Global shutter или rolling shutter
Един и същ обект, две камери, две различни снимки: перката на едната е цяла, на другата е изкривена. Разликата не е в обектива и не е в експонацията — в реда, по който сензорът чете редовете си. Това е първият въпрос, който машинното зрение задава за движещ се обект, и единственият, който не се решава с повече светлина.
Експонация и затвор
Времето на експонация е периодът, в който затворът е отворен. През него светлината пада върху фоточувствителната матрица, фотоелектричният ефект произвежда заряд, а аналогово-цифровото преобразуване го превръща в стойност на сивото за всеки пиксел. При една и съща осветеност: по-дълга експонация — по-светъл кадър. Дългата експонация показва траекторията на бавно движещ се обект; късата го записва точно.
С прехода от лента към сензор контролът на затвора също стана електронен. Новата експонация започва, когато зарядът на фотоелемента е изчистен докрай, и свършва, когато зарядът бъде изнесен.
Как работят двата
При global shutter сензор (CCD или CMOS) всички пиксели започват и спират експонацията едновременно. При rolling shutter CMOS сензор камерата експонира един ред, после следващия, и чете всеки ред поотделно — а докато стигне до следващия, обектът вече се е преместил.
Пълната експонация минава през четири фази. Reset изчиства заряда във фотоелемента и отваря електронния затвор. Integrating е самата експонация — фотоелектричното преобразуване. Memory прехвърля фотоелектроните от клетката. Readout изнася данните на пиксела.
Цялата разлика между двата типа е в едно: дали различните редове на кадъра се експонират по едно и също време. При rolling shutter вълната на прочитане пробягва през сензора — първият ред започва пръв, вторият след едно време за прочитане, и така до края. За сметка на това всяка пикселна клетка иска само два транзистора, което значи по-малко топлина, по-нисък шум, по-проста и по-евтина структура. Цената се плаща при движение.
Къде се вижда
При бързо движещ се обект rolling shutter изкривява. Класическият пример е въртяща се перка: global shutter възстановява формата на перката, rolling shutter я деформира, защото всеки ред е заснет в момент, в който перката е била другаде.
При променлива осветеност се появяват хоризонтални ивици. Луминесцентната лампа мига с 50 Hz, тоест период от 10 ms. При експонация 5 ms всеки ред попада ту в по-светлата, ту в по-тъмната част от периода — и понеже редовете се експонират в различни моменти, кадърът излиза на светли и тъмни ленти. При global shutter всички редове започват и свършват заедно, така че ивици няма.
Механизмът се вижда най-ясно на бягащо куче: когато първият ред започва експонация, главата тъкмо влиза в кадъра; когато последният ред започва, кучето почти е излязло. Всеки ред го е хванал на различно място и в крайния кадър кучето е „разрязано“.
Какво се прави
Ако скоростта е ниска и осветеността се мени бавно, разликата е пренебрежима. При високи скорости обаче единственото основно решение е global shutter сензор.
Когато цената или шумът налагат rolling shutter, ефектът се смекчава със строб. Камерата извежда сигнал за светкавица; докато той е активен, всички редове се експонират едновременно, и в този прозорец кадърът е без изкривяване.
Три уговорки при строба. Първо, сигналът не се извежда при всяка експонация — ако тя е твърде къса, а времето за прочитане твърде дълго, редовете нямат общ прозорец и сигнал няма. Второ, проблясъкът трябва да е по-кратък от експонацията. Трето, при сигнал от порядъка на микросекунди не всеки строб може да превключи достатъчно бързо, за да го хване.