Was sind Global Shutter- und Rolling Shutter-Kameras? Wie wählt man die passende Kamera für die jeweilige Anwendung aus?

Moderne Embedded Vision-Systeme verfügen über Sensoren, die Bilder für verschiedene Verarbeitungs- und Analysezwecke erfassen und aufzeichnen. Diese Sensoren nutzen einen elektronischen Shutter zur Bildaufnahme. Ein elektronischer Shutter steuert die Belichtung der Photonenquellen auf dem Sensor. Er bestimmt außerdem, ob die Pixel zeilenweise oder als komplette Matrix belichtet warden.

Lassen Sie uns die Unterschiede zwischen Global Shutter und Rolling Shutter sowie ihre Vor- und Nachteile entdecken und erfahren, wie Sie den für Sie passenden Shutter auswählen.

So funktioniert der Shuttermechanismus

Aber zunächst wollen wir uns die Shuttermechanismen und ihre Funktionsweise ansehen.

Was ist Global Shutter?

Im Global-Shutter-Modus eines Bildsensors beginnt und beendet jedes Pixel des Sensors seine Belichtung gleichzeitig innerhalb der programmierten Belichtungsdauer während jedes Bildaufnahmezyklus. Nach Ablauf der Belichtungszeit beginnt der Prozess des systematischen Auslesens der Pixeldaten Zeile für Zeile, bis alle Pixeldaten extrahiert sind.

Dieser Mechanismus ist in Global-Shutter-Kameras integriert und gewährleistet die Aufnahme unverzerrter Bilder ohne Wackel- oder Schiefartefakte. Deshalb werden diese Sensoren in Embedded-Vision-Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Abbildung schnell bewegter Objekte erfordern.

Beispielsweise wird ein Bild mit einer Auflösung von 640 x 480 aufgenommen. Bei der Belichtung mit Global Shutter werden alle 307200 (640 x 480) Sensorpixel für die programmierte Belichtungsdauer gleichzeitig belichtet.

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Global Shutter kann allein Rolling-Shutter-Artefakte vermeiden, nicht jedoch Bewegungsunschärfe, die durch sich schnell bewegende Objekte und Belichtung entsteht. Nur bei niedrigeren Belichtungsstufen trägt Global Shutter dazu bei, scharfe Bilder bewegter Objekte ohne Bewegungsunschärfe aufzunehmen.

So funktioniert Global Shutter

Ein Global-Shutter-Sensor erfasst ein ganzes Bild auf einmal, indem er alle Pixel gleichzeitig belichtet. Im Gegensatz zu Rolling Shutters, bei denen Pixelreihen sequenziell gelesen werden, starten und beenden Global Shutter die Belichtung über den Sensor hinweg gleichzeitig. Dies verhindert zeitbedingte Verzerrungen in dynamischen Szenen.

Bei der Bildaufnahme beginnt jedes Pixel gleichzeitig mit der Belichtung und speichert die angesammelte Ladung. Nach Abschluss der Belichtung werden die Daten von jedem Pixel in einen Auslesepuffer übertragen, bevor sie zeilenweise verarbeitet werden.

Durch diese Entkopplung von Belichtungs- und Auslesezeitpunkt werden geometrische Verzerrungen, Wackeln oder partielle Belichtungsartefakte vermieden, die in Hochgeschwindigkeits- oder vibrationsintensiven Umgebungen häufig auftreten. Die Global-Shutter-Architektur ist ideal, wenn räumliche Ausrichtung und zeitliche Konsistenz über das gesamte Bild hinweg zwingend erforderlich sind.

Beliebte Anwendungen von Global Shutter-Kameras

Robotik

Präzise visuelle Positionierung und Echtzeit-Pfaderkennung erfordern verzerrungsfreie Bilder, insbesondere wenn Robotersysteme in dynamischen Umgebungen arbeiten. Global-Shutter-Sensoren erfassen jedes Pixel gleichzeitig und ermöglichen so konsistente räumliche Daten, die die Bewegungsverfolgung und Objekterkennung unterstützen.

Industrielle Inspektion

Bewegte Bauteile auf Förderbändern oder rotierenden Maschinen müssen ohne geometrische Verzerrungen oder Verschmierungen abgebildet werden. Global-Shutter-Sensoren frieren Bewegungen in einem bestimmten Moment ein. Sie eignen sich daher ideal für die visuelle Qualitätskontrolle und Fehlererkennung in der automatisierten Fertigung.

Barcode-/QR-Code-Scannen

In Logistik, Einzelhandel und Industrie müssen Scanner Codes schnell und zuverlässig interpretieren, selbst wenn sich Objekt oder Scanner bewegen. Ein Global Shutter stellt sicher, dass jedes Bild eine echte Momentaufnahme des Codes darstellt. Dies reduziert das Risiko von Fehllesungen durch Bewegungsunschärfe

Sportübertragungen

Bei der Aufnahme von rasanter Action muss jedes Bild von Rand zu Rand räumlich konsistent sein. Global-Shutter-Sensoren vermeiden visuelle Artefakte wie Verzerren oder Wackeln bei schnellen Bewegungen oder Kameraschwenks.

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs)

Drohnen müssen häufig bei hoher Geschwindigkeit oder unter windigen, instabilen Bedingungen Aufnahmen machen. Ein Global Shutter verhindert Rollverzerrungen und stellt sicher, dass jedes Luftbild frei von bewegungsbedingten Artefakten ist. Er ist entscheidend für Kartierung, Überwachung und Navigation.

Was ist Rolling Shutter?

Der Rolling-Shutter-Modus einer Kamera belichtet die Pixelreihen sequenziell mit einem zeitlichen Versatz zwischen den Reihen. Dies unterscheidet sich von der gleichzeitigen Belichtung bei Global-Shutter-Kameras . Zunächst fängt die erste Pixelreihe Licht ein und schließt ihren Belichtungszyklus ab, bevor die nächste Reihe beginnt.

Dieser Ansatz führt zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen Start- und Endzeitpunkt der Lichtsammlung für jede nachfolgende Zeile. Die Dauer der Lichtsammlung bleibt jedoch über alle Pixelzeilen hinweg konstant, wodurch trotz der gestaffelten Auslesung einheitliche Belichtungszeiten gewährleistet werden. Dieser zeitliche Versatz beeinflusst die Bildqualität und führt häufig zu Artefakten wie Schiefe oder Wackeln bei der Aufnahme von Hochgeschwindigkeitsbewegungen oder bei schnellen Kamerabewegungen.

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Beispielsweise wird bei einem Rolling Shutter für ein Bild mit einer Auflösung von 640 x 480 zuerst die oberste der 480 Pixelreihen belichtet , gefolgt von den darauffolgenden Reihen.

Was ist der Rolling-Shutter-Effekt?

Der Unterschied in der Bildgebung zwischen einem Rolling-Shutter-Sensor und einem Global-Shutter-Sensor zeigt sich vor allem in der dynamischen Bildaufnahme. Erfasst ein Rolling-Shutter-Sensor schnell bewegte Objekte, tritt der Rolling-Shutter-Effekt auf.

Beim Rolling Shutter werden nicht alle Pixel des Arrays im Bildsensor gleichzeitig belichtet, sondern jede Reihe von Sensorpixeln wird nacheinander abgetastet. Bewegt sich ein Objekt schneller als die Belichtungs- und Auslesezeit des Bildsensors, wird das Bild aufgrund der rollenden Belichtung verzerrt. Dies wird als Rolling-Shutter-Effekt bezeichnet.

Rolling-Shutter-Effekt bei der Aufnahme rotierender Objekte

Beim Aufnehmen sich schnell drehender Objekte im Rolling-Shutter-Modus treten leicht Verzerrungen und Shutter-Artefakten auf, wie im Bild unten gezeigt.

Im obigen Vergleich erfasst das im Global-Shutter-Modus aufgenommene Bild die Form des Lüfterblatts perfekt, während es im Rolling-Shutter-Modus deformiert ist.

Rolling-Shutter-Effekt bei der Aufnahme linear bewegter Objekte

Im Rolling-Shutter-Modus treten bei der Aufnahme sich schnell bewegender Objekte Verzerrungen und Shutter-Artefakte auf, wie im Bild unten gezeigt.

Im obigen Vergleich gibt das Objekt, das sich in linearer Richtung von links nach rechts bewegt und im Global-Shutter-Modus aufgenommen wurde, seine Form perfekt wieder. Das im Rolling-Shutter-Modus aufgenommene Bild erzeugt Rolling-Shutter-Effekte in Form horizontaler Unschärfe.

Beliebte Anwendungen von Rolling Shutter Kameras

Scannen von Dokumenten

Bei der Aufnahme flacher, unbewegter Dokumente sorgen Rolling-Shutter-Sensoren für eine zuverlässige und verzerrungsfreie Bildaufnahme. Die sequentielle Belichtung zeilenweise erzeugt keine sichtbaren Artefakte, da das Motiv während der Aufnahme vollkommen stillsteht.

Gesichtserkennung und Biometrie

Diese Systeme arbeiten typischerweise unter kontrollierten Licht- und Positionierungsbedingungen, wobei die Motive relativ statisch bleiben. Mit Rolling-Shutter-Sensoren können klare und detaillierte Bilder erzeugt werden, die den Anforderungen der Algorithmen zur Identitätsüberprüfung hinsichtlich Auflösung und Konsistenz entsprechen.

Digitale Mikroskopie

Biologische und industrielle Proben zeigen unter dem Mikroskop in der Regel nur geringfügige Bewegungen während der Bildgebung. Rolling-Shutter-Sensoren eignen sich hierfür hervorragend und ermöglichen eine hochauflösende Datenerfassung ohne Bewegungskompensation.

Verkehrsüberwachung

In Bereichen mit langsamerem Verkehrsfluss oder konstanter Fahrzeuggeschwindigkeit können Rolling-Shutter-Sensoren Kennzeichendaten präzise und ohne Verzerrungen erfassen. Ihr geringerer Strombedarf und die einfachere Schaltung machen sie zudem zu einer kostengünstigen Wahl für stationäre Überwachungssysteme.

Vor- und Nachteile von Global Shutter- und Rolling Shutter-Kameras

Global Shutter Kameras

VORTEILE

NACHTEILE

Erfassen sich schnell bewegender Objekte : Wie bereits erwähnt, belichtet der Global Shutter alle Pixel gleichzeitig, wodurch schnelle Bewegungen ohne Bewegungsartefakte wie Schrägstellung oder Wackeln erfasst werden können. Minimale Bildverzerrung : Die gleichzeitige Pixelbelichtung reduziert bewegungsbedingte Bildverzerrungen und ermöglicht so eine genaue Abbildung von Objekten in schneller Bewegung. 3. Effektive Synchronisierung mehrerer Kameras : Global-Shutter-Kameras gewährleisten eine gleichmäßige Synchronisierung mehrerer Kameras, was für industrielle Inspektionen, 3D-Scans usw. von entscheidender Bedeutung ist.

Höheres Umgebungsrauschen : Aufgrund ihrer Architektur und der gleichzeitigen Belichtung können Global-Shutter-Sensoren ein höheres Umgebungsrauschen aufweisen als Rolling-Shutter-Sensoren. Hohe Sensorkosten : Die Herstellungskomplexität von Global-Shutter-Sensoren führt zu höheren Produktionskosten und macht sie im Vergleich zu Rolling-Shutter-Sensoren teurer. Geringere Lichtempfindlichkeit : Die zusätzliche Schaltung, die für die gleichzeitige Pixelbelichtung erforderlich ist, reduziert häufig den Füllfaktor, was zu einer Verringerung der Lichtempfindlichkeit führt.

Rollladen Kameras

VORTEILE

NACHTEILE

Geringeres Umgebungsrauschen : Rolling-Shutter-Sensoren haben eine einfachere Architektur, was zu geringerem elektronischen Rauschen führt. Niedrigere Sensorkosten : Durch das einfachere Design sind Rolling-Shutter-Sensoren leichter und kostengünstiger herzustellen, was zu niedrigeren Produktionskosten führt. Höhere Lichtempfindlichkeit : Rolling-Shutter-Sensoren haben im Allgemeinen einen höheren Füllfaktor, was bedeutet, dass sie mehr Licht einfangen und eine bessere Leistung bei schwachem Licht bieten.

Bildverzerrung : Da die Zeilen nacheinander belichtet werden, neigen Rolling-Shutter-Sensoren bei der Aufnahme sich schnell bewegender Objekte zu Artefakten wie Schrägstellung, Wackeln usw. Flimmerpotenzial : Rolling Shutter haben mit Flimmern zu kämpfen, wenn sie unter künstlichen Lichtquellen fotografieren. Eingeschränkte Synchronisierungsmöglichkeiten : Rolling-Shutter-Sensoren sind für eine präzise Synchronisierung zwischen mehreren Kameras weniger geeignet.

Global Shutter oder Rolling Shutter: Welche Kamera brauchen Sie?

Eine Global-Shutter-Kamera wird hauptsächlich zur Aufnahme sich schnell bewegender Objekte ohne Artefakte und Bewegungsunschärfe eingesetzt. Global-Shutter-Kameras werden in Anwendungen wie Balltracking, Industrieautomatisierung, Lagerrobotern, Drohnen, Live-Cell-Imaging usw. eingesetzt.

Rolling-Shutter-Sensoren bieten eine hervorragende Bildempfindlichkeit und eignen sich für kostengünstige Anwendungen. Sie werden vorwiegend zur Erfassung sich langsam bewegender Objekte wie landwirtschaftlicher Traktoren, langsam laufender Förderbänder und eigenständiger Anwendungen wie Kiosken, Barcode-Scannern usw. eingesetzt.

e-con Systems bietet erstklassige Global Shutter- und Rolling Shutter-Kameras

e-con Systems bietet mit über 20 Jahren Erfahrung in der Entwicklung und Fertigung von OEM-Kameralösungen hochmoderne Global-Shutter- und Rolling-Shutter-Kameras. Unsere Global-Shutter-Kameras erfassen schnell bewegte Motive mühelos und verzerrungsfrei. Unsere Rolling-Shutter-Kameras liefern hingegen eine überragende Bildqualität und eignen sich für Anwendungen, die hohe Empfindlichkeit und Rauschunterdrückung erfordern, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen.

e-con Systems stellt sicher, dass Kunden die für ihre individuellen Anforderungen am besten geeignete Kamera auswählen können.

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