Вплив швидкості зчитування датчика на запис із високою частотою кадрів

Розуміння швидкості зчитування датчика

Швидкість зчитування датчика означає час, потрібний датчику зображення для перетворення світлової інформації в електричний сигнал і передачі цих даних для обробки. Цей процес є фундаментальним для цифрових зображень. Це визначає, наскільки швидко камера може знімати та обробляти окремі кадри. Вища швидкість зчитування забезпечує вищу частоту кадрів і зменшує небажані артефакти.

По суті, швидкість зчитування є вузьким місцем, яке визначає максимальну частоту кадрів, яку може досягти камера. Без достатньо швидкого зчитування камера просто не може обробляти кадри досить швидко, щоб підтримувати запис із високою частотою кадрів.

Зв’язок між швидкістю зчитування та частотою кадрів

Частота кадрів, виміряна у кадрах за секунду (FPS), показує, скільки окремих зображень камера знімає щосекунди. Вища частота кадрів забезпечує більш плавне уповільнене відтворення та більш детальний аналіз швидких подій. Швидкість зчитування датчика безпосередньо обмежує досяжну частоту кадрів.

Наприклад, якщо для зчитування датчику потрібна 1/1000 секунди (1 мілісекунда), теоретично максимальна частота кадрів становить 1000 кадрів/с. Однак інші фактори, такі як потужність обробки та швидкість передачі даних, також можуть накладати обмеження.

Зверніть увагу на ці моменти щодо швидкості зчитування та частоти кадрів:

• Більш висока швидкість зчитування забезпечує вищу максимальну частоту кадрів.
• Обернений до часу зчитування теоретичний максимальний FPS.
• Інші компоненти системи також повинні підтримувати високі швидкості передачі даних, пов’язані з швидшим зчитуванням.

Rolling Shutter проти Global Shutter

Два основних типи механізмів затвора впливають на те, як зчитування датчика впливає на зняте зображення: рухомий затвор і глобальний затвор. Кожен має свої переваги та недоліки, особливо у сценаріях запису з високою частотою кадрів.

Rolling Shutter

Датчики рольставень зчитують зображення рядок за рядком, послідовно зверху вниз (або навпаки). Це означає, що різні частини зображення знімаються в дещо різний час. Це може спричинити спотворення під час зйомки об’єктів, що швидко рухаються, явище, відоме як ефект рухомих затворів.

Ефект рухомого затвора стає більш помітним при меншій швидкості зчитування та при швидших рухах об’єктів. Об’єкти можуть виглядати перекошеними, зігнутими або хиткими, оскільки вони рухаються під час процесу зчитування датчиком. Хоча деякі програмні виправлення існують, вони не завжди ідеальні.

Основні характеристики ролетних воріт:

• Построкове зчитування
• Сприйнятливий до спотворення при швидкому русі
• Загалом дешевше, ніж глобальні датчики затвора

Глобальний затвор

Глобальні датчики затвора експонують весь датчик зображення одночасно, а потім зчитують усі пікселі одночасно. Це усуває ефект рухомого затвора, гарантуючи, що всі частини зображення будуть захоплені одночасно. Це особливо важливо для точного представлення об’єктів, що швидко рухаються.

Глобальні датчики затвора зазвичай потребують більш складних і дорогих конструкцій. Вони часто мають меншу чутливість порівняно з датчиками рольставень, що може бути недоліком в умовах слабкого освітлення. Однак їхня здатність точно фіксувати рух робить їх необхідними для багатьох додатків із високою FPS.

Основні характеристики глобального затвора:

• Одночасна експозиція всіх пікселів
• Усуває спотворення шторки
• Зазвичай дорожчий і потенційно менш чутливий

Вплив на якість зображення

Швидкість зчитування датчика значно впливає на якість зображення, особливо при записі з високою частотою кадрів. Нижча швидкість зчитування може призвести до кількох артефактів, які погіршують якість кінцевого відео.

Викривлення шторки, як згадувалося раніше, викликає серйозне занепокоєння. Це може унеможливити точні вимірювання та візуальний аналіз. Крім того, повільна швидкість зчитування може обмежити динамічний діапазон датчика, зменшуючи можливість захоплення деталей як у яскравих, так і в темних областях сцени.

Більш висока швидкість зчитування сприяє кращій якості зображення завдяки:

• Зменшення або усунення викривлення шторки
• Покращення динамічного діапазону
• Дозволяє чіткіше знімати об’єкти, що швидко рухаються

Програми, які виграють від високої швидкості зчитування

Численні програми отримують значну вигоду від запису з високою частотою кадрів на секунду та високою швидкістю зчитування датчиків. Ці програми часто вимагають точного захоплення та аналізу руху.

Наукові дослідження

У наукових дослідженнях високошвидкісна візуалізація використовується для вивчення явищ, які відбуваються надто швидко, щоб людське око не сприймало їх. Приклади:

• Гідродинаміка
• Деформація матеріалу
• Балістика
• Процеси горіння

Висока швидкість зчитування є важливою для точного захоплення цих подій без спотворень.

Промислова інспекція

Високошвидкісні камери використовуються в промислових умовах для контролю якості та моніторингу процесу. Вони можуть виявляти дефекти або аномалії, які повільніші системи не помітять. Додатки включають:

• Моніторинг високошвидкісної конвеєрної лінії
• Виявлення дефектів у виготовлених деталях
• Перевірка упаковки

Висока швидкість зчитування забезпечує ефективну перевірку навіть швидко рухомих частин.

Захоплення руху та віртуальна реальність

Системи захоплення руху використовують високошвидкісні камери для відстеження рухів акторів або об’єктів. Потім ці дані використовуються для створення реалістичних анімацій і віртуальних середовищ. Висока швидкість зчитування має вирішальне значення для фіксації тонких рухів і уникнення артефактів, які можуть поставити під загрозу точність даних захоплення руху.

Спортивний аналіз

Запис із високою частотою кадрів все частіше використовується в спортивному аналізі для вивчення продуктивності та техніки спортсмена. Тренери та інструктори можуть використовувати уповільнені кадри, щоб визначити області, які потрібно покращити. Висока швидкість зчитування гарантує, що знятий кадр не спотворений і точно відображає рухи спортсмена.

Кінематограф

Кінематографісти використовують високошвидкісні камери для створення приголомшливих ефектів сповільненої зйомки. Висока швидкість зчитування важлива для мінімізації артефактів і максимального візуального ефекту цих знімків.

Фактори, що впливають на швидкість зчитування датчика

На швидкість зчитування датчика впливає кілька факторів. До них належать сенсорна технологія, розмір пікселя та загальна архітектура системи зображення.

Сенсорні технології

Сенсори CMOS (комплементарний метал-оксид-напівпровідник) є найпоширенішим типом датчика зображення, який використовується у високошвидкісних камерах. Удосконалення технології CMOS призвело до значного покращення швидкості зчитування. Інші сенсорні технології, такі як CCD (пристрій із зарядовим зв’язком), менш поширені в додатках із високою частотою кадрів через меншу швидкість зчитування.

Розмір пікселя

Менші пікселі зазвичай забезпечують більшу швидкість зчитування. Однак менші пікселі також мають нижчу чутливість, що може бути компромісом в умовах слабкого освітлення.

Архітектура датчика

Конструкція та архітектура датчика можуть значно впливати на швидкість зчитування. Деякі датчики використовують кілька каналів зчитування для розпаралелювання передачі даних, тим самим збільшуючи загальну швидкість зчитування.

Обробка та передача даних

Навіть із швидким сенсором можливості обробки камери та швидкість передачі даних на пристрої зберігання можуть стати вузькими місцями. Високошвидкісні інтерфейси, такі як USB 3.0, Thunderbolt або Camera Link, часто необхідні для роботи з великими обсягами даних, створених записом із високою частотою кадрів в секунду.

Майбутні тенденції в сенсорних технологіях

Постійні дослідження та розробки зосереджені на подальшому покращенні швидкості зчитування датчиків. Серед перспективних тенденцій:

• Розробка нових сенсорних матеріалів і архітектур
• Інтеграція можливостей обробки на чіпі
• Передові методи стиснення даних

Ці досягнення забезпечать ще більшу частоту кадрів і покращать якість зображення в майбутніх високошвидкісних системах обробки зображень.