롤링 셔터 센서들

2. 캡처 및 판독

영역은 계속 작아지고 이 영역에 포함된 픽셀 수는 계속 증가하는 현재 추세는, 각 픽셀에 많은 픽셀 구성 요소들이 포함되어 있기 때문에 극한의 타협을 필요로 합니다. 예를 들어, 스마트 폰에서 두 자릿수 메가픽셀 해상도가 가능하도록 개개의 픽셀을 더 작게 하려면, 픽셀 크기를 1µm 범위로 줄여야 할 필요가 있습니다. 이는 버퍼와 같은 픽셀 구성 요소를 체계적으로 생략해야만 가능합니다. 버퍼 없이는, 구체적인 시점의 글로벌 캡처가 더 이상 불가능합니다.

해결책은 정보의 직접적인 판독에 의해 노출의 마지막을 결정하는 것입니다. 이미지는 롤링 방식으로 캡처되고, 이는 픽셀 정보가 한 줄씩 순차적으로 전송된다는 의미입니다. 따라서 용어가 "롤링 셔터"입니다.

센서가 초당 60개의 이미지를 달성하면, 판독 값과 이에 따른 노출 종료 시간이 첫 번째 줄에서 마지막 줄까지 16ms 동안 지속됩니다. 픽셀이 한 줄씩 차례로 빛에 노출되기 때문에, 이는 노출이 아래쪽 절반보다 이미지의 위쪽 부분에서 더 일찍 중단됨을 의미합니다. 모든 라인이 동일한 노출 시간을 갖는 것을 보장하기 위하여, 각 라인의 노출 시작점도 이에 따라 이동되어야 합니다.

예를 들어, 지능형 전송 시스템 (ITS)에서 어플리케이션에서와 같이 오브젝트가 움직이면, 이미지가 정확하게 재현되지 않는 것을 의미합니다.

3. 이미지 전송

1세대 CMOS 센서들은 이미지 데이터 출력에 대한 병렬 인터페이스를 가집니다. 기껏해야, 초당 100메가픽셀의 데이터 볼륨을 처리할 수 있습니다. 5 메가픽셀 센서의 경우, 이는 초당 약 20개 이미지 또는 한 이미지당 50ms의 판독 시간을 의미합니다. 결과적으로, 이 기간 동안 움직이는 차량이 많은 양의 지면을 덮기 때문에 롤링 셔터 효과가 명확하게 보입니다.

최신 CMOS 센서는 이제 5배 내지 10배 더 빠릅니다. 따라서 판독 시간이 매우 빠릅니다. 현재 표준은 초당 500메가픽셀 또는 초당 120 또는 240개 이미지입니다. 이것은 주로 새로운 변환 기술들과 전기적인 인터페이스 덕분입니다. 결과적으로, 240 fps의 4 ms 셔터 시간은 롤링 셔터 효과로 인한 왜곡을 크게 줄여줍니다.

이전 및 가장 최근 (오른쪽 그림) 롤링 셔터 센서의 셔터 속도 비교. 경주용 차량 옆의 표지판 (차량의 속도는 약 205km/h)을 판독하고 분석할 수 있습니다.

게다가, 셔터의 방향이 오브젝트의 방향과 같으면, 이미지에서 눈에 띄는 기하학적 왜곡이 사실상 관찰되지 않습니다. 웹 검사 시스템에서 수직으로 장착된 롤링 셔터 카메라를 사용하는 것이 표준 관행이 되었습니다.

교통 모니터링 시스템은, 일반적으로 다리 또는 신호등 기둥에 장착되고, 카메라는 접근하는 오브젝트로 직접 향하게 됩니다. 이제 OCR 또는 오브젝트 인식을 위한 비용 효율적인 센서로 동일한 작업을 수행할 수도 있습니다.

반대 상황으로 고정된 오브젝트와 이동하는 카메라에서도, 동일하게 적용됩니다 (예: 버스, 기차 또는 휴대용 바코드 스캐너). 오늘날, 더 비싼 글로벌 셔터 센서는 종종 이러한 어플리케이션에 필수적이지 않습니다.

4. 롤링 셔터 센서의 이점들

롤링 셔터 센서는 글로벌 셔터 센서에 비해 두 가지 다른 이점들을 제공합니다.

더 나은 이미지 품질

버퍼의 제거 덕분입니다. 노출 시간의 마지막에서, 밝기 값이 글로벌 셔터 픽셀의 메모리 셀에 "저장"됩니다. 최신 센서에서, 메모리 셀은 전자 또는 실제 전압 (이미 변환됨)을 저장할 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 온도가 변동하면, 마지막 라인은 최종적으로 검색되기 전에 프레임의 전체 기간을 기다려야 하기 때문에, 저장된 정보가 저하될 수 있습니다.

센서의 설계에 따라, 블랙 레벨과 이미지 노이즈가 증가하는 것은 물론, 핫 픽셀이 더 자주 형성되는 것도 초래할 수 있습니다. 대조적으로, 롤링 셔터 센서는 이 중간 단계 없이 직접적으로 밝기 정보를 변환합니다.

고스트 이미지 없음

글로벌 셔터 센서는 햇빛이 비치는 실외에서 촬영된 이미지를 왜곡하는 고스트 또는 팬텀 이미지를 생성할 수 있습니다. 10 내지 30 µs 정도의 매우 짧은 노출 시간과 함께 매우 높은 수준의 조명은 모든 센서에 대해 극단적인 상황을 나타내기 때문입니다.

버퍼의 정보는 또한 이미지 캡처 후와 판독 전에 간접적으로 빛에 노출됩니다. 포토다이오드의 전자가 그곳으로 이동하여 추가 노출을 만듭니다. 이로 인해 고스트 이미지가 생성됩니다. 즉, 노출 시간이 종료된 후 오브젝트의 움직임이 이미지의 오버레이로 추적될 수도 있습니다. 롤링 셔터 센서에서는 이러한 유형의 아티팩트가 발생하지 않습니다.

6. 요약

USB 3.0, USB 3.1 Gen.1 및 GigE 인터페이스가 포함된 IDS의 다양한 산업용 카메라에 구현된 Sony STARVIS 시리즈의 IMX178 및 IMX290은, 중량 내지 대량(medium- to high-volume)의 가격에 민감한 프로젝트에 이상적인 매우 고품질 솔루션을 가능하게 합니다. 특히 USB 3.1 Gen 1 uEye LE 보드 레벨 카메라와 결합하여 사용할 때, 여러분의 개별 어플리케이션에 맞게 사용자 정의할 수 있는 다양한 옵션을 제공합니다. 예를 들어 M12, C-/CS 마운트 또는 나기판 변형(bare board variant) 중에서 선택할 수 있습니다.