Neue Blickwinkel

Neue Vorteile von Rolling-Shutter-Sensoren

Seit Einführung der CMOS-Sensoren ist das Shuttersystem sicherlich eines der bekanntesten Merkmale. In unzähligen Artikeln wurde bereits über die Vor-und Nachteile berichtet. Warum also ein weiterer Artikel zu diesem Thema? Einige Facetten wurden bisher nur wenig beleuchtet, sind heute aber aktueller denn je.

Bild 1 | Zusammen mit den USB3.1 Gen 1 uEye LE Boardlevel-Kameras ermöglichen die Starvis Rolling-Shutter-Sensoren hochwertige Lösungen für preissensible Projekte.

Warum unterscheiden wir im Wesentlichen zwischen den beiden Betriebsarten der Bildaufnahme: Global und Rolling Shutter? Wesentliches Unterscheidungsmerkmal zwischen beiden ist das Zeitverhalten während der Belichtungsphase. Beim Global Shutter werden zeitlich zuerst alle vorhandenen Informationen in den Pixeln gelöscht und der Zustand vermessen. Danach werden die Pixel alle gemeinsam elektronisch fürs Licht geöffnet (Beginn der aktiven Belichtungsphase). Am Ende der Belichtungszeit findet das gleichzeitige Speichern der Ladungsinformation in einem lichtunempfindlichen Bereich statt. Diese Informationen werden bei CMOS-Sensoren im Anschluss daran Zeile für Zeile in Grauwerte umgewandelt und übertragen. Heutige CMOS-Sensoren sind mittlerweile so schnell, das Pixelinformationen auf bis zu 24 Leitungen gleichzeitig seriell übertragen werden. Eine extreme Herausforderung an die nachfolgende Schaltungstechnik. Sei es FPGA, ASIC oder ein USB- bzw. Ethernet-Chipsatz. Die mit einem Global Shutter Pixel aufgenommenen Bilder sind frei von Artefakten, die durch Bewegung erzeugt werden. Da es sich um einen Schnappschuss, eine Momentaufnahme handelt.

Aufnehmen und Auslesen

Der heutige Trend zu mehr Pixeln auf immer kleinerer Fläche bedingt einen Kompromiss, denn in einem Pixel müssen viele Bauelemente untergebracht werden. Um den einzelnen Pixel noch kleiner zu bekommen, z.B. um dem Smartphone eine zweistellige Megapixel-Auflösung zu ermöglichen, muss der Pixel in den 1µm Bereich verkleinert werden. Dies geht nur durch das Weglassen von Bauteilen, wie des Zwischenspeichers im Pixel. Eine globale Aufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt ist dann nicht mehr möglich. Die Lösung hierfür ist, dass das Ende der Belichtung durch das direkte Auslesen der Information bestimmt wird. Da Zeile für Zeile nacheinander übertragen wird, ist es eine rollierende Aufnahme (Rolling Shutter). Erreicht ein Sensor 60fps, dauert das Auslesen und damit Belichtungszeitende 16ms von der ersten bis zur letzten Zeile. Die oberen Bildteile werden im Vergleich zur unteren Bildhälfte also früher in der Belichtung gestoppt. Damit alle Zeilen auch die gleiche Belichtungszeit bekommen, muss auch der Start der Belichtung entsprechend verschoben werden. Zeile für Zeile wird nacheinander für das Licht geöffnet. Bewegt sich ein Objekt, gibt es keine akkurate Bildwiedergabe.

Bildübertragung

CMOS-Sensoren der ersten Generationen hatten für die Ausgabe der Bilddaten ein paralleles Interface. Datenmengen von 100MP/s waren dort obere Liga. Für einen 5MP Sensor bedeutet dies ungefähr 20fps bzw. 50ms Auslesezeit für ein Bild. Neuere CMOS-Sensoren sind mittlerweile um den Faktor 5 bis 10 schneller. Die Auslesezeit von 500MP/s bzw. 120 oder 240fps sind heute Standard, dank neuer Umwandlungstechnologien und elektrischen Interfaces. Die resultierenden 4ms Shutterzeit bei 240fps ergeben eine deutliche Verbesserung bei der Handhabung. Wenn dazu die Laufrichtung des Shutters mit der des Objektes übereinstimmt, sind nahezu keine störenden geometrischen Verzeichnungen zu beobachten. Bahninspektionen mit hochkant montierter Rolling Shutter Kamera sind mittlerweile gängige Praxis. Verkehrsüberwachungsaufgaben von einer Brücke oder einem Ampelmast direkt auf ein sich näherndes Objekt ausgerichtet sind nun auch mit kostengünstigeren Sensoren für eine OCR oder Objekterkennung möglich. Das gilt auch für den umgekehrtem Fall: Das Motiv ist unbewegt, die Kamera aber mobil, z.B. in Bussen, Zügen oder Barcode-Handscanner. Für diese Anwendungen ist heutzutage oftmals mehr kein höherpreisiger Global Shutter Sensor notwendig.

Rolling-Shutter-Vorteile

Bild: IDS Imaging Development Systems GmbH

Bild 2 | Die mit einem Global Shutter Pixel aufgenommenen Bilder (rechts) sind frei von Artefakten, die durch Bewegung erzeugt werden. (Bild: IDS Imaging Development Systems GmbH)

Ein Rolling Shutter hat noch weitere Vorteile gegenüber einem Global-Shutter-Sensor. ‚Bessere Bildqualität‘ durch Weglassen des Zwischenspeichers: Am Ende der Belichtungszeit wird der Helligkeitswert im Global Shutter Pixel in eine Speicherzelle ´weggerettet´. Das können bei modernen Sensoren die Elektronen sein, oder die schon umgewandelte echte Spannung. Mit Zeit und Temperatur kann sich diese lagernde Information nachteilig verändern, denn die letzte Zeile wartet die gesamte Dauer eines Frames darauf, abgeholt zu werden. Die Folgen sind – je nach Sensorkonstruktion – verstärkte Hotpixelbildung und eine Erhöhung des Schwarzwertes sowie des Bildrauschens. Der Rolling Shutter Sensor hingegen wandelt die Helligkeitsinformation direkt ohne diesen Zwischenschritt um. Keine Geisterbilder: Ein Global-Shutter-Sensor kann Geisterbilder erzeugen, die bei Außenaufnahmen im Sonnenlicht stören. Denn dies ist eine Extremsituation für jeden Sensor: extrem viel Licht bei gleichzeitig sehr kurzen Belichtungszeiten von 10 bis 30µs. Die im Zwischenspeicher liegende Information ist nach der Aufnahme und vor dem Auslesen zudem noch indirekt dem Licht ausgesetzt. Elektronen aus der Photodiode wandern herüber und erzeugen eine Nachbelichtung. Die Folge sind Geisterbilder, d.h. die Objektbewegung kann auch nach Beendigung der Belichtungszeit als Überlagerung im Bild verfolgt werden. Ein Rolling Shutter Sensor weist diese Eigenheit nicht auf.

Starvis CMOS-Sensoren

Sony hat mit den Sensoren der Starvis-Reihe eine neue Rolling-Shutter-Sensorfamilie im Angebot, die auf Bildqualität optimiert ist. Die Sensoren besitzen ein extrem niedriges Rauschen von nur zwei Elektronen pro Sekunde. Da der Pixel selbst weniger Komponenten besitzt, kann er mit der größeren Photodiode auch mehr Ladungen aufnehmen. Die hohe Ladungskapazität ergibt dann zusammen mit dem niedrigen Grundrauschen des Sensors die gewünschte hohe Dynamik. Ein weiterer Zusatznutzen der Sensoren ist die Möglichkeit der Langzeitbelichtung. Die Sensoren erreichen in der IDS-Implementierung 120s Belichtungszeit. Das ermöglicht den Einsatz in Anwendungen wie Mikroskopie und Analyse, da dort oftmals wenig Licht vorhanden und eine lange Belichtungszeit notwendig ist.