So sánh ưu nhược điểm của chế độ Global shutter và Rolling shutter camera CMOS

Chế độ Rolling shutter và Global shutter (còn gọi là chế độ Rolling và Global Exposure) mô tả hai trình tự riêng biệt mà qua đó hình ảnh có thể được đọc từ cảm biến CMOS. Ở chế độ rolling shutter, các đường khác nhau của mảng được phơi sáng ở những thời điểm khác nhau khi 'sóng' đọc ra quét qua cảm biến, trong khi ở chế độ global shutter, mỗi pixel trong cảm biến bắt đầu và kết thúc phơi sáng đồng thời, tương tự như cơ chế phơi sáng của một CCD liên dòng. Tuy nhiên, độ nhiễu thấp nhất và tốc độ khung hình không đồng bộ nhanh nhất đạt được có ở chế độ rolling shutter .

Hình 1: Minh họa thể hiện trình tự phơi sáng trong chế độ màn trập rolling và màn trập global.

Chế độ rolling shutter

Chế độ Rolling Shutter về cơ bản có nghĩa là các hàng liền kề của mảng được hiển thị ở những thời điểm hơi khác nhau khi 'sóng' đọc được quét qua mỗi nửa cảm biến.

Rolling Shutter có thể được vận hành ở chế độ 'chồng chéo' liên tục khi chụp một loạt hình ảnh động, theo đó, sau khi đọc xong mỗi hàng, nó sẽ ngay lập tức chuyển sang lần phơi sáng tiếp theo. Điều này đảm bảo chu kỳ hoạt động 100%, nghĩa là không lãng phí thời gian giữa các lần phơi sáng.

Nhược điểm tiềm ẩn của chế độ rolling shutter là biến dạng không gian do cơ chế phơi sáng. Sự biến dạng sẽ rõ ràng hơn trong trường hợp các vật thể lớn hơn đang di chuyển với tốc độ mà khả năng đọc hình ảnh không thể sánh được. Tuy nhiên, hiện tượng biến dạng ít xảy ra hơn khi các vật thể tương đối nhỏ đang chuyển động với tốc độ bị lấy mẫu quá mức theo thời gian bởi tốc độ khung hình.

Một nhược điểm nữa là các vùng khác nhau của hình ảnh được phơi sáng sẽ không tương quan chính xác về thời gian với các vùng khác. Nhược điểm quan trọng nhất là việc đồng bộ hóa (ví dụ: kích hoạt nguồn sáng hoặc chuyển động của thiết bị ngoại vi) với chỉ số rolling shutter có thể phức tạp và cũng có thể dẫn đến thời gian chu kỳ và tốc độ khung hình chậm hơn so với những gì có thể đạt được trong global shutter.

Chế độ Global shutter

Chế độ Global shutter, cũng có thể được coi là chế độ phơi sáng 'Chụp nhanh', có nghĩa là tất cả các pixel của mảng được phơi sáng đồng thời, do đó cho phép chụp 'khung hình đóng băng' các sự kiện chuyển động nhanh hoặc thay đổi nhanh.

Global shutter có thể được cấu hình để hoạt động ở chế độ 'chồng chéo' liên tục (tương tự như CCD xen kẽ), theo đó mức phơi sáng có thể tiếp tục trong khi mức phơi sáng trước đó đang được đọc từ các nút đọc của mỗi pixel.

Điều quan trọng là chế độ Global Shutter rất đơn giản để đồng bộ hóa và thường mang lại tốc độ khung hình nhanh hơn so với nỗ lực đồng bộ hóa với Rolling Shutter với cùng thời gian phơi sáng. Global shutter cũng có thể được coi là cần thiết khi cần có sự tương quan chính xác về thời gian giữa các vùng khác nhau của vùng cảm biến.

Tuy nhiên, cơ chế của chế độ global shutter yêu cầu việc đọc tham chiếu được thực hiện 'ở hậu trường', bên cạnh việc đọc điện tích thực tế từ mỗi pixel. Cần có phần đọc số hóa bổ sung này để loại bỏ nhiễu thiết lập lại khỏi hình ảnh màn trập tổng thể . Do khả năng đọc tham chiếu bổ sung này, chế độ global shutter mang đến sự đánh đổi bằng việc giảm một nửa tốc độ khung hình không đồng bộ tối đa mà lẽ ra có thể đạt được ở chế độ rolling shutter.

Bảng 1 - So sánh ưu và nhược điểm của Rolling và Global Shutter

Chế độ Rolling Shutter hay Global Shutter - loại nào phù hợp?

Chế độ rolling shutter hay global shutter có phù hợp với bạn hay không sẽ phụ thuộc rất nhiều vào thử nghiệm. Global shutter có cơ chế phơi sáng 'không nhất thời' sẽ mang lại sự đảm bảo về việc chụp 'khung hình cố định' đối với các vật thể chuyển động hoặc các sự kiện nhất thời trong chuỗi thu thập động học với độ biến dạng không gian bằng 0, cũng như cung cấp hiệu suất đồng bộ hóa đơn giản và nhanh hơn. Đối với các ứng dụng cụ thể, ví dụ như khi yêu cầu các vùng khác nhau của hình ảnh duy trì mối tương quan theo thời gian hoặc khi cần đồng bộ hóa chính xác với các sự kiện tồn tại tương đối ngắn, global shutter sẽ được xem là cần thiết.

Hình 2 - Hình ảnh một chiếc quạt chuyển động, được chụp với chế độ phơi sáng rolling shutter và global shutter, cùng thời gian phơi sáng. Hiện tượng biến dạng không gian liên quan đến 'hiệu ứng rolling shutter' được thấy rõ ở ảnh bên trái. Global shutter là chế độ thu ảnh 'chụp nhanh' và tránh biến dạng không gian.

Tuy nhiên, chế độ Rolling Shutter, với  khả năng tốc độ khung hình tối đa không đồng bộ được nâng cao và độ nhiễu đọc thấp hơn, vẫn có khả năng phù hợp với nhiều ứng dụng khoa học, ví dụ: khi người ta chỉ cần theo dõi các vật thể tương đối nhỏ ở dạng 2D dưới dạng hàm của thời gian.