感光芯片技术

CMOS滚动快门相机

滚动快门是一种按顺序(即逐行)对芯片进行曝光的方法。CMOS滚动快门芯片的重要优点是它噪声低和发热量小。Basler ace、ace 2和dart面阵相机中的许多型号都搭载了采用滚动快门技术的芯片,广泛适用于各类机器视觉应用。

CMOS滚动快门相机中的逐行曝光
白皮书

全局快门与滚动快门的对比


在为图像处理系统选择相机时,不仅分辨率和速度起着决定性作用,曝光方式(即快门类型)也至关重要。我们的白皮书详细介绍了全局快门和滚动快门的工作原理。


滚动快门相机的工作原理


许多数字相机芯片和图像采集模块都采用了滚动快门技术。使用滚动快门时,成像芯片的每条像素线都是依次序曝光的。根据芯片类型的不同,这个次序可以是从上到下进行曝光,有时也可以是从左到右进行曝光。而在使用全局快门时,成像芯片的所有像素则会同时曝光。




使用滚动快门对像素行进行逐行曝光
使用滚动快门时,整个图像的曝光时间并非在同一时间开始和结束,而是需要按次序逐行读取。

逐行读取像素行

滚动快门芯片会逐行读取图像数据。出于提高效率的考虑,在每一行的曝光开始时间和结束时间之间会有一个时间偏移,并与读出时间相对应。

这个读出时间因具体使用的芯片而异。使用快速芯片时,读出时间较短,线之间的时滞比使用慢速芯片时更低。滚动快门芯片的帧速率越低,移动物体的变形就越明显。但是,在拍摄静态物体时,由于物体没有运动,因此不会出现此类伪影



现代滚动快门相机的优势

滚动快门芯片的表面采集和读取光信息的方式不同于全局快门芯片。与全局快门芯片相比,滚动快门芯片中控制上述过程的电子元件更为简单,即组件数量更少,价格更低。晶体管数量较少还能减少发热量和噪声/b>,从而


CMOS滚动快门相机适用于需要提高灵敏度和成像质量来检测慢速或静止物体的应用。在许多情况下,采用CMOS滚动快门技术的相机因高分辨率而极具应用价值。借助较小的像素,它通常能以较小的芯片尺寸产生极高的分辨率。
Melanie Gräsel博士
Melanie Gräsel博士
Basler产品经理

滚动快门的独特之处

与全局快门芯片相比,滚动快门芯片具有以下优势:

  • 较高分辨率下实现低噪声卓越的成像质量

  • 借助简化设计改善成本和能源效率


滚动快门效应

由于芯片采用的是逐行曝光的方法,如果它要描绘的物体在第一行曝光开始到最后一行曝光开始之间存在快速移动的情况,此时就会出现失真。


滚动快门效应的产生原因

在读出图像数据时,曝光的多个线条会以相同的顺序组合成一幅整体图像。由于各条线在曝光时均存在时间延迟,这种时间偏移也会以失真形式体现在合成后的图像中。

图像对比:使用全局快门拍摄的图像(无失真)与使用滚动快门拍摄的图像(有失真)。
左图使用全局快门(Sony IMX547)拍摄快速旋转的卷轴;右图使用滚动快门(onsemi MT9P)进行拍摄。标尺上的变形是由于卷轴旋转时逐行曝光造成的。

可能出现滚动快门效应的情况

根据不同的芯片帧速率,使用滚动快门相机拍摄时,如果物体或相机快速移动,就可能会或多或少地出现失真现象。

  • 高速行驶的车辆:高速驶过的汽车、火车或摩托车的车轮会呈现椭圆形,整辆车看起来也会显得歪斜。

  • 螺旋桨和旋翼:如直升机旋翼或飞机螺旋桨等快速旋转的物体可能会呈现弯曲的条状,而不是呈现圆形的运动轨迹。

  • 传送带上的物体:在质量控制工序中,借助机器视觉系统可以检测出有缺陷或受污染的物体,并对其进行分类。在高吞吐量的工厂应用中,直线状的物体可能会出现倾斜或弯曲,从而影响检测结果的准确性。

  • 跑步或快速运动:在拍摄跑步或足球、网球或其他体育运动时,运动员的腿部和手臂可能会出现变形和弯曲。

  • 相机跟拍:快速平移相机时,例如在跟拍场景时,建筑物或栅栏等直线状的物体可能会呈现曲线状。


帧速率和曝光时间的影响

导致出现滚动快门效应的决定性因素是单条线的读取时间。相较于帧速率最高仅为15 fps的慢速芯片,帧速率至少为60 fps的快速芯片呈现出来的滚动快门效应往往会更轻微。

综上所述,

芯片的最大帧速率越高,读取时间就越短,滚动快门效应就相应地越轻微。

另一方面,曝光时间对滚动快门效应没有影响。


慢速滚动快门芯片(左图)和快速滚动快门芯片(右图)的图像对比。
onsemi MT9P慢速滚动快门芯片(左图)与Sony IMX676快速滚动快门芯片(右图)的图像对比:60 fps的较高帧速率大大减少了因滚动快门效应造成的失真。

抵消滚动快门效应

有几种方法可以将滚动快门效应降至最低:

  • 堆叠式背照芯片
    现代堆叠式背照芯片的读取速度更快,并能减少滚动快门效应。

  • 闪光灯
    精确触发的闪光灯会在所有线曝光的瞬间发出强烈的光脉冲。与全局快门类似,整个芯片表面会同时被照亮。

  • 软件校正
    可使用图像处理功能最大限度地减少失真并修正滚动快门效应。

使用全局快门技术可以完全避免因滚动快门效应造成的失真问题。全局快门这种曝光方法(即所有像素行同时曝光)可以防止出现像滚动快门效应那样的伪影。不过,全局快门芯片通常比滚动快门芯片昂贵。

滚动快门相机还是全局快门相机?

这个技术选择问题在很大程度上取决于您应用的具体要求。


简单来说,

  • 滚动快门相机可为静态检测物体提供出色的检测结果,

  • 全局快门相机动态场景的首选。全局快门相机是快速连拍应用的理想之选,例如工厂自动化装配线上的物体识别,或者交通监控中的车牌自动识别。


搭载CMOS滚动快门芯片的Basler相机



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