Rolling-Shutter mit Global-Start - IDS Imaging Development Systems

TechTipp
Rolling-Shutter-Effekt – unvermeidlich?
Rolling-Shutter mit Global-Start verwenden
Die Aufnahme bewegter Objekte mit Rolling-Shutter-Sensoren führt zu bizarren
Ergebnissen. Hubschrauber fliegen mit verbogenen Propellern oder Fahrzeuge
werden entlang ihrer Fahrtrichtung verzerrt. Ist ein Rolling-Shutter-Sensor ungeeignet für Aufnahmen bewegter Objekte? Für Abhilfe sorgen hier spezielle Betriebsmodi wie bspw. der Global-Start-Modus des 5-MPixel-Sensors MT9P031STM
von ON Semiconductor.
Hintergrund
Im Grunde sind die Anforderungen an eine Bildaufnahme immer dieselben: die Erfassung eines Ereignisses bzw. Motivs mit einem erkennbaren und verzerrungsfreiem Ergebnis. Über einen Verschluss (elektronischer Shutter) wird die Zeitdauer
der Belichtung gesteuert, das heißt, wie lange Licht auf die fotoempfindliche Fläche
fällt. Die Bildaufnahme im Sensor gliedert sich in vier Phasen:

Zurücksetzen (Reset) der Pixel in den zu belichtenden Zeilen

Belichtung der Zeilen

Ladungstransfer auf dem Sensor

Auslesen der Daten
Hier werden zwei Shutter-Verfahren unterschieden: Zum einen die globale zeitgleiche Aufnahmen mittels Global-Shutter, die zumeist bei CCD-Sensoren zum Einsatz kommt. Zum anderen die zeitlich „rollierende“ Aufnahme mittels RollingShutter, die bei CMOS-Sensoren verwendet wird.
Funktionsweisen von Global- und Rolling-Shutter
Global-Shutter
Die Funktionsweise eines Global-Shutter-Sensors entspricht der klassischen Filmklappe: alle Pixel werden zeitgleich belichtet.
Global-Shutter
Zuerst werden alle Pixelinhalte gelöscht. Anschließend startet die Belichtungsphase. Am Ende der Belichtung werden die Pixelinhalte in eine Speicherzelle übertragen. Die Speicherzellen werden zeilenweise von oben nach unten ausgelesen und
als digitale Werte übertragen.
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TechTipp
Alle uEye CCD- sowie einige CMOS-Sensoren arbeiten mit dem Global-ShutterVerfahren.
Vorteile
Nachteile
Alle Zeilen werden gleichzeitig belichtet
Kleinste Pixelgröße derzeit 3,45 µm
Keine Kompromisse bei der Anwendung
Erfordert komplexe und teurere Sensortechnologie
Keine „Verzerrung“ des aufgenommenen Motives
Hotpixel-Bildung bei hohen Temperaturen und langer Belichtungszeit
Rolling-Shutter
Der Rolling-Shutter funktioniert wie eine Kamera mit Schlitzverschluss, das heißt
die Zeilen werden nicht zeitgleich sondern nacheinander von oben nach unten belichtet.
Rolling-Shutter
Beim Rolling-Shutter erfolgen das Löschen und die Belichtung des Sensors zeilenweise leicht versetzt. Zum Ende der Belichtung werden die Zeilen nacheinander
ausgelesen. Da hierdurch zwischen der Belichtung der ersten und der letzten Sensorzeile ein Zeitversatz entsteht, wird das Abbild eines bewegten Objektes verzerrt
oder versetzt dargestellt.
Vorteile
Nachteile
Sehr hohe Auflösungen bei kleinem op-
Motivbewegungen während der Auf-
tischem Format
nahme verursachen Artefakte im Bild
Rauschfreier im Vergleich zum Global-
Der Shutter bewegt sich von oben nach
Shutter
unten
Keine Speicherzellen: simpler Pixelauf-
Rolling-Shutter-Effekt:
bau, ermöglicht sehr kleine Pixel bis zu
0,9 µm
der Aufnahme bewegter Objekte
Lagefehler
bei
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TechTipp
Rolling-Shutter-Effekt vermeiden
Globales Belichtungsfenster
Um die Nachteile des Rolling-Shutter, insbesondere den Rolling-Shutter-Effekt, zu
vermeiden, können Sie im uEye Cockpit ein globales Belichtungsfenster verwenden. So kann für Rolling-Shutter-Sensoren eine globale Blitzfunktion realisiert werden, in der wie beim Global-Shutter-Verfahren alle Zeilen gleichzeitig belichtet
werden. Die folgenden Punkte müssen dabei beachtet werden:

Ihre Applikation unterstützt das Blitzen.

Stellen Sie sicher, dass kein Fremdlicht einfallen kann.
Rolling-Shutter mit globalem Belichtungsfenster
Beim globalen Belichtungsfenster wird eine Verzögerungszeit eingestellt, um die
der Blitz später eingeschaltet wird. Zusätzlich kann die Dauer des Blitzes angegeben werden.
Globales Belichtungsfenster im uEye Cockpit
Wenn Sie das globale Belichtungsfenster setzen, berechnet der Treiber automatisch den richtigen Blitzzeitpunkt. Ist die Belichtungszeit zu kurz eingestellt, wird
Ihnen ein Hinweis mit der minimalen Belichtungsdauer angezeigt. Je nach Kameraeinstellung kann es einige Bilder dauern, bis das Blitztiming angepasst ist.
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TechTipp
Rolling-Shutter mit Global-Start
Eine weitere Möglichkeit bieten Rolling-Shutter-Sensoren, die über einen speziellen Modus verfügen, den sogenannten Global-Start-Modus.
Rolling-Shutter mit Global-Start
Der Global-Start-Modus sorgt dafür, dass die Belichtung aller Zeilen gleichzeitig
gestartet wird. Für optimale Ergebnisse muss bei diesem Modus ein Blitz verwendet werden.
Außerhalb der Blitzdauer darf kein Licht auf den Sensor gelangen, da sich sonst
eine ungleichmäßige Verteilung der Bildhelligkeit ergibt.
Fazit
Durch die enormen Fortschritte in der CMOS-Technologie wirken sich die bisherigen Probleme wie eingeschränkte Langzeitbelichtung oder Rolling-Shutter-Effekt
kaum noch auf Anwendungen aus.
Zudem besitzen CMOS-Sensoren aufgrund ihrer anderen Bauart eine höhere Pixeldichte und damit eine größere Auflösung als CCD-Sensoren.
Shutter-Modi der CMOS-Sensoren
Kamera
GlobalShutter
RollingShutter
Rolling-Shutter
Global-Start
UI-122x/UI-322x/UI-522x
x
UI-124x/UI-324x/UI-524x
x
x
x
UI-125x/UI-325x/UI-525x
x
x
x
UI-146x/UI-546x
x
UI-148x/UI-348x/UI-548x
x
UI-149x/UI-549x
x
UI-154x/UI-554x
x
UI-155x/UI-555x
x
UI-158x/UI-358x/UI-558x
x
UI-164x/UI-564x
x
mit
x
x
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TechTipp
Kamera
Global-
Rolling-
Rolling-Shutter
Shutter
Shutter
Global-Start
UI-3013XC
mit
x
UI-306x
x
UI-336x/UI-536x
x
UI-337x/UI-537x
x
UI-359x
x
Weitere Informationen zur Einstellung und Verwendung der verschiedenen Shutter-Modi finden Sie im uEye-Handbuch unter http://de.ids-imaging.com/manualsueye.html.
Autoren
Patrick Schick, Produktmanagement
Marion Gentele, Technische Dokumentation
Kontakt
IDS Imaging Development Systems GmbH
Dimbacher Straße 6-8
74182 Obersulm
Deutschland
Tel.:
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E-Mail: [email protected]
Web:
www.ids-imaging.de
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