CMOS-Rolling Shutter-Kameras
Der Rolling Shutter ist ein Belichtungsverfahren, bei dem der Sensor in abgestufter Reihenfolge belichtet wird, also Zeile für Zeile. Wichtige Vorteile von CMOS-Rolling Shutter-Sensoren sind niedrigeres Grundrauschen und eine geringere Wärmeentwicklung. In vielen Modellen der Basler ace, ace 2 und dart Flächenkameras sind Sensoren mit Rolling Shutter-Technologie integriert. Sie eignen sich für eine Vielzahl von Machine Vision Anwendungen.
Global Shutter vs. Rolling Shutter
Wählt man eine Kamera für ein Bildverarbeitungssystem, sind nicht nur die Auflösung und Geschwindigkeit entscheidend, sondern auch die Belichtungstechnik und damit die Art des Shutters. Unser White Paper erklärt, wie Global Shutter und Rolling Shutter funktionieren und beschreibt die unterschiedlichen Funktionsweisen beider Belichtungsverfahren.
Wie arbeitet eine Rolling Shutter-Kamera?
Die Rolling Shutter-Technologie wird in vielen digitalen Kamerasensoren und Bildaufnahmemodulen eingesetzt. Beim Rolling Shutter erfolgt die Belichtung jeder Pixelzeile des Bildsensors zeitlich versetzt. Je nach Sensortyp geschieht dies entweder von oben nach unten oder in manchen Fällen von links nach rechts. Beim Global Shutter hingegen werden alle Pixel eines Bildsensors gleichzeitig belichtet.
Zeilenweises Auslesen der Pixelreihen
Rolling Shutter-Sensoren lesen Bilddaten immer Zeile für Zeile aus. So entsteht aus Effizienzgründen ein zeitlicher Versatz zwischen den Start- bzw. Endzeitpunkten der Belichtung der einzelnen Zeilen. Dieser Versatz entspricht der Auslesezeit.
Sie ist je nach Sensor unterschiedlich lang: bei schnellen Sensoren ist sie kleiner und der zeitliche Versatz zwischen den Zeilen ist entspreche nd geringer als bei langsamen Sensoren. Je niedriger also die Bildrate eines Rolling Shutter-Sensors ist, desto deutlicher zeigen sich bei bewegten Objekten Verzerrungen oder Verzeichnungen. Bei statischen Objekten hingegen treten aufgrund der fehlenden Bewegung keine derartigen versatzbedingten Artefakte auf.
Die Vorteile moderner Rolling Shutter-Kameras
Die Belichtung und das Auslesen der Lichtinformationen, die auf der Sensoroberfläche erfasst werden, erfolgt beim Rolling Shutter anders als beim Global Shutter. Die Elektronik, die diesen Prozess steuert, ist in Rolling Shutter-Sensoren weniger komplex als in Global Shutter-Sensoren. Sie besteht aus weniger Bauteilen und ist auch dadurch im Preis günstiger. Dank der geringeren Anzahl von Transistoren entstehen weniger Wärme und weniger Rauschen, was die Empfindlichkeit des Sensors verbessert.
Rolling Shutter-Kameras eignen sich hervorragend für Anwendungen, in denen Kameras eine erhöhte Empfindlichkeit bzw. Bildqualität bei nicht- oder langsam bewegten Inspektionsobjekten zeigen sollen. Im Vergleich zu Global Shutter-basierten Kameras haben Rolling Shutter-basierte Kameras oftmals ein deutlich besseres Preisniveau im Verhältnis zur Auflösung. Dank kleinerer Pixel lässt sich oft eine sehr hohe Auflösung in kleineren Sensorformaten erzielen.
Was Rolling Shutter auszeichnet
Rolling Shutter-Sensoren sind Global Shutter-Sensoren in folgenden Punkten überlegen:
Gute Bildqualität durch niedriges Rauschen bei höheren Auflösungen
Kosten- und Energieeffizienz dank vereinfachtem Design
Der Rolling Shutter-Effekt
Aufgrund der zeilenweisen Belichtung können Verzerrungen entstehen, wenn sich das abgebildete Objekt zwischen dem Beginn der Belichtung der ersten Zeile und dem Beginn der Belichtung der letzten Zeile schnell bewegt.
So entsteht der Rolling Shutter-Effekt
Beim Auslesen der Bilddaten werden die belichteten Zeilen in der gleichen Reihenfolge zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Aufgrund der Verzögerung bei der Belichtung der einzelnen Zeilen wird dieser zeitliche Versatz auch im zusammengesetzten Bild sichtbar - in Form von Verzerrungen.
Situationen, in denen der Rolling Shutter-Effekt auftreten kann
Bewegen sich das Objekt oder die Kamera schnell, können je nach Bildrate des Sensors bei Aufnahmen einer Rolling Shutter-Kamera geringe bis deutliche Verzerrungen auftreten.
Schnell fahrende Fahrzeuge: Bei einem Auto, Zug oder Motorrad, das in hoher Geschwindigkeit vorbeifährt, können die Räder des Fahrzeugs elliptisch und das gesamte Fahrzeug schief dargestellt werden.
Propeller und Rotorblätter: Schnell rotierende Gegenstände wie Hubschrauberrotoren oder Flugzeugpropeller können als verbogene Streifen erscheinen anstatt als kreisförmige Bewegungen.
Objekte auf einem Fließband: Machine Vision Systeme entdecken im Rahmen der Qualitätskontrolle fehlerhafte oder verunreinigte Objekte, die aussortiert werden müssen. Bei Fabrik-Anwendungen mit hohem Durchsatz können gerade Linien schräg oder gekrümmt erscheinen und dadurch die Genauigkeit der Ergebnisse beeinträchtigen.
Lauf- oder schnelle Sportarten: Beim Filmen von Personen, die laufen oder Sportarten wie Fußball, Tennis oder Leichtathletik ausüben, können Beine und Arme verzerrt und gebogen erscheinen.
Schwenken der Kamera: Beim schnellen Schwenken der Kamera, zum Beispiel bei einer Szenenverfolgung, können gerade Linien wie Gebäude oder Zäune schief und gebogen dargestellt werden.
Der Einfluss der Bildrate auf den Rolling Shutter-Effekt
Der entscheidende Faktor für den Rolling Shutter-Effekt ist die Zeit, die benötigt wird, um eine Zeile auszulesen. Bei einem schnellen Sensor mit einer Bildrate von mindestens 60 Bildern pro Sekunde ist der Effekt geringer als bei einem langsamen Sensor mit maximal 15 Bildern pro Sekunde.
Pauschal gilt:
Je höher die maximale Bildrate eines Sensors ist, desto kürzer die Auslesegeschwindigkeit und desto geringer der Rolling Shutter-Effekt.
Die Belichtungszeit hingegen hat keinerlei Einfluss auf den Rolling Shutter-Effekt.
Dem Rolling Shutter-Effekt entgegenwirken
Es gibt mehrere Möglichkeiten, um den Rolling Shutter-Effekt zu minimieren:
Stacked BSI-Sensoren
Moderne Stacked Backside Illuminated-Sensoren bieten ein schnelleres Auslesen und können den Rolling Shutter-Effekt reduzieren.Blitzlicht
Ein präzise getriggerter Blitz liefert einen intensiven Lichtimpuls in dem Moment, in dem alle Zeilen belichtet werden. So wird, ähnlich wie beim Global Shutter, die gesamte Sensorfläche gleichzeitig beleuchtet.Software-Korrektur
Mithilfe von Bildverarbeitungsfunktionen lassen sich Verzerrungen nachträglich minimieren und der Rolling Shutter-Effekt korrigieren.
Vollständig verhindern lassen sich effektbedingte Verzerrungen mithilfe eines Global Shutters. Bei dieser Methode der Belichtung werden alle Pixelzeilen gleichzeitig ausgelesen. Das verhindert Artefakte, wie sie beim Rolling Shutter-Effekt auftreten. Ihre komplexere Elektronik macht Global Shutter-Sensoren jedoch meist teurer als Rolling Shutter-Sensoren.
Rolling Shutter-Kamera oder Global Shutter-Kamera?
Diese Entscheidung hängt stark von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab.
Vereinfacht gesagt gilt für die Entscheidung zwischen Rolling Shutter-Kamera oder Global Shutter-Kamera:
Rolling Shutter-Kameras liefern hervorragende Ergebnisse bei statischen Inspektionsobjekten,
Global Shutter-Kameras sind die bevorzugte Wahl für dynamische Szenarien. Sie eignen sich uneingeschränkt für schnelle Bewegungsabläufe wie zum Beispiel für die Objekterkennung auf Fließbändern in der Fabrikautomation oder die automatische Nummernschilderkennung in der Verkehrsüberwachung.