonomní navigace spolehlivá data pro udržení bezpečnosti a efektivity cesty.
Sportovní věda a sledování míče
V profesionálním sledování sportů-, jako jsou automatické systémy používané v tenise k určení, zda míček dopadl na -mezi, nebo golfové simulátory analyzující úhly odpalu-, jsou použité rychlosti obrovské. Hlava tenisového míčku nebo golfové hole může snadno překročit sto padesát mil za hodinu. Zobrazení těchto objektů vyžaduje zmrazení projektilu, který se během standardního skenování rolovací závěrky pohne o několik palců. Globální senzory závěrky zachycují dokonale kulový míč v letu, což umožňuje přesné sledování jeho trajektorie, osy rotace a profilu rychlosti pro přenosovou grafiku a sportovní trénink.
Technické kompromisy-a technické inovace
Vzhledem k ohromným výhodám technologie globálních závěrek ve vysokorychlostních-scénářích by se člověk mohl divit, proč se rolovací závěrky vůbec používají. Důvod pramení ze složitých technických-odchodů nutných k návrhu globálního pixelu závěrky.
Protože pixel globální závěrky musí obsahovat nejen fotodiodu -citlivou na světlo, ale také analogový uzel úložiště a další řídicí tranzistory pro řízení současného přenosu náboje, je vnitřní architektura každého pixelu neuvěřitelně přeplněná. Tento „realitní“ konflikt představuje velkou výzvu pro konstruktéry senzorů. U standardního snímače rolovací závěrky je téměř celá plocha pixelu věnována shromažďování světla. U staršího snímače globální závěrky musela být značná část plochy pixelu obětována, aby se uvolnilo místo pro úložnou elektroniku.
Tím se snížil faktor vyplnění pixelu-jeho schopnost shromažďovat fotony. V důsledku toho první fotoaparáty s globální závěrkou trpěly nižší kvantovou účinností, zvýšeným časovým šumem a sníženým dynamickým rozsahem ve srovnání s jejich protějšky s rolovací závěrkou. K vytvoření čistého obrazu vyžadovaly podstatně více okolního světla a jejich výkon v prostředí s vysokým-kontrastem byl omezený.
Naštěstí polovodičový průmysl učinil obrovský pokrok ve zmírňování těchto omezení prostřednictvím pokročilých strukturálních inovací. Hlavním z nich je vývoj Back-Illuminated (BSI) Stacked CMOS senzorů. U tradičního předního- osvětleného senzoru jsou kovové kabely a úložné uzly umístěny na horní straně fotodiody a blokují část příchozího světla. Architektura BSI převrátí senzor vzhůru nohama a umístí fotodiodu shromažďující světlo-na samý vrchol struktury pixelů, zatímco všechny složité obvody globálního úložiště závěrky a tranzistory jsou pohřbeny pod ní.
Kromě toho moderní vrstvená{0}}výroba matric umožňuje návrhářům senzorů zcela oddělit pole pixelů od obvodů digitálního zpracování a umístit je na dva odlišné křemíkové destičky spojené dohromady. Tento design umožňuje pixelům zachovat si maximální faktor vyplnění a velkou plnou -kapacitu studny a zároveň těžit z okamžité globální kontroly expozice. Díky těmto inovacím se moderní fotoaparáty s globální závěrkou mohou pochlubit dynamickými rozsahy a nízkými-výkonnostními parametry, které se velmi podobají systémům rolovacích závěrek, a otevírají tak nové možnosti pro nasazení ve vysokém-rozlišení a-rychlosti.
Závěr
V oblasti vysokorychlostního{0}}digitálního zobrazování je volba mezi rolovací a globální architekturou závěrky v konečném důsledku volbou mezi aproximací a přesností. Rolovací závěrka zůstává vysoce efektivní a ekonomickou volbou pro běžné fotografování, filmovou produkci videa a statické monitorování, kde se upřednostňuje umělecký vkus a vysoké rozlišení před přesným načasováním. Když se však objekty začnou rychle pohybovat, metoda sekvenčního skenování -po{4}}po řádcích degraduje fyzickou pravdivost scény a způsobuje zkreslení, zkreslení a vibrace, které činí vizuální data nespolehlivými.
Vývoj fotoaparátu Global Shutter Camera představuje zásadní triumf inženýrství v časové -doméně nad prostorovým zkreslením. Sjednocením expozičního okna v milionech jednotlivých pixelů současně tato technologie zajišťuje, že se čas zcela zastaví v celém rámečku snímače. Výsledné snímky si zachovávají absolutní geometrickou pravdivost, zachovávají ostré, rovné hrany pohybujících se komponent, dokonalé koule vysokorychlostních projektilů a stabilní snímky potřebné pro autonomní navigaci.
S tím, jak se průmyslová automatizace zrychluje, robotika se stává autonomnější a systémy počítačového vidění jsou integrovány do všech aspektů moderní infrastruktury, bude poptávka po nekompromisním-zobrazování bez rozmazání{0}}jen zesílit. S podporou špičkového-vývoje v architektuře vrstvených senzorů se zadním osvětlením{3} budou kamery s globální závěrkou nadále sloužit jako kritický optický základ pro automatizovanou inteligenci, která zajistí, že stroje budou moci vidět, analyzovat a reagovat na náš rychle se{4}}pohybující se svět s bezchybnou přesností.