CMOS-сенсоры для видеокамер: Global Shutter или Rolling Shutter?

28 января 2025 CMOS-сенсоры для видеокамер: Global Shutter или Rolling Shutter?

Современные видеокамеры и системы видеонаблюдения активно используют CMOS-сенсоры (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) для захвата изображения. Эти сенсоры стали популярными благодаря своей энергоэффективности, компактности и относительно низкой стоимости производства. Однако при выборе CMOS-сенсора важно учитывать тип используемого механизма считывания данных: Global Shutter (глобальный затвор) или Rolling Shutter (прогрессивный затвор). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, которые влияют на качество изображения и область применения камеры.

---

Что такое Rolling Shutter?

Rolling Shutter — это метод считывания данных с сенсора, при котором кадр формируется построчно, начиная с верхней строки и заканчивая нижней. Это означает, что каждая строка пикселей сенсора экспонируется и считывается в разное время. Такой подход широко используется в большинстве потребительских камер, смартфонов и бюджетных видеокамер.

Преимущества Rolling Shutter:
1. Низкая стоимость производства: Rolling Shutter требует меньше технологических сложностей, что делает сенсоры дешевле.
2. Высокая скорость считывания: Этот метод позволяет достигать высоких кадровых частот, что важно для съемки быстрых процессов.
3. Энергоэффективность: Rolling Shutter потребляет меньше энергии по сравнению с Global Shutter.

Недостатки Rolling Shutter:
1. Искажения при движении: Если объект съемки или сама камера движутся быстро, могут возникать искажения, такие как "желеобразный эффект" (jello effect) или наклон вертикальных линий.
2. Проблемы с синхронизацией: При съемке быстро движущихся объектов или при использовании вспышки могут возникать артефакты, так как разные части кадра экспонируются в разное время.

---

Что такое Global Shutter?

Global Shutter — это метод, при котором все пиксели сенсора экспонируются одновременно, а затем считываются одновременно. Это позволяет избежать искажений, связанных с движением, и делает Global Shutter идеальным выбором для профессиональных приложений, где важна точность изображения.

Преимущества Global Shutter:
1. Отсутствие искажений: Global Shutter исключает проблемы, связанные с движением, что делает его идеальным для съемки быстро движущихся объектов.
2. Синхронизация с внешними устройствами: Этот метод позволяет точно синхронизировать сенсор с внешними источниками света или другими устройствами, что важно в промышленных и научных приложениях.
3. Качество изображения: Global Shutter обеспечивает более точное и четкое изображение, особенно в условиях быстрого движения.

Недостатки Global Shutter:
1. Высокая стоимость: Технология Global Shutter сложнее в производстве, что делает такие сенсоры дороже.
2. Ограниченная скорость считывания: Global Shutter может быть медленнее, чем Rolling Shutter, особенно при высоких разрешениях.
3. Энергопотребление: Сенсоры с Global Shutter обычно потребляют больше энергии.

Рис. 1 Принцип действия CMOS-сенсоров разных типов.
---

Где применяются Rolling Shutter и Global Shutter?

Rolling Shutter:
- Потребительская электроника: Смартфоны, бюджетные видеокамеры, экшн-камеры.
- Видеонаблюдение: Камеры для статичных сцен или с медленным движением.
- Съемка в условиях хорошего освещения: Rolling Shutter хорошо работает при достаточном освещении, где искажения минимальны.

 Global Shutter:
- Промышленные приложения: Машинное зрение, робототехника, контроль качества на производстве.
- Научные исследования: Высокоскоростная съемка, астрономия, микроскопия.
- Киноиндустрия: Профессиональные камеры для съемки быстрых сцен.
- Автономные транспортные средства: Камеры для систем автономного вождения, где важна точность изображения.

---

Как выбрать между Rolling Shutter и Global Shutter?

Выбор между Rolling Shutter и Global Shutter зависит от задач, которые вы ставите перед камерой:

- Если вам нужна недорогая камера для съемки статичных сцен или сцен с медленным движением, Rolling Shutter станет отличным выбором.
- Если вы работаете с быстро движущимися объектами или вам требуется высокая точность изображения, Global Shutter будет предпочтительным вариантом, несмотря на его более высокую стоимость.

Сравнительная таблица плюсов и минусов

Режим	Rolling Shutter	Global Shutter
Снимок экспозиции	нет	да
Порядок считывания	Нет — очень разная «временная» последовательность воздействия	Да — чрезвычайно похожая последовательность воздействия
Временная задержка между различными регионами изображения области	Нет — разница до 10 мс (560 МГц) между центром и верхом или низом изображения	Да — все пиксели представляют одинаковое время экспозиции.
Возможность синхронизации	Комплекс для синхронизации. Требуется источник стробоскопического света. Более длительное время цикла.	Просто синхронизировать. Любой источник света. Более короткое время цикла.
Быстрая двойная экспозиция	нет	да
Максимальная частота кадров	Максимально доступно (не синхронизировано).	Максимальная частота кадров уменьшается вдвое.
Шум	Низкий уровень в районе 1 е —  до 1,3 е —	Более высокий уровень в районе 2,3 е —  до 2,6 е —
Искажения,артефакты	Возможны	Нет
Эффективность рабочего цикла	Уменьшено, например, если требуется отключить подсветку во время «переходных» фаз считывания	Как правило, намного больше, так как не требуется переходной фазы считывания.

---

Будущее CMOS-сенсоров

С развитием технологий CMOS-сенсоры становятся все более совершенными. Уже сейчас появляются гибридные решения, которые сочетают преимущества Rolling Shutter и Global Shutter. Например, некоторые производители предлагают сенсоры с "псевдо-Global Shutter", которые используют алгоритмы для компенсации искажений Rolling Shutter. В будущем можно ожидать дальнейшего снижения стоимости Global Shutter и его более широкого распространения в потребительских устройствах.

---

В заключение, выбор между Rolling Shutter и Global Shutter зависит от ваших требований к качеству изображения, бюджета и условий съемки. Оба метода имеют свои сильные стороны, и понимание их особенностей поможет вам сделать правильный выбор для вашего проекта.


(C) Mihail Andreyev, 2025