Otturatore globale rispetto e otturatore a scorrimento a confronto

Nelle telecamere di sicurezza vengono solitamente utilizzati sensori di immagine con otturatore a scorrimento. La differenza fondamentale tra un sensore con otturatore globale e un sensore con otturatore a scorrimento risiede nello schema di esposizione.

Nel caso di un sensore con otturatore globale, tutti i pixel vengono esposti contemporaneamente, mentre in un sensore con otturatore a scorrimento i pixel vengono esposti linea per linea, con uno sfasamento temporale tra le linee. Questo sfasamento temporale nell'esposizione linea per linea ha come risultato una distorsione degli oggetti in rapido movimento, nota come effetto rolling shutter (si veda l'immagine che segue). Si noti che nel presente documento tecnico distinguiamo tra la sfocatura da movimento, causata dalla durata dell’esposizione, e la distorsione degli oggetti, causata dallo sfasamento nell’esposizione tra le linee.

I sensori con otturatore globale fanno la differenza solo se abbinati a un tempo di esposizione breve. Le esposizioni prolungate provocano una sfocatura da movimento che nasconde efficacemente la distorsione del tipo rolling shutter; pertanto, l’uso dell’illuminazione a impulsi non comporterà grandi vantaggi. Pertanto, la prima domanda da porsi è se la propria applicazione richieda un tempo di esposizione breve. In tal caso, una telecamera con otturatore globale rappresenta probabilmente la scelta più indicata.

Un caso d’uso comune dei sensori con otturatore globale è rappresentato dai processi ad alta velocità, quali la scansione di pacchi su nastri trasportatori o il monitoraggio di processi industriali rapidi, in cui l’automazione industriale basata sulla visione artificiale richiede immagini di alta qualità e prive di distorsioni.

Un secondo caso d'uso dei sensori con otturatore globale è rappresentato dalle installazioni di monitoraggio del traffico, dove brevi lampi di luce ad alta intensità consentono di ottenere immagini molto dettagliate di veicoli in movimento ad alta velocità e garantiscono persino la visibilità all’interno dell’abitacolo in condizioni di bassa luminosità.

Una conseguenza dell'esposizione simultanea nei sensori con otturatore globale è la possibilità di sincronizzare lampi di luce molto brevi con il tempo di esposizione del sensore, il che riduce al minimo il consumo energetico complessivo della luce ad alta intensità. Per quanto riguarda i sensori con otturatore a scorrimento, l'utilizzo di brevi lampi luminosi nelle soluzioni per il traffico dà origine a bande luminose nelle immagini con tempi di esposizione tipici (1 ms). Nelle installazioni che prevedono sia telecamere con otturatore globale che telecamere con otturatore a scorrimento, è possibile mitigare i problemi legati alla comparsa di bande luminose nell'immagine con otturatore a scorrimento utilizzando la funzione di acquisizione sincronizzata di Axis.

Il ruolo del sensore di immagine consiste nel convertire la luce (i fotoni) in un segnale digitale. Tale conversione può essere suddivisa in tre fasi. Le prime due fasi avvengono a livello di pixel. Inizialmente, durante l'esposizione i fotoni vengono assorbiti e convertiti in elettroni. L'esposizione si conclude con una fase di trasferimento di elettroni. Successivamente, gli elettroni vengono convertiti in un segnale di tensione analogico. Nella terza fase, ovvero quella di lettura dei pixel, il segnale di tensione analogico viene convertito in un segnale digitale tramite un convertitore analogico-digitale (ADC).

Un sensore di immagine è costituito in genere da diversi milioni di pixel, disposti in una matrice. Tuttavia, una configurazione comune dei sensori prevede l'utilizzo di un convertitore analogico-digitale (ADC) per ogni colonna di pixel. Ciò significa che la lettura dei pixel avviene linea per linea.

In un sensore con otturatore a scorrimento, in seguito alla lettura dei pixel linea per linea, il tempo di esposizione di ciascuna linea è leggermente sfalsato nel tempo. Questa differenza temporale nell'esposizione ha come risultato una distorsione degli oggetti in rapido movimento nell'immagine, tale fenomeno è noto come effetto rolling shutter.

Al contrario, un sensore con otturatore globale espone tutti i suoi pixel contemporaneamente. L'esposizione si conclude con il trasferimento del segnale del pixel a una memoria integrata nel pixel. Tale memoria può essere individuata prima che gli elettroni vengano convertiti in un segnale analogico (dominio di carica) oppure dopo che gli elettroni sono stati convertiti in un segnale analogico (dominio di tensione). Il segnale memorizzato viene successivamente trasferito ed elaborato dagli ADC, linea per linea, come nel caso del rolling shutter. Poiché tutti i pixel vengono esposti contemporaneamente, il sensore con otturatore globale non presenta distorsioni degli oggetti in rapido movimento.

L'entità della distorsione rolling shutter visibile in un'immagine dipende dall'ampiezza dello sfasamento temporale tra l'esposizione di ciascuna linea del sensore, nonché dalla velocità e dalla direzione con cui gli oggetti si muovono all'interno dell'immagine.

Lo sfasamento temporale tra le linee sul sensore è determinato dal tempo di lettura delle linee del sensore e dal numero di linee da leggere. Un sensore con una risoluzione elevata provoca solitamente una maggiore distorsione rispetto a un sensore con una risoluzione bassa.

Se nell'immagine non sono visibili oggetti in rapido movimento, non si noterà alcuna distorsione rolling shutter. I sensori con otturatore a scorrimento attuali sono molto veloci e in grado di produrre immagini prive di distorsioni in quasi tutte le scene di sorveglianza. Spesso la distorsione causata dall’obiettivo, come l’effetto barile, ha un effetto molto più marcato rispetto alla distorsione rolling shutter.

Tuttavia, in alcuni casi, l’effetto rolling shutter provoca una forte distorsione delle immagini. In genere, ciò vale per oggetti che ruotano rapidamente, come ventilatori, eliche o motori.

Gli oggetti che si muovono rapidamente in linea retta attraverso l’immagine, come le scatole su un nastro trasportatore o le automobili che sfrecciano, appariranno inclinate con un sensore con otturatore a scorrimento.

Il tempo di esposizione non influisce sulla distorsione. Tuttavia, un tempo di esposizione più lungo provoca la sfocatura da movimento. La sfocatura da movimento attenuerà la distorsione da otturatore, rendendola meno visibile.

I sensori con otturatore globale sono in genere necessari solo in applicazioni in cui gli oggetti si muovono rapidamente. Allo stesso tempo, è necessario un tempo di esposizione breve per evitare la sfocatura da movimento. Per i casi d'uso relativi al traffico, è comune un tempo di esposizione massimo di circa 1/1000 s (1 ms), mentre per le ventole o le eliche in rotazione potrebbero essere necessari tempi di esposizione ancora più brevi, dell’ordine di 1/10000 s (0,1 ms).

In condizioni di scarsa illuminazione, l’illuminazione della scena, ad esempio con luce IR o luce bianca, può migliorare la qualità dell'immagine. Quando si riprendono scene in rapido movimento, sono necessari tempi di esposizione brevi per evitare la sfocatura da movimento. Ciò riduce la quantità di luce acquisita dal sensore, aumentando la necessità di illuminare la scena.

Uno dei motivi principali per cui si sceglie un sensore con otturatore globale è la possibilità di utilizzare lampi di luce molto brevi anziché una luce continua per illuminare la scena. L'utilizzo della luce stroboscopica, con un flash per ogni fotogramma sincronizzato con l'esposizione del sensore al posto della luce continua, può rappresentare un modo per ridurre il consumo energetico del dispositivo senza compromettere la qualità di immagine, oppure un modo per aumentare in modo significativo l'intensità massima della luce.

Esempio: Ridurre il consumo energetico dell'illuminazione mediante la luce stroboscopica

Una telecamera di sorveglianza stradale utilizza un tempo di esposizione di 1/1000 s (1 ms) e una velocità in fotogrammi di 25 fps. Il ciclo utile dell'esposizione è quindi (1/1000 s) / (1/25 s) = 2,5%. Ciò significa che il sensore acquisisce la luce solo per il 2,5% del tempo, mentre per il resto del tempo rimane semplicemente in attesa del fotogramma successivo.

Se questa telecamera utilizza un'illuminazione a infrarossi continua (che rimane sempre accesa), gran parte della luce non verrà mai rilevata dal sensore.

Una soluzione migliore sarebbe quella di disattivare la luce IR quando il sensore non sta rilevando la luce. Modulando la luce IR e sincronizzando gli impulsi IR con l'esposizione del sensore, la luce IR viene emessa solo nel periodo di tempo in cui il sensore sta rilevando la luce, ovvero il 2,5% del tempo. Il consumo energetico dei LED a infrarossi risulterà quindi ridotto al 2,5% rispetto al caso in cui l'illuminazione a infrarossi sia continua.

Durante l'esposizione, il sensore riceve la stessa quantità di luce, pertanto il rapporto segnale-rumore (SNR) dell'immagine rimarrà invariato. Non si verifica alcuna perdita di qualità di immagine.

Esempio: Aumentare la sensibilità alla luce di picco mediante l'effetto stroboscopico

Utilizzando la stessa telecamera per il monitoraggio del traffico come nel caso precedente, con un tempo di esposizione di 1 ms e una velocità in fotogrammi di 25 fps, si potrebbe anche scegliere di sfruttare tutta la potenza disponibile e aumentare il più possibile la sensibilità alla luce IR.

Immagini una lampada a infrarossi a funzionamento continuo che consuma 20 W di potenza elettrica. Anziché utilizzare i LED in modo continuo, se immagazziniamo tale potenza e poi rilasciamo l’intera energia una volta ogni fotogramma, in perfetta sincronia con l’esposizione del sensore, possiamo ottenere una sensibilità alla luce molto più elevata per un breve periodo di tempo.

In questo esempio, il ciclo di lavoro è pari al 2,5%, il che, in teoria, ci consentirebbe di aumentare l'intensità dell'infrarosso di un fattore pari a 1/0,025 = 40 volte. La potenza di pilotaggio di picco dei LED a infrarossi durante l'esposizione di 1 ms sarebbe quindi pari a 800 W anziché a 20 W, senza aumentare il consumo medio di potenza, che rimane comunque pari a 20 W.

L'utilizzo di illuminatori a luce stroboscopica abilita nuovi casi d'uso nel settore della circolazione veicolare. Una luce IR continua con un consumo energetico ragionevole è sufficiente per vedere con chiarezza le targhe. Con una lampada a infrarossi a impulsi che presenta un consumo simile, la luce è sufficiente per distinguere chiaramente anche i dettagli delle auto e persino attraverso il parabrezza, all’interno delle vetture. Questo sistema può, ad esempio, essere utilizzato per identificare la marca e il modello delle automobili di notte e per verificare se il conducente indossa la cintura di sicurezza o sta utilizzando un cellulare.

In teoria, è possibile utilizzare un flash o una luce stroboscopica con un sensore con otturatore a scorrimento, se il tempo di esposizione è abbastanza lungo da garantire che l'intervallo di esposizione della prima e dell'ultima linea si sovrappongano. Tuttavia, se la sincronizzazione non è corretta, la luce stroboscopica può causare artefatti visivi molto strani (si vedano gli esempi delle immagini riportate in appendice).

Tuttavia, nei casi d'uso in cui si riprendono soggetti in rapido movimento o altre fonti di luce, come ad esempio la circolazione veicolare, sono necessari tempi di esposizione molto brevi per evitare la sfocatura da movimento. In tali casi, non vi è alcuna sovrapposizione nell'esposizione tra la prima e l'ultima linea del sensore, e il flash illuminerà solo un numero limitato di linee, con la comparsa di una fascia luminosa nell'immagine risultante.

In un sito in cui sono presenti sia telecamere con otturatore globale che telecamere con otturatore a scorrimento, la luce stroboscopica proveniente dalle telecamere con otturatore globale può causare artefatti sui sensori delle telecamere con otturatore a scorrimento, ad esempio fasci di luce. A seconda dell’intensità della luce, della durata dell’impulso stroboscopico e del tempo di esposizione delle telecamere con otturatore a scorrimento, questo fenomeno può risultare appena percettibile oppure rendere inutilizzabile l’immagine ripresa da tali telecamere (si veda l’appendice per ulteriori esempi di immagini).

Esistono due soluzioni a questo problema: disattivare il flash stroboscopico e utilizzare invece la luce continua, oppure utilizzare la modalità di acquisizione sincronizzata su tutte le telecamere Axis.

Acquisizione sincronizzata

L'acquisizione sincronizzata Axis è una funzionalità che consente a più telecamere collegate alla stessa rete di sincronizzare l'esposizione dei rispettivi sensori e di acquisire immagini esattamente nello stesso momento. Questa funzione può essere utilizzata anche per forzare il disallineamento delle telecamere, al fine di eliminare gli artefatti luminosi di tipo stroboscopico prodotti dalle telecamere con otturatore a scorrimento.

Quando si attiva l'acquisizione sincronizzata su tutte le telecamere Axis di una rete specifica, queste si sincronizzeranno automaticamente in modo tale che tutte le telecamere con otturatore a scorrimento acquisiscano le immagini simultaneamente in una finestra temporale 1, mentre tutte le telecamere con otturatore globale acquisiscano le immagini simultaneamente in una finestra temporale 2 diversa, che non è sincronizzata con quella delle telecamere con otturatore a scorrimento. Il risultato è che la luce stroboscopica attivata dalle telecamere con otturatore globale lampeggia esattamente nel cosiddetto periodo di soppressione delle telecamere con otturatore a scorrimento, quando queste non stanno raccogliendo luce, ma stanno semplicemente in attesa del fotogramma successivo. La luce stroboscopica risulterà di fatto invisibile alle telecamere con otturatore a scorrimento.

La struttura dei pixel di un sensore con otturatore globale è più complessa rispetto a quella di un sensore con otturatore a scorrimento, il che comporta prezzi più elevati per il sensore. Inoltre, in generale, il rumore è più elevato in un sensore con otturatore globale rispetto a un sensore con otturatore a scorrimento. Ciò vale in particolare per i sensori con otturatore globale, che memorizzano il segnale nel dominio di tensione prima della lettura. Poiché tale rumore viene introdotto prima della fase di guadagno analogico, l'aumento del guadagno analogico avrà un effetto limitato sulla riduzione del rumore.

Tuttavia, il livello di rumore non è l'unico fattore determinante per quanto riguarda la qualità di immagine. Un parametro fondamentale che influisce sulla qualità di immagine è il rapporto segnale-rumore (SNR). Una maggiore quantità di luce proveniente dalla scena ha come risultato un segnale più intenso nel sensore. Un sensore più grande con pixel più grandi, unitamente a un obiettivo con un valore F basso, aumenterà la quantità di luce raccolta dalla scena e contribuirà a un rapporto segnale-rumore (SNR) più elevato. Quando si progetta una telecamera tenendo conto di questi aspetti, è possibile compensare completamente il rumore aggiuntivo generato da un sensore con otturatore globale, ma a un costo maggiore dei componenti della telecamera.

Nelle scene notturne, in cui la luce naturale è scarsa, è possibile ricorrere all'illuminazione artificiale per aumentare il rapporto segnale-rumore (SNR) e la visibilità. L'utilizzo dell'illuminazione stroboscopica con un sensore a otturatore globale consente di aumentare la sensibilità alla luce senza incrementare il consumo energetico. Il risultato è spesso un rapporto segnale-rumore (SNR) migliore rispetto a quello di una telecamera con otturatore a scorrimento dotata di illuminazione continua.

A quale velocità di movimento si osserva la distorsione rolling shutter? Osservare i seguenti esempi calcolati:

Si tratta di una questione complessa, poiché l’entità della distorsione dipende dalla velocità con cui un oggetto si muove nell’immagine, espressa in pixel/s, e non dalla velocità effettiva in km/h o m/s. Dipende quindi da diversi fattori, quali la risoluzione, il livello di zoom, la distanza e l’angolo rispetto all’oggetto in movimento.

• Una telecamera è posizionata sul ciglio della strada e riprende le auto che sfrecciano da sinistra a destra. Il sensore ha una risoluzione di 1080x1920 pixel e un intervallo di esposizione tra le linee pari a 10 microsecondi (1/100.000 secondi). Per semplicità, supponiamo che l'altezza dell'auto occupi l'intera immagine dall'alto verso il basso. Se la velocità dell'auto è di 30 km/h, l'immagine dell'auto risulterà spostata di circa 64 pixel rispetto all'immagine completa, il che corrisponde a un'inclinazione di 3 gradi. Se la velocità è di 100 km/h, lo spostamento sarà di 213 pixel sull'intera immagine e l'auto presenterà un'inclinazione di 11 gradi.

• Una telecamera è posizionata a 6 m sopra la strada e riprende le auto che si trovano a 30 m di distanza lungo la strada. Il sensore ha una risoluzione di 1080x1920 pixel e un intervallo di esposizione tra le linee pari a 10 microsecondi (1/100.000 s). L'altezza dell'auto occupa circa il 50% dell'altezza dell'immagine. Poiché l'auto si sta spostando dalla parte superiore a quella inferiore dell'immagine, la distorsione rolling shutter provocherà una compressione o un allungamento dell'auto (a seconda che l'otturatore si sposti dalla parte inferiore a quella superiore dell'immagine oppure dalla parte superiore a quella inferiore). Se la velocità dell'auto è di 30 km/h, l'auto subirà una compressione o un allungamento inferiore a 1 pixel, pertanto non si verificherà alcuna distorsione. Se la velocità dell'auto è di 100 km/h, l'auto risulterà compressa o allungata di 3 pixel, ovvero circa lo 0,5%. Se la velocità è di 200 km/h, l'auto risulterà compressa o allungata di 6 pixel, ovvero circa l'1%. In questo caso, la distorsione rolling shutter non sarà visibile a occhio nudo e può essere trascurata. Il motivo è che l'angolo tra la telecamera e l'auto è tale che quest'ultima si sposta di pochissimo nell'immagine, anche se sta procedendo a velocità elevata lungo la strada.

• Una telecamera è zoomata su un nastro trasportatore, per rilevare i pacchi dotati di codici a barre che si spostano da sinistra a destra nell'immagine. I pacchi sono larghi 30 cm e occupano l'intera altezza dell'immagine. Il sensore ha una risoluzione di 1080x1920 pixel e un intervallo di esposizione tra le linee pari a 10 microsecondi (1/100.000 s). Se il nastro trasportatore si muove a una velocità di 1 m/s, i pacchi (e i codici a barre) risulteranno soggetti a un'inclinazione di 2 gradi. Se aumentiamo la velocità del nastro a 4 m/s, l'inclinazione sarà di 8 gradi. In questo caso, gli oggetti si muovono molto più lentamente rispetto alle automobili su un’autostrada, ma si osserva comunque una notevole distorsione poiché la telecamera è zoomata molto da vicino sugli oggetti.

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• Una telecamera sta riprendendo un ventilatore in funzione, con un diametro di 40 cm e pale larghe 30 cm. La telecamera è zoomata in modo tale che il ventilatore occupi l'intera altezza dell'immagine. Il sensore ha una risoluzione di 1080x1920 pixel e un intervallo di esposizione tra le linee pari a 10 microsecondi (1/100.000 s). In questo caso, la distorsione rolling shutter farà apparire le pale del ventilatore piegate, allungate e sottoposte a compressione in diverse parti dell'immagine. Affinché la distorsione rimanga impercettibile, ad esempio con un allungamento inferiore all’1%, la ventola deve ruotare a una velocità inferiore a 0,3 giri al secondo. Nell'immagine sopra, una delle pale è allungata dall'alto verso il basso. Ciò avverrà a una velocità di circa 44 giri al secondo.

Esempi di immagini:

• Artefatti luminosi di tipo stroboscopico su una telecamera con otturatore a scorrimento:

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• Scene in cui non vi è alcuna differenza tra l'otturatore rotante e l'otturatore globale: In molte scene e casi d'uso, non vi è alcuna differenza visibile tra una telecamera con otturatore a scorrimento e una con otturatore globale. I materiali comprendono:

• • Scena diurne caratterizzate da un movimento moderato (persone che camminano o corrono, automobili che procedono lentamente o che sfrecciano verso la telecamera, in modo tale che il movimento nell’immagine risulti lento).

  • Scene notturne (in condizioni di scarsa illuminazione) con illuminazione continua o in assenza di illuminazione artificiale e con movimenti moderati.

  • Scene notturne (in condizioni di scarsa illuminazione) con tempi di esposizione prolungati (>1/100 s).