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Rolling vs. Global Shutter: Belichtung, Verzerrung, Rauschen

Beides sind Verfahren für den elektronischen Verschluss von Bildsensoren. Beim Rolling Shutter werden die Pixelzeilen mit leichtem Zeitversatz nacheinander belichtet und der Reihe nach ausgelesen. Die Pixelschaltung ist einfach und das Rauschen lässt sich gering halten, doch da obere und untere Zeilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden, erscheinen schnell bewegte Motive schräg verzerrt. Beim Global Shutter werden alle Pixel gleichzeitig belichtet, die Ladung wird vorübergehend im Pixel gespeichert und anschließend ausgelesen, sodass keine Verzerrung entsteht. Dafür benötigt die Pixelschaltung mehr Elemente, und die Pixel werden tendenziell größer.

MerkmalRolling ShutterGlobal Shutter
BelichtungszeitpunktBeginn und Ende der Belichtung werden Zeile für Zeile leicht versetztAlle Pixel beginnen und beenden die Belichtung gleichzeitig
Ablauf der AuslesungDie Zeilen werden nacheinander ausgelesen, sobald ihre Belichtung endetDie Ladung aller Pixel wird gleichzeitig in einen Speicherbereich im Pixel übertragen und anschließend zeilenweise ausgelesen
Zeitversatz der AufnahmeZwischen oberem und unterem Bildrand um die Auslesezeit eines Bildes (einige ms bis einige zehn ms)Kein Versatz
Bewegte MotiveSchnell bewegte Objekte oder Kameraschwenks erscheinen schräg verzerrtKeine Verzerrung
Flimmerndes Licht und BlitzFlimmern der Beleuchtung erzeugt leicht horizontale Streifen. Bei einem kurzen Blitz wird mitunter nur ein Teil des Bildes hellDas ganze Bild empfängt das Licht gleichzeitig, daher keine Streifen; leicht mit gepulstem Licht synchronisierbar
PixelschaltungTypischerweise ein 4-Transistor-PixelZusätzlich sind ein Bereich zur Zwischenspeicherung der Ladung und die zugehörigen Transistoren erforderlich
Pixelgröße und EmpfindlichkeitKleine Pixel leicht realisierbarDie Pixel werden um den Speicherbereich tendenziell größer, und die lichtempfindliche Fläche verringert sich leicht
RauschenMit korrelierter Doppelabtastung (CDS), die die Differenz zwischen Reset- und Signalpegel bildet, lässt sich das Ausleserauschen leicht gering haltenJe nach Verfahren ist CDS schwierig und das Rauschen steigt leicht. Auch Dunkelstrom während der Speicherung und Lichteinstreuung in den Speicherbereich sind Probleme
KostenNiedrigEher hoch
Typische AnwendungenSmartphones, Digitalkameras, Videoaufnahme, ÜberwachungskamerasInspektionskameras in Fabriken (Machine Vision), Barcode-Lesen, Fahrerüberwachung im Fahrzeug, Entfernungsmessung wie ToF, Tracking für Roboter und AR/VR

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Rolling Shutter
Wenn sich das Motiv nicht zu schnell bewegt und kleine Pixel, Empfindlichkeit, geringes Rauschen und niedrige Kosten Vorrang haben. Der Standard in den meisten Kameras.
Global Shutter
Wenn schnell bewegte Objekte formgetreu aufgenommen werden sollen oder die Belichtung genau auf gepulstes Licht oder einen Blitz abgestimmt werden muss. Anwendungen in Inspektion und Messtechnik sowie bei maschineller Bildauswertung.
Verzerrung verringern
Auch beim Rolling Shutter wird die Verzerrung kleiner, wenn die Auslesezeit eines Bildes verkürzt wird. Möglich ist dies etwa durch schnelleres Auslesen mit gestapelten Sensoren oder durch Kombination mit einem mechanischen Verschluss.

Häufige Fragen

Warum werden bewegte Objekte beim Rolling Shutter verzerrt?

Weil die Pixel Zeile für Zeile nacheinander belichtet und ausgelesen werden, liegen die Aufnahmezeitpunkte der oberen und unteren Zeilen um einige ms bis einige zehn ms auseinander. Bewegt sich das Motiv in dieser Zeit, wird es in jeder Zeile an einer anderen Position erfasst, und das Gesamtbild erscheint schräg verzerrt.

Ist der Global Shutter immer überlegen?

Nicht unbedingt. Der Global Shutter benötigt einen Speicherbereich im Pixel, daher werden die Pixel tendenziell größer, und bei Empfindlichkeit, Rauschen und Kosten ist er oft im Nachteil. In Anwendungen, in denen Bewegungsverzerrung kein Problem ist, wird der Rolling Shutter gewählt.

Warum erzeugt flimmernde Beleuchtung Streifen?

Beim Rolling Shutter unterscheidet sich der Belichtungszeitpunkt von Zeile zu Zeile. Zeilen, die belichtet werden, während sich die Helligkeit der flimmernden Beleuchtung ändert, werden anders hell als die übrigen und erscheinen als horizontale Streifen. Beim Global Shutter werden alle Pixel gleichzeitig belichtet, daher entstehen keine Streifen.

Verständnis prüfen

Warum werden bei CMOS-Bildsensoren mit Rolling Shutter schnell bewegte Objekte verzerrt abgebildet?

  1. AWeil Belichtung und Auslesung zeilenweise zeitlich versetzt erfolgen
  2. BWeil alle Pixel gleichzeitig belichtet werden
  3. CWegen der Anordnung der Farbfilter
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Antwort: A. Weil Belichtung und Auslesung zeilenweise zeitlich versetzt erfolgen

Beim Rolling Shutter werden die Pixel Zeile für Zeile nacheinander belichtet und ausgelesen, sodass die Aufnahmezeit zwischen oberen und unteren Zeilen um einige ms bis einige zehn ms versetzt ist. Dadurch erscheinen schnell bewegte Objekte schräg verzerrt, oder das Flackern von Leuchtstofflampen erzeugt Streifen. Beim Global Shutter, der alle Pixel gleichzeitig belichtet, treten keine Verzerrungen auf, weshalb er in industriellen Inspektionskameras und im Fahrzeug eingesetzt wird; er erfordert jedoch eine Schaltung zur vorübergehenden Ladungsspeicherung im Pixel und damit größere Pixel.

Welcher Transistor des typischen 4-Transistor-Pixels eines CMOS-Bildsensors überträgt die Ladung der Fotodiode zur Floating Diffusion?

  1. ATransfer-Transistor
  2. BReset-Transistor
  3. CSelect-Transistor
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Antwort: A. Transfer-Transistor

Der 4-Transistor-Pixel besteht aus vier Transistoren: Transfer, Reset, Verstärker (Source-Folger) und Select. Der Transfer-Transistor überträgt die Ladung der eingebetteten Fotodiode zur Floating Diffusion (FD), und deren Spannung wird vom Verstärkertransistor ausgegeben. Der Reset initialisiert die FD, Select wählt die auszulesende Zeile. Der Vorteil dieser Struktur ist, dass CDS durch Differenzbildung der Werte vor und nach dem Transfer möglich wird; es gibt auch Ausführungen, bei denen FD usw. mit Nachbarpixeln geteilt werden, um die Fläche zu verringern.

Was ist der Zweck der beim Auslesen von CMOS-Bildsensoren verwendeten korrelierten Doppelabtastung (CDS)?

  1. ADas Signal zu verdoppeln
  2. BFarbinformationen zu interpolieren
  3. CDurch Differenzbildung zwischen Reset- und Signalauslesung Reset-Rauschen und pixelweise Offsets zu entfernen
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Antwort: C. Durch Differenzbildung zwischen Reset- und Signalauslesung Reset-Rauschen und pixelweise Offsets zu entfernen

Bei CDS werden der Ausgang unmittelbar nach dem Zurücksetzen der Floating Diffusion und der Ausgang nach dem Transfer der Fotodiodenladung jeweils abgetastet, und die Differenz ist das Signal. Das bei jedem Reset schwankende kTC-Rauschen und der Offset des Verstärkers jedes Pixels sind beiden Werten gemeinsam und heben sich in der Differenz auf. In Kombination mit dem vollständigen Transfer der eingebetteten Fotodiode lässt sich das Ausleserauschen auf wenige Elektronen oder weniger senken.

  1. Was ist der Hauptvorteil des in vielen CMOS-Bildsensoren eingesetzten Verfahrens, bei dem für jede Pixelspalte ein AD-Wandler vorgesehen ist und parallel gewandelt wird?

Übungsfragen zu Bildsensoren und optische Bauelemente

Wichtige Begriffe erklärt

Rolling Shutter
Verfahren, bei dem Belichtung und Auslesen zeilenweise nacheinander erfolgen. Einfache Schaltung, aber schnell bewegte Objekte erscheinen verzerrt. Das Verfahren mit gleichzeitiger Belichtung aller Pixel ist der Global Shutter.
Global Shutter
Elektronisches Verschlussverfahren, bei dem alle Pixel gleichzeitig belichtet werden. Anders als beim zeilenweise auslesenden Rolling Shutter werden bewegte Objekte nicht verzerrt.
Korrelierte Doppelabtastung (CDS)
Verfahren, bei dem die Differenz zwischen der Spannung nach dem Zurücksetzen des Pixels und der Spannung beim Auslesen des Signals gebildet wird. Es entfernt Reset-Rauschen und pixelweise Offsets.
CMOS-Bildsensor
Bildsensor im CMOS-Prozess, bei dem jedes Pixel eine eigene Verstärkerschaltung besitzt. Geringer Stromverbrauch und Integration von Peripherieschaltungen; Standard u. a. in Smartphone-Kameras.

Verwandte Vergleiche