卷帘快门(Rolling shutter)与全局快门(global shutter)的区别

工业相机快门类型:卷帘快门和全局快门——选用哪个最好?-捷利得(北京)自动化科技有限公司

一、什么是shutter

快门是照相机用来控制感光片有效曝光时间的机构。是照相机的一个重要组成部分,它的结构、形式及功能是衡量照相机档次的一个重要因素。一般而言快门的时间范围越大越好。秒数低适合拍运动中的物体,某款相机就强调快门最快能到1/16000秒,可轻松抓住急速移动的目标。不过当你要拍的是夜晚的车水马龙,快门时间就要拉长,常见照片中丝绢般的水流效果也要用慢速快门才能拍出来。Global shutter 曝光时间更短,但会增加RMS 读出噪声;对于相机厂家,Rolling shutter可以达到更高的帧速,但当曝光不当或物体移动较快时,会出现部分曝光(partial exposure)、斜坡图形(skew)、晃动(wobble) 等现象。曝光时间短的应用(如<500μs)适合Global shutter,曝光时间长(如大于500μs)时,选择rolling shutter可以有更低的噪声和帧速。

二、什么是global shutter

通过整幅场景在同一时间曝光实现的。Sensor所有像素点同时收集光线,同时曝光。即在曝光开始的时候,Sensor开始收集光线;在曝光结束的时候,光线收集电路被切断。然后Sensor值读出即为一幅照片。CCD就是Global shutter工作方式。所有像元同时曝光。

 

三、什么是rolling shutter

与Global shutter不同,它是通过Sensor逐行曝光的方式实现的。在曝光开始的时候,Sensor逐行扫描逐行进行曝光,直至所有像素点都被曝光。当然,所有的动作在极短的时间内完成。不同行像元的曝光时间不同。部分曝光现象(partial exposure),斜坡现象(skew),晃动现象(wobble),晃动的机理与斜坡相同,只是更为复杂,往往与相机的不稳定有关。如果被拍摄物体相对于相机高速运动时。用Global shutter方式拍摄,假如曝光时间过长,照片会产生像糊现象。而用Rolling shutter方式拍摄,逐行扫描速度不够,拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等任一种情况。这种Rolling shutter方式拍摄出现的现象,就定义为果冻效应。


MOS 成像传感器是每个工业相机系统的核心,但它们有两种快门方式——卷帘快门或全局快门。每种类型的快门都有其优点,但哪一种最好?这取决于具体的应用程序。所以,让我们来看看它们之间的差异,以帮助您决定哪一个最适合您的机器视觉系统。

卷帘快门

CMOS成像传感器包含许多独立的光传感器,这些光传感器排列在网格中(通常为矩形)。该传感器网格捕获图像光,相机将其转换为构成最终数字图像的像素网格。通过卷帘快门,每次只捕捉一行像素,在网格上移动或向下移动以构建完整的图像。

这样做的好处是在任何时候只捕获少量的图像数据,简化了数据处理和传输。因此,卷帘快门 CMOS 传感器尺寸更小、成本更低,从而使相机比全局快门同类产品更便宜、更紧凑。然而,其缺点是使用卷帘快门时,第一行和最后一行像素的捕获之间存在时间差。这意味着在组装整个图像时,场景中快速移动的对象可能会失真或模糊。下图中旋转螺旋桨的叶片显示了卷帘快门导致的图像变形。


全局快门

全局快门同时曝光传感器网格中的所有像素,因此最终数字图像的每个像素都是在同一时刻捕获的。这意味着不会发生由于使用卷帘快门而导致的移动物体/场景的图像失真。全局快门传感器通常比卷帘快门传感器尺寸更大、更感光。然而,全局快门传感器更昂贵,且最大帧率可能低于类似的卷帘快门传感器,特别是具有高分辨率的传感器。

卷帘快门相机和全局快门相机的传统应用

由于移动物体/场景的图像容易失真,在对静止或缓慢移动的物体进行成像时最好使用卷帘快门。卷帘快门相机非常适合近乎实时地捕获和处理高分辨率图像。在机器视觉的背景下,如果被测目标保持静止且光线充足,那么带有 CMOS 传感器的卷帘快门相机将是最佳且最具成本效益的选择。最适合卷帘快门相机的应用包括机器人拾取和放置、PCB 检查和显微镜检查。

使用全局快门相机通常可以很好地对高速移动的部件进行成像,这可以使生产线移动得更快,运行效率更高。适用全局快门相机的应用包括 ANPR、高速生产线检测(例如制药行业)和汽车市场。