5.64 Мб 
Введение
В CMOS-сенсорах обычно существует два основных режима накопления света пикселями: глобальный затвор (global shutter) и скользящий затвор (rolling shutter). Режим «глобального затвора» характеризуется тем, что все пиксели начинают и прекращают экспозицию одновременно для каждого кадра. Напротив, скользящий затвор можно описать как построчное накопление, где начало экспозиции каждой последующей строки временно отстает от предыдущей. Это можно представить как режим быстрого вертикального «сканирования» линиями, где верхняя строка обычно экспонируется первой, а затем все остальные. В контексте научной высокоскоростной съемки скользящий затвор считается непригодным для экспериментов из-за артефактов движения. Классический пример показан на рисунке 1, где изображение пропеллера самолета сильно искажено из-за высокой скорости вращения относительно скорости работы затвора. Тем не менее, этот режим иногда предпочтителен в приложениях, требующих более низкого шума считывания и более широкого динамического диапазона. Например, камера Phantom VEO4K имеет шум считывания 31 e– и динамический диапазон ~55 дБ в режиме глобального затвора, и всего 9.6 e– шума при ~71.6 дБ в режиме скользящего затвора.
Цель данной заметки — определить временные характеристики скользящего затвора в сравнении с глобальным и продемонстрировать, как светодиоды с TTL-управлением (или импульсные лазеры) могут быть использованы для преодоления артефактов движения путем синхронизации камеры с импульсами света, сохраняя при этом преимущество низкого уровня шума.
СХЕМА ОБОРУДОВАНИЯ
(Рисунок 2. Схематическое изображение испытательного стенда). Этот стенд используется для демонстрации того, как синхронизированные импульсные светодиоды могут минимизировать артефакты скользящего затвора. Примечание: сигнал Strobe* здесь модифицируется (длительность и задержка) с помощью функции программируемого ввода-вывода (IO) внутри камеры.
ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ВВОД-ВЫВОД (IO)
Для точного контроля длительности импульса светодиода и его временного положения относительно времени накопления камеры использовался строб-сигнал Phantom VEO4k. На Рисунке 3 показано меню программируемого IO, где поле «Width» (Ширина) управляет длительностью импульса, а поле «Delay» (Задержка) — положением импульса относительно начала и окончания работы затвора.
Контроллер GX8 был настроен так, чтобы подключенный светодиод начинал излучать свет точно при получении отрицательного фронта строб-сигнала от камеры. Примечание: отрицательный фронт строба также соответствует началу времени экспозиции камеры Phantom.
КЕЙСЫ
Для иллюстрации влияния длительности и фазы светового импульса на кадры скользящего затвора представлены три случая:
- СЛУЧАЙ 1 – Камера настроена на макс. частоту кадров, макс. экспозицию и полное разрешение (938 кадров/с / 1000 мкс / 4096 x 2160). Импульсы светодиода длительностью 500 мкс подавались в начале каждой экспозиции. Поскольку импульс прекращается до того, как затвор полностью «пройдет» до низа сенсора, создаются лишь частично освещенные кадры.
Диаграмма синхронизации: 938 кадров в секунду / 1000 мкс / 4096 x 2160 / Импульс = 500 мкс / Задержка = 0
- СЛУЧАЙ 2 – Камера настроена на макс. частоту кадров, укороченную экспозицию и полное разрешение (938 кадров/с / 50 мкс / 4096 x 2160). Поскольку импульсы начинаются и заканчиваются в середине процесса срабатывания затвора, свет собирает только определенная часть строк.
Диаграмма синхронизации: 938 кадров в секунду / 50 мкс / 4096 x 2160 / Импульс = 20 мкс / Задержка = 500 мкс
- СЛУЧАЙ 3 – Камера настроена на пониженную частоту кадров, макс. экспозицию и полное разрешение (500 кадров/с / 2000 мкс / 4096 x 2160). Так как относительное время накопления увеличено, создается «стробоскопическая зона» (Strobe Zone). Любой импульс, который начинается и заканчивается в пределах зоны 500–1500 мкс от начала экспозиции, будет освещать сразу все строки.
Диаграмма синхронизации: 500 кадров в секунду / 2000 мкс / 4096 x 2160 / Импульс = 20 мкс / Задержка = 1000 мкс
Заключение
Чтобы устранить артефакты движения скользящего затвора, пользователи могут подавать импульсы света в тот момент, когда все строки сенсора находятся в режиме экспозиции. Вкратце, это достигается путем синхронизации камеры с источником света и обеспечения того, чтобы световой импульс начинался и заканчивался внутри «стробоскопической зоны». Эти зоны можно расширить, снизив частоту кадров (при максимальном времени экспозиции) или уменьшив разрешение сенсора.
