TechTipp. Rolling-Shutter-Effekt unvermeidlich? Rolling-Shutter mit Global-Start verwenden. Hintergrund

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1 Rolling--Effekt unvermeidlich? Rolling- mit Global-Start verwenden Die Aufnahme bewegter Objekte mit Rolling--Sensoren führt zu bizarren Ergebnissen. Hubschrauber fliegen mit verbogenen Propellern oder Fahrzeuge werden entlang ihrer Fahrtrichtung verzerrt. Ist ein Rolling--Sensor ungeeignet für Aufnahmen bewegter Objekte? Für Abhilfe sorgen hier spezielle Betriebsmodi wie bspw. der Global-Start-Modus des 5-MPiel-Sensors MT9P031STM von ON Semiconductor. Hintergrund Im Grunde sind die Anforderungen an eine Bildaufnahme immer dieselben: die Erfassung eines Ereignisses bzw. Motivs mit einem erkennbaren und verzerrungsfreiem Ergebnis. Über einen Verschluss (elektronischer ) wird die Zeitdauer der Belichtung gesteuert, das heißt, wie lange Licht auf die fotoempfindliche Fläche fällt. Die Bildaufnahme im Sensor gliedert sich in vier Phasen: Zurücksetzen (Reset) der Piel in den zu belichtenden Zeilen Belichtung der Zeilen Ladungstransfer auf dem Sensor Auslesen der Daten Hier werden zwei -Verfahren unterschieden: Zum einen die globale zeitgleiche Aufnahmen mittels Global-, die zumeist bei CCD-Sensoren zum Einsatz kommt. Zum anderen die zeitlich rollierende Aufnahme mittels Rolling-, die bei CMOS-Sensoren verwendet wird. Funktionsweisen von Global- und Rolling- Global- Die Funktionsweise eines Global--Sensors entspricht der klassischen Filmklappe: alle Piel werden zeitgleich belichtet. Global- Zuerst werden alle Pielinhalte gelöscht. Anschließend startet die Belichtungsphase. Am Ende der Belichtung werden die Pielinhalte in eine Speicherzelle übertragen. Die Speicherzellen werden zeilenweise von oben nach unten ausgelesen und als digitale Werte übertragen. 1

2 Alle ueye CCD- sowie einige CMOS-Sensoren arbeiten mit dem Global-- Verfahren. Vorteile Nachteile Alle Zeilen werden gleichzeitig belichtet Kleinste Pielgröße derzeit 3,45 µm Keine Kompromisse bei der Anwendung Keine Verzerrung des aufgenommenen Motives Erfordert komplee und teurere Sensortechnologie Hotpiel-Bildung bei hohen Temperaturen und langer Belichtungszeit Rolling- Der Rolling- funktioniert wie eine Kamera mit Schlitzverschluss, das heißt die Zeilen werden nicht zeitgleich sondern nacheinander von oben nach unten belichtet. Rolling- Beim Rolling- erfolgen das Löschen und die Belichtung des Sensors zeilenweise leicht versetzt. Zum Ende der Belichtung werden die Zeilen nacheinander ausgelesen. Da hierdurch zwischen der Belichtung der ersten und der letzten Sensorzeile ein Zeitversatz entsteht, wird das Abbild eines bewegten Objektes verzerrt oder versetzt dargestellt. Vorteile Sehr hohe Auflösungen bei kleinem optischem Format Rauschfreier im Vergleich zum Global- Keine Speicherzellen: simpler Pielaufbau, ermöglicht sehr kleine Piel bis zu 0,9 µm Nachteile Motivbewegungen während der Aufnahme verursachen Artefakte im Bild Der bewegt sich von oben nach unten Rolling--Effekt: Lagefehler bei der Aufnahme bewegter Objekte 2

3 Rolling--Effekt vermeiden Globales Belichtungsfenster Um die Nachteile des Rolling-, insbesondere den Rolling--Effekt, zu vermeiden, können Sie im ueye Cockpit ein globales Belichtungsfenster verwenden. So kann für Rolling--Sensoren eine globale Blitzfunktion realisiert werden, in der wie beim Global--Verfahren alle Zeilen gleichzeitig belichtet werden. Die folgenden Punkte müssen dabei beachtet werden: Ihre Applikation unterstützt das Blitzen. Stellen Sie sicher, dass kein Fremdlicht einfallen kann. Rolling- mit globalem Belichtungsfenster Beim globalen Belichtungsfenster wird eine Verzögerungszeit eingestellt, um die der Blitz später eingeschaltet wird. Zusätzlich kann die Dauer des Blitzes angegeben werden. Globales Belichtungsfenster im ueye Cockpit Wenn Sie das globale Belichtungsfenster setzen, berechnet der Treiber automatisch den richtigen Blitzzeitpunkt. Ist die Belichtungszeit zu kurz eingestellt, wird Ihnen ein Hinweis mit der minimalen Belichtungsdauer angezeigt. Je nach Kameraeinstellung kann es einige Bilder dauern, bis das Blitztiming angepasst ist. 3

4 Rolling- mit Global-Start Eine weitere Möglichkeit bieten Rolling--Sensoren, die über einen speziellen Modus verfügen, den sogenannten Global-Start-Modus. Rolling- mit Global-Start Der Global-Start-Modus sorgt dafür, dass die Belichtung aller Zeilen gleichzeitig gestartet wird. Für optimale Ergebnisse muss bei diesem Modus ein Blitz verwendet werden. Außerhalb der Blitzdauer darf kein Licht auf den Sensor gelangen, da sich sonst eine ungleichmäßige Verteilung der Bildhelligkeit ergibt. Fazit Durch die enormen Fortschritte in der CMOS-Technologie wirken sich die bisherigen Probleme wie eingeschränkte Langzeitbelichtung oder Rolling--Effekt kaum noch auf Anwendungen aus. Zudem besitzen CMOS-Sensoren aufgrund ihrer anderen Bauart eine höhere Pieldichte und damit eine größere Auflösung als CCD-Sensoren. -Modi der CMOS-Sensoren Kamera Global- Rolling- Rolling- mit Global-Start UI-122/UI-322/UI-522 UI-124/UI-324/UI-524 UI-125/UI-325/UI-525 UI-146/UI-546 UI-148/UI-348/UI-548 UI-149/UI-549 UI-154/UI-554 UI-155/UI-555 UI-158/UI-358/UI-558 UI-164/UI-564 4

5 Kamera Global- Rolling- Rolling- mit Global-Start UI-3013XC UI-306 UI-336/UI-536 UI-337/UI-537 UI-359 Weitere Informationen zur Einstellung und Verwendung der verschiedenen -Modi finden Sie im ueye-handbuch unter Autoren Patrick Schick, Produktmanagement Marion Gentele, Technische Dokumentation Kontakt IDS Imaging Development Systems GmbH Dimbacher Straße Obersulm Deutschland Tel.: marketing@ids-imaging.de Web: IDS Imaging Development Systems GmbH Weitere TechTipps und Applikationsberichte finden Sie auf unserer Website. 5