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global shutter和rolling shutter,progressive scan和interline   

2011-12-26 13:37:20|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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需要知道CMOS传感器的工作方式并不是像很多人想象的那样通过一个信号线就可以控制曝光的开始和结束。传感器的感光二极管不停的在捕获入射光子并转换成电子存储在电荷井中,控制部分可以将其读出和清零,但不能停止曝光。那么电子快门是怎么实现的呢?

1.电子卷帘快门(electronic rolling shutter)。

目前大多数CMOS传感器采用这种快门。对任一像素,在曝光开始时现将其清零,然后等待曝光时间过后,将信号值读出。因为数据的读出是串行的,所以清零/曝光/读出也只能逐行顺序进行,通常是从上至下,和机械的焦平面快门非常像。

和机械式焦平面快门一样,对高速运动的物体会产生明显的变形。而且因为其扫描速度比机械式焦平面快门慢,变形会更加明显。例如如果数据的读出速度是每秒20帧,那么图像顶部和底部的曝光先后差异将多达50毫秒。

为了弥补这个缺陷,通常数码相机中通常配合机械快门,曝光开始时整个图像传感器清零(目前的绝大多数传感器都具备快速清零功能,可以在几个时钟周期内完成整个传感器的清零),然后机械快门打开,曝光结束后机械快门关闭,数据顺序读出。

2)全局快门(global shutter/snapshot shutter)。

最主要的区别是在每个像素处增加了采样保持单元,在指定时间达到后对数据进行采样然后顺序读出,这样虽然后读出的像素仍然在进行曝光,但存储在采样保持单元中的数据却并未改变。

这种机构的主要缺点在于增加了每个像素的元件数目,使得填充系数降低,所以很难设计出高像素数的传感器,另外采样保持单元还引入了新的噪音源。目前只有Micron和Cypress生产具有全局快门的CMOS传感器,主要用于机器视觉和超高速摄影,目前最高分辨率为4M。


从上面可以看出,如果电子卷帘快门的移动速度如果能达到机械式焦平面快门的水平,就可以解除对机械快门的依赖。也就是必须提高数据的读出速度。
这个速度的主要瓶颈在于电荷从列放大器转移到公用数据线所需时间,具体来说就是通过一个运放给一个电容充电的过程,要提高其速度只能通过提高运放速度或降低电容值。前者会增加功耗和噪音,而后者则和传感器的行数成正比,所以像素数目越多则读出速度会越慢。短时间内,电子卷帘快门速度还达不到机械式焦平面快门的水平。

Global Shutter
With Global/Synchronous Shutter, all rows in the ROI are reset then exposed simultaneously for a specified time.  At the end of the exposure/integration time, each pixel value is transferred immediately to an adjacent storage area to await read-out.  The pixel values are then read out row-by-row from storage, building the frame.  This use of intermediate storage reduces the gradual overexposure that can occur down the image when the rows are read out directly from the active area.
Because all rows are exposed simultaneously, Global Shutter avoids jagged or blurred affect produced by Rolling Shutter for fact action images.  However, because it stops exposure to perform read-out, it does not provide the fastest possible sequence of frames. 

Progressive scan CCD    逐行扫描CCD 
在曝光之前整个图像重置,将任何在光电二极管中的残余电荷清除;然后光电二极管在曝光时间中积累电荷;在曝光时间结束后,所有的电荷同时传送到传感器的光屏蔽区域。然后电荷从传感器的光屏蔽区域转移并读出。在这种模式下曝光控制不需要机械快门

Interline mode   隔行模式
一些CCD只能在隔行模式下读出。在这种模式下,电子快门在曝光前将所有光电二极管重置,和逐行扫描模式一样。但是在曝光结束时,并不是所有电荷能同时从光电二极管中传送出;图像的奇数行与偶数行电荷必须在不同的时间内转移;所以图像不能正确的结束曝光-奇行和偶行将有不同的曝光时间;这种情况下需要继续快门来正确的结束曝光;一旦机械快门关闭,图像的奇数场和偶数场可以在不增加任何额外的曝光下时间下读出。这就是大多数消费类相机的操作方法。

CMOS Rolling shutter
cmos图像的卷帘式快门工作原理类似电影摄像机的焦平面快门。一般的,图像传感器中像素行按照次序重置,从最上面开始然后一行行进行直到最下方;当这个重置电路已经往图像下方移动了一些距离,读出开始:像素行按次序读出,从最上面开始然后准确的以同样的方式和像重置进程一样同样的速度一行行进行直到最下方。
从一行开始重置到一行开始读出的时间就是曝光时间;通过变化在当重置扫过一行和当这一行的读出发生之间的时间数目,可以控制曝光时间;在卷帘式快门中,曝光时间能够变化,从单线(重置之后,下一行读)直到全帧时间(在顶部读出开始之前,重置达到图像底部)或者更多。

CMOS 全局快门
在曝光前整个图像重置;像素可以在曝光时间积累电荷;曝光结束后,每个像素积累的电荷同时传送到屏蔽光(对光不敏感)的存储区域;然后信号从此区域读出。因所有像素同时重置,曝光积分同样的间隔,并同时传输到光屏蔽存储区域,故移动物体来说没有变形。

CMOS传感器的闪光灯应用
电子闪光产生非常短(从微秒到毫秒),但是cmos传感器的读出时间会更长,所以使用闪光灯需要特殊考虑。

下列情况描述:传感器有机械快门;全局快门的传感器;卷帘式快门的传感器;
若使用机械快门,闪光操作如下顺序:
1、cmos传感器电子快门的曝光时间要调整以便所有像素都同时曝光(这可能需要非常长的曝光时间设置对比想得到的曝光);
2、机械快门打开;
3、闪光灯开始闪;
4、机械快门关闭;
5、图像读出;
    
和图像整体读出时间相比闪光时间非常短,闪光灯只能使用在当所有图像像素同时曝光时。考虑到在重置和读出之间的时间小于全帧时间;说是图像线数的四分之一。这种情况下,作为移动通过图像区域的曝光进程,只有那些在闪光的曝光的图像区域会被闪光影响。依靠闪光灯的时间,这将引起图像中间正确的曝光带(通过闪光灯曝光)和上下的曝光之外区域(在闪光灯之前和之后曝光,因此会很暗)。这就是在这情况下传感器的可编程曝光时间可能需要比其他长得理由。

全局快门下使用闪光灯
1、所有像素同时重置
2、闪光灯闪光
3、在每个像素积累电荷病同时传送到光屏蔽存储区域
4、从光屏蔽区域读出
在第一步和第三步之间的时间只需要和闪光灯持续时间一样长。若上门提到的,这可能非常短。曝光结果将首先归功于闪光灯提供的照度,然后就是看周围环境的光线强度。

卷帘式快门 闪光灯
1、要调整图像的曝光时间以便所有的像素是在闪光灯持续时间内同时曝光(对图像这需要非常长的曝光时间设置)
2、重置过程一行行扫描图像直到整个图像重置;
3、闪光灯闪光;
4、图像一行行读出直到整个图
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