При разработке решений с использованием активных пиксельных матриц CMOS-датчиков изображения необходимо учитывать множество технических характеристик. Например, разрешение датчика, оптический формат, тип затвора, максимальная частота кадров, динамический диапазон, соотношение сигнал/шум (SNR) и структура пикселей. Дополнительную сложность добавляют такие характеристики/функции датчика, как энергопотребление, интерфейс, тип корпуса, встроенная обработка HDR и область интереса. Оптимальный выбор не всегда очевиден.

Чтобы облегчить отбор по этим характеристикам и функциям, важным фактором является предполагаемое применение датчика. Некоторые приложения требуют очень высокого разрешения для захвата неподвижных объектов, в то время как другим необходимо обнаруживать быстро движущиеся объекты и воспроизводить эффект "стоп-кадра". Еще одним важным фактором применения являются требования к энергопотреблению. В стационарных установках энергопотребление датчика может быть не критичным. Однако в портативных приложениях, где датчик должен работать от аккумулятора, его энергоэффективность становится решающей.

Наиболее подходящей отправной точкой при выборе датчика является скорость приложения, то есть скорость движения объекта. Поскольку это определит требуемый тип затвора. В области цифровых датчиков изображения в основном существует только два варианта: rolling shutter (роллинг-шюттер / последовательный затвор) и global shutter (глобальный затвор / синхронный затвор).

Особенности датчиков изображения

Rolling Shutter (Последовательный затвор)

Цифровые датчики изображения представляют собой матрицу пикселей, расположенных строками. При использовании датчика изображения с последовательным затвором каждая строка матрицы экспонируется последовательно, одна за другой, от верха до низа матрицы. Другими словами, время экспозиции соседних строк немного отличается (называется временем строки), а разница во времени между соседними строками составляет около 10 микросекунд.

В полную противоположность последовательному затвору, глобальный затвор экспонирует каждый пиксель матрицы одновременно. Эти датчики должны иметь пиксели с «узлом хранения», способным накапливать заряд в течение всего времени считывания датчика. У последовательного и глобального затворов есть свои преимущества и недостатки.

По сравнению с глобальным затвором, последовательный затвор более экономически эффективен и проще в реализации. В датчиках с глобальным затвором узел хранения подвержен воздействию паразитного света, поэтому уровень шума часто выше. Кроме того, узел хранения расположен рядом с пикселем, что накладывает ограничения на размер пикселя. Соответственно, недостатком последовательного затвора является склонность к появлению артефактов движения при захвате быстро движущихся объектов.

Поскольку матрица последовательного затвора экспонируется последовательно, при съемке движущихся объектов возникают пространственные искажения. Кроме того, различные области матрицы могут быть сняты в разное время (возможно, при разных условиях освещения), поэтому они также могут быть подвержены влиянию нерелевантного освещения.

Следовательно, матрицы с последовательным затвором плохо подходят для съемки движущихся объектов, но являются отличным выбором для статических приложений с высоким разрешением.

Global Shutter (Глобальный затвор)

Глобальный затвор подходит для сценариев, в которых последовательный затвор показывает плохие результаты, включая быстродвижущиеся объекты, особенно с высокой угловой скоростью. Приложения, в которых глобальный затвор демонстрирует превосходные результаты, включают: улучшение зрения (AV), виртуальную реальность (VR), машинное зрение (MV), а также любые среды с высоким уровнем вибрации, такие как сканеры штрих-кодов и робототехнические приложения.

Глобальный затвор имеет и другие преимущества: поскольку вся матрица экспонируется одновременно, глобальный затвор может напрямую синхронизироваться с другими глобальными затворами или источниками света (например, со вспышкой). Поскольку глобальному затвору не требуется обрабатывать нерелевантное освещение, также проще реализовать автоматическое управление экспозицией.

Факторы производительности глобального затвора

Первым шагом в оценке производительности глобального затвора является обращение к его продемонстрированным показателям. При оценке датчика с глобальным затвором необходимо учитывать как ориентированные на приложение, так и ориентированные на производительность показатели. Показатели, ориентированные на приложение, помогают выбрать датчик из определенной линейки продуктов, подходящий для конкретного применения, в то время как показатели, ориентированные на производительность, помогают сравнивать продукты разных производителей.

Самый простой способ — начать с показателей, ориентированных на приложение. Пять основных показателей, определяемых конечным использованием, следующие:

1. Разрешение
2. Оптический формат
3. Эффективность глобального затвора (GSE)
4. Частота кадров
5. Энергопотребление

Приоритет этих пяти показателей будет различаться в зависимости от конкретных требований конечного использования. Например, приложению с высоким разрешением может потребоваться разрешение 2 мегапикселя (МП) и оптический формат 1/2,8 дюйма, в то время как приложению с низким разрешением может потребоваться только разрешение VGA и оптический формат 1/8 дюйма.

Частота кадров

Частота кадров измеряется в кадрах в секунду (fps) и показывает, сколько изображений датчик может сделать за одну секунду. Для съемки быстро движущихся объектов требуется более высокая частота кадров, чтобы избежать размытия.

Эффективность глобального затвора (GSE)

Как упоминалось выше, GSE — это отношение, показывающее способность глобального затвора подавлять паразитный свет. Обычно он указывается для определенной длины волны и настройки диафрагмы (f/stop). Чем больше значение, тем лучше производительность.

Энергоэффективность

Оптимизация низкого энергопотребления в потребительских приложениях имеет решающее значение при разработке, особенно для таких приложений, как гарнитуры дополненной реальности (AR), виртуальной реальности (VR) и смешанной реальности (MR). Кроме того, автономные мобильные роботы (AMR) и ручные сканеры штрих-кодов являются несколькими примерами устройств с батарейным питанием в промышленной сфере. Повышая энергоэффективность этих устройств, можно значительно продлить срок их службы, тем самым уменьшая частоту зарядки и улучшая общий пользовательский опыт. Остальные показатели ориентированы на производительность и могут использоваться для сравнения продуктов разных производителей.

Соотношение сигнал/шум (SNR)

Соотношение сигнал/шум измеряется в децибелах (дБ) и указывается как максимальное значение. Это способ измерения производительности датчика при слабых (то есть при низкой освещенности) сигналах. Чем больше значение, тем лучше производительность. Максимальное значение SNRmax является истинным отражением линейного полного колодца (linear full well, LFW), или, по сути, количества фотонов, которые может захватить пиксель.

Динамический диапазон

Динамический диапазон также измеряется в дБ и представляет собой отношение максимального измеряемого входного сигнала к минимальному измеряемому входному сигналу (то есть уровню шума). Он показывает способность датчика обрабатывать входные сигналы различной интенсивности в одной сцене. Чем выше значение в децибелах, тем лучше. Туннели являются хорошим примером сцены, требующей высокого динамического диапазона, поскольку внутри туннеля может быть темно, а снаружи — яркий свет. Датчик должен уметь адаптироваться к обеим ситуациям в одной и той же сцене.

Помимо показателей производительности, некоторые приложения могут требовать от датчика определенных функций, чтобы иметь возможность выполнять конкретные задачи или обладать уникальными способностями. Не все датчики с глобальным затвором обладают этими функциями. Требования приложения определят, какие функции необходимы и какие датчики можно рассматривать.

Синхронизация датчиков

Одним из преимуществ того, что глобальный затвор экспонирует всю матрицу датчика одновременно, является возможность точной синхронизации момента экспонирования матрицы с другими событиями (например, другими датчиками и вспышкой).

С помощью режима «триггер» для синхронизации датчиков можно управлять вспышкой для точного активного освещения или синхронизировать несколько камер для стерео- или широкоэкранной съемки.

Встроенный автоматический экспозамер

Функция автоматического экспозамера позволяет датчику автоматически управлять усилением и экспозицией в зависимости от заданных условий освещения. Автоматический экспозамер является базовой функцией адаптации датчика к динамическим условиям освещения.

Встраивая эту функцию непосредственно в датчик, можно ускорить управление экспозицией, что позволяет добиться реакции в реальном времени, в то время как при зависимости от главного контроллера реакция происходит медленнее. Для большинства высокоскоростных приложений встроенный автоматический экспозамер необходим.

Переключение сцен

Функция переключения сцен позволяет датчику быстро изменять настройки (разрешение, усиление, экспозицию и частоту кадров) для адаптации к различным сценариям формирования изображения. Во многих датчиках эти «сцены» хранятся и могут динамически изменяться с помощью одного регистрового набора.

Программируемые и переключаемые области интереса (ROI)

Области на изображении представляют собой релевантные наборы пикселей, используемые в основном для анализа объектов. ROI позволяет датчику фокусироваться на определенной области, отфильтровывая остальные. Это метод оптимизации передачи и обработки данных. Программируемые ROI делают возможными приложения компьютерного зрения в реальном времени.

Таким образом, показатели, ориентированные на приложение, показатели, ориентированные на производительность, и специфические функции могут использоваться в совокупности, чтобы помочь выбрать конкретный датчик с глобальным затвором из ряда датчиков и определить производителя датчика, соответствующего требованиям конечного использования.

Серия датчиков глобального затвора Hyperlux SG

Компания onsemi разработала серию высокопроизводительных компактных датчиков глобального затвора под названием Hyperlux SG, в которую входят продукты ARX383, AR0145 и AR0235. Датчики серии Hyperlux SG сочетают в себе лучшую в отрасли эффективность глобального затвора (GSE) с низким энергопотреблением, что делает их идеальными для портативных приложений с высоким уровнем вибрации.

Рисунок 1. Серия датчиков изображения Hyperlux SG

В серии Hyperlux SG используется новая и инновационная конструкция пикселей глобального затвора, оптимизированная для точного и быстрого захвата движущихся сцен. Как в условиях слабого, так и яркого освещения можно получать четкие изображения с низким уровнем шума.

Серия датчиков Hyperlux SG обладает следующими характеристиками:

• Горизонтальное/вертикальное зеркалирование, оконтуривание и объединение пикселей
• Программируемая область интереса (ROI)
• Встроенный режим триггера для синхронизации
• Встроенный автоматический экспозамер
• Встроенное управление вспышкой
• Переключение сцен
• Гибкое управление режимами пропуска строк и столбцов

Разрешение датчиков в линейке варьируется от VGA (640 x 480) до 2,3 мегапикселя (1920 x 1200), оптический формат — от 1/8 дюйма до 1/2,8 дюйма, частота кадров — до 120 кадров в секунду, что подходит для различных высокоскоростных приложений формирования изображений. Каждая спецификация имеет преимущества по сравнению с другими аналогичными продуктами, и именно сочетание превосходной производительности и функциональности делает датчики серии Hyperlux уникальными на рынке. Эти датчики идеально подходят для высокоскоростных приложений, включая сканирование штрих-кодов, машинное зрение, AMR, AGV, AV/VR/MR, дроны и 3D-сканирование.

Рисунок 2. Области применения Hyperlux SG

Для содействия обучению продукту и разработке систем также предоставляется всесторонняя платформа разработки, позволяющая быстро создавать системы. Она включает полные функции тестирования для оценки продукта перед проектированием и предоставляет эталонные проекты для использования на этапе проектирования.

Датчики с глобальным затвором являются лучшим выбором для высокоскоростных приложений формирования изображений. После выбора типа затвора все еще доступны различные спецификации и функции, чтобы убедиться, что датчик подходит для предполагаемого применения.

Важным фактором, который всегда необходимо учитывать при оценке датчика глобального затвора, является эффективность глобального затвора (GSE). Если GSE недостаточно высока, все остальные характеристики вместе взятые все равно могут привести к неприемлемым артефактам движения на изображении. Для приложений, требующих низкого энергопотребления, высокой производительности и высокого GSE, компания onsemi разработала серию датчиков глобального затвора Hyperlux SG.