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Rolling Shutter und Global Shutter bei CMOS Kameras

Bei jeder Kamera gib es für die Belichtung einen Startzeitpunkt und auch ein Ende. Dieser Vorgang wird analog zum Verschluß der analogen Kamera auch bei CMOS Kameras "shutter" genannt.

Bauartbedingt

Hierbei gibt es zwei Verfahren: Rolling und Global Shutter. Beide Verfahren werden durch den Aufbau des Sensors bestimmt, beide Verfahren erzeugen jedoch unterschiedliche Bilder.

Ausleseverfahren bestimmt Bildcharakterisik

Ein CMOS Flächensensor besteht aus Pixeln, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Diese Pixel werden ab einem bestimmten Zeitpunkt lichtempfindlich geschaltet und akkumulieren die Elektronen die aus der Lichteinwirkung im Silizium freigesetzt werden bis die eingestellte Belichtungszeit endet. Dieser Stromwert soll nun an die nachfolgende Elektronik übergeben werden.

Global Shutter bedeutet, alle CMOS Zellen starten und beenden die Belichtung zur gleichen Zeit. Hierzu sind auf dem Sensor Steuerleitungen notwendig, die aufgrund des Platzbedarfes die lichtempfindliche Fläche reduzieren - der Sensor ist weniger lichtempfindlich.

Entscheidend ist nun:

  • Mit Global Shutter beginnt die Belichtung für alle Pixel auf dem Sensor zur gleichen Zeit (Trigger) und endet zum gleichen Zeitpunkt
  • Beim Rolling Shutter werden die Zeilen zeitversetzt belichtet, d.h. der Aufnahmezeitpunkt aller Zeilen ist nicht zum Zeitpunkt des Triggers und der Aufnahmezeitpunkt aller Zeilen ist unterschiedlich

 

Die zeitversetzte Belichtung der Zeilen führt bei bewegten Objekten zu Rolling Shutter Effekten (geometrische Verzerrungen) die manchmal überraschend aussehen. Auch beim Blitzen mit Rolling Shutter ist auf die Eigenheiten des Sensors zu achten.

Im Bereich Machine Vision, bei denen die oftmals schnell bewegten Objekte ja hohe Winkelgeschwindigkeiten haben, werden deshalb fast ausschließlich Global Shutter CMOS Sensoren eingesetzt.

Rautenförmige geometrische Verzerrung von an einer Kamera vorbeifahrenden Flaschen auf einem Fliessband mit Rolling Shutter

Gründe für Global Shutter

Der global shutter schaltet alle CMOS Zellen zur gleichen Zeit. Insbesondere bei bewegten Objekten ist das ein großer Vorteil, denn die aus unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten resultierenden geometrischen Verzerrungen werden vermieden.

Das Blitzen ist einfach: Alle Zellen sind zur gleichen Zeit lichtempfindlich. Die Blitzbelichtung kann nahezu beliebig kurz sein und die Belichtsspanne der CMOS Zellen muß auch nur so kurz sein wie der Blitzimpuls.

Machine Vision Sensoren sind nahezu ausschließlich Global Shutter Sensoren.

Gründe für Rolling Shutter

Die CMOS Zeilen werden sequentiell angesteuert. Die Global Shutter Steuerleitungen sind deshalb nicht notwendig. Dadurch steht mehr Platz auf dem Sensor zur Verfügung, der als lichtempfindliche Fläche genutzt werden kann. Die geringere Anzahl von Transistoren pro Pixel trägt zu einem besseren Rauschverhalten bei. Ein besserer dynamic Range ist die Folge.

Im Vergleich zu Global Shutter bietet bei identischer Sensorgröße und Auflösung der Rolling Shutter somit

  • mehr lichtempfindliche Fläche
  • lichtempfindlichere Pixel
  • einen größeren Flächendeckungsgrad
  • eine höhere Full Well Sättigung
  • geringeres Rauschen

 

Blitzen mit Global Shutter hat Besonderheiten, auf die unbedingt zu achten ist!