Technical Knowledge

Rolling Shutter and Global Shutter

 

Exposure time คือช่วงเวลาของชัตเตอร์ตั้งแต่เปิดจนถึงปิด ในช่วงเวลาดังกล่าวแสงจะฉายบน Photosensitive array ของชิปและ Photoelectric Effect จะเกิดขึ้น จากนั้นจะเกิดประจุไฟฟ้าโดยการแปลงจาก Anslog เป็น Digital ค่าระดับสีเทา Grey Scale ของแต่ละพิกเซล Pixel จะแสดงขึ้นภายใต้ความเข้มของแสงที่กำหนด ยิ่งเปิดชัตเตอร์ไว้นานเท่าไร เวลาเปิดรับแสงก็จะยิ่งนานขึ้น การเปิดรับแสงเป็นเวลานานสามารถแสดงวิถีของวัตถุที่เคลื่อนไหวช้าบนภาพและเวลาเปิดรับแสงสั้นสามารถบันทึกสิ่งต่างๆ ได้แม่นยำยิ่งขึ้น

a long exposure

a short exposure

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีภาพยนตร์เรื่องนี้ค่อยๆ เปิดทางให้ชิป และวิธีการควบคุมของชัตเตอร์ก็เปลี่ยนจากการควบคุมเชิงกลเป็นการควบคุมด้วยไฟฟ้าทีละน้อย เมื่อใช้โหมดควบคุมไฟฟ้าการเปิดรับแสงใหม่จะเริ่มขึ้น เมื่อประจุของหน่วยโฟโตอิเล็กทริคหมดลงจนหมดและเมื่อถ่ายโอนประจุของหน่วยโฟโตอิเล็กทริคออกไป การเปิดรับแสงจะสิ้นสุดลง

สำหรับเซ็นเซอร์ CCD / CMOS Global-shutter

กล้องจะเริ่มและหยุดการเปิดรับพิกเซลทั้งหมดในอาร์เรย์พร้อมกัน แต่สำหรับเซ็นเซอร์ CMOS แบบ rolling-shutter จะเปิดรับทีละบรรทัดเท่านั้น จากนั้นไปยังบรรทัดที่สอง เป็นต้น โดยจะอ่านทีละบรรทัด เมื่ออ่านบรรทัดถัดไปวัตถุจะเคลื่อนที่

ขั้นตอนการเปิดรับแสงทั้งหมดแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอน ได้แก่ การรีเซ็ต การรวม การทำงานของหน่วยความจำ และการอ่านข้อมูล ดังแสดงในรูปนี้

four stages of exposure

Reset timing : เรียกอีกอย่างว่าระยะเวลาชัตเตอร์ ระยะนี้ใช้เพื่อล้างประจุในหน่วยโฟโตอิเล็กทริกและเพื่อให้แน่ใจว่าชัตเตอร์อิเล็กทรอนิกส์เปิดอยู่

Integrating timing : เรียกอีกอย่างว่าระยะเวลาการเปิดรับแสง ในขั้นตอนนี้การแปลงโฟโตอิเล็กทริกจะเกิดขึ้นและเกิดโฟโตอิเล็กตรอน

Memory operation : ในขั้นตอนนี้โฟโตอิเล็กตรอนจะถูกเลื่อนออกจากเซลล์ตาแมว

Readout timing : ในขั้นตอนนี้ข้อมูลพิกเซลจะถูกถ่ายโอนออกไป ความแตกต่างระหว่าง Global Shutter และ Rolling Shutter คือระยะเวลาการเปิดรับแสงจะเท่ากันหรือไม่ในเส้นต่างๆ ของภาพ

Global Shutter

จากภาพ ในโหมด Global Shutter แต่ละพิกเซลในเซ็นเซอร์จะเริ่มต้นและสิ้นสุดการเปิดรับแสงพร้อมกัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้หน่วยความจำจำนวนมาก ภาพทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำหลังจากสิ้นสุดการเปิดรับแสง และสามารถค่อยๆ อ่าน กระบวนการผลิตของเซ็นเซอร์ค่อนข้างซับซ้อนและราคาค่อนข้างแพง แต่ข้อดีคือสามารถจับวัตถุที่เคลื่อนไหวด้วยความเร็วสูงได้โดยไม่ผิดเพี้ยนและการใช้งานก็กว้างขวางกว่า

the process of Global Shutter

the process of Rolling Shutter

Rolling Shutter

ในโหมด rolling shutter เส้นที่แตกต่างกันของอาร์เรย์จะแสดงในช่วงเวลาที่ต่างกัน เมื่อ ‘wave’ อ่านออกจะกวาดผ่านเซ็นเซอร์ดังแสดงในภาพ บรรทัดแรกแสดงก่อนและหลังจากเวลาอ่านข้อมูลบรรทัดที่สอง เริ่มเปิดรับแสงและอื่นๆ ดังนั้นแต่ละบรรทัดจะอ่านออก จากนั้นจึงอ่านบรรทัดถัดไปได้ เซ็นเซอร์ rolling shutter แต่ละหน่วยพิกเซลต้องการเพียงทรานซิสเตอร์สองตัวในการขนส่งอิเล็กตรอนจึงผลิตความร้อนน้อยลงและมีเสียงรบกวนต่ำ เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์ Global Shutter โครงสร้างของเซ็นเซอร์ rolling shutter นั้นเรียบง่ายกว่าและมีต้นทุนต่ำ แต่เนื่องจากแต่ละเส้นไม่ได้สัมผัสพร้อมกัน ดังนั้นจึงทำให้เกิดความผิดเพี้ยนเมื่อจับภาพวัตถุที่เคลื่อนไหวด้วยความเร็วสูง

การเปรียบเทียบภาพระหว่าง global shutter sensor และ rolling shutter sensor

1. ปัญหาคืออะไร?

ความแตกต่างในการถ่ายภาพระหว่าง global shutter sensor และ rolling shutter sensor ส่วนใหญ่จะสะท้อนให้เห็นในการได้มาซึ่งภาพแบบไดนามิก เมื่อจับภาพวัตถุที่เคลื่อนไหวความเร็วสูง ความผิดเพี้ยนจะเกิดขึ้นได้ง่ายในโหมด rolling shutter sensor ดังแสดงในภาพ การจับภาพพัดลมความเร็วสูง ภาพของ Global shutter, rolling shutter sensor จะแสดงในภาพด้านซ้ายและภาพด้านขวาตามลำดับ ภาพด้านซ้ายสามารถคืนรูปทรงของใบพัดลมได้อย่างสมบูรณ์ แต่ภาพด้านขวาผิดรูป

global shutter image VS rolling shutter image for moving objects

global shutter image VS rolling shutter image for brightness variation objects

เมื่อจับวัตถุรูปแบบความสว่างแถบแนวนอนที่มีความสว่างไม่สม่ำเสมออาจเกิดขึ้นในโหมด rolling shutter ดังแสดงในภาพ ตั้งเวลาเปิดรับแสงเป็น 5ms และจับวัตถุในร่มภายใต้หลอดฟลูออเรสเซนต์ (ถอดเลนส์) พร้อมกับ global shutter sensor และ rolling shutter sensor ตามลำดับ ภาพด้านซ้ายมีรูปคลื่นเป็นพื้นหลัง และพื้นหลังของภาพด้านขวาค่อนข้างสม่ำเสมอ เนื่องจากความถี่ของหลอดฟลูออเรสเซนต์คือ 50Hz ระยะเวลา 10ms (ช่วงเวลาของค่าสัมบูรณ์) เวลาในการเปิดรับแสง 5ms อาจอยู่ในช่วงที่สว่างกว่า และอาจอยู่ในช่วงที่มืดกว่า สำหรับ rolling shutter sensor แต่ละเส้น อาร์เรย์จะแสดงในช่วงเวลาที่ต่างกัน ดังนั้นแถบรูปแบบช่วงเวลาที่สว่างและมืดจึงปรากฏขึ้นในภาพ แต่สำหรับ global shutter sensor เส้นทั้งหมดในเซ็นเซอร์จะเริ่มต้นและสิ้นสุดการเปิดรับแสงพร้อมกันจะไม่มีแถบปรากฏขึ้น

2. สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?

ลำดับภาพต่อไปนี้สามารถตีความกระบวนการถ่ายภาพของ rolling shutter sensor ที่จับสุนัขวิ่งได้ สุนัขกำลังวิ่งจากขวาไปซ้ายเมื่อบรรทัดแรกเริ่มเผยให้เห็นหัวของสุนัขเพิ่งเข้าสู่เฟรม และเมื่อบรรทัดสุดท้ายเริ่มเปิดรับสุนัขเกือบจะหลุดจากกรอบแต่ละบรรทัดจะเผยให้เห็นสุนัขจะอยู่ที่ต่างกัน ตำแหน่งดังนั้นภาพสุดท้ายจะแสดงสุนัข ‘แยก’

3. หลีกเลี่ยงอย่างไร?

หากความเร็วในการเคลื่อนที่ไม่สูงนักและความสว่างมีการเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ปัญหาที่กล่าวถึงข้างต้นจะส่งผลกระทบต่อภาพเพียงเล็กน้อย โดยปกติแล้วการใช้ global shutter sensor แทนการใช้ rolling shutter sensor เป็นวิธีพื้นฐานและมีประสิทธิภาพที่สุดในการใช้งานความเร็วสูง อย่างไรก็ตามในงานที่ต้นทุนต่ำหรือไวต่อเสียงรบกวนหรือหากผู้ใช้ต้องใช้ rolling shutter sensor ด้วยเหตุผลอื่น ก็สามารถใช้แฟลชเพื่อลดผลกระทบได้ ดังแสดงในรูป แฟลชเป็นสัญญาณแฟลชที่กล้องออกเมื่อสัญญาณแฟลชสูงไฟ แฟลชจะกะพริบ (บางครั้งเมื่อสัญญาณไฟแฟลชต่ำ ไฟแฟลชจะกะพริบ) เมื่อไฟแฟลชกระพริบทุกเส้น เผยให้เห็นในเวลาเดียวกัน ดังนั้นภาพจึงไม่มีความผิดเพี้ยน

มีหลายประการที่ต้องระวังเมื่อใช้คุณสมบัติแฟลชซิงค์กับ rolling shutter sensor

  • ไม่ใช่เวลาเปิดรับแสงทั้งหมดที่มีเอาต์พุตสัญญาณไฟแฟลช เมื่อเวลาเปิดรับแสงสั้นเกินไปและเวลาในการอ่านข้อมูลยาวเกินไป เส้นทั้งหมดไม่มีการเปิดรับแสงที่เหลื่อมกัน ไม่มีสัญญาณไฟแฟลชและไฟแฟลชไม่กะพริบ
  • เมื่อเวลาของแฟลช แฟลชสั้นกว่าเวลาเปิดรับแสง
  • เมื่อเวลาส่งสัญญาณไฟแฟลชสั้นเกินไป (ระดับμs) ประสิทธิภาพของแฟลชบางตัวอาจไม่เป็นไปตามข้อกำหนดสวิตช์ความเร็วสูง ไฟแฟลชจึงไม่สามารถจับสัญญาณไฟแฟลชได้

ขอบคุณข้อมูลจาก www.daheng-image.com