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Obturateur roulant vs global : exposition, distorsion et usages

Ce sont deux modes d'obturateur électronique des capteurs d'image. L'obturateur roulant expose les lignes de pixels en décalant légèrement l'instant pour chaque ligne, puis les lit dans l'ordre. Le circuit de pixel est simple et le bruit peut être faible, mais comme les lignes du haut et du bas ne sont pas capturées au même instant, un sujet qui se déplace vite est déformé en biais. L'obturateur global expose tous les pixels en même temps, conserve temporairement la charge dans le pixel, puis la lit : aucune distorsion n'apparaît. En contrepartie, le circuit de pixel s'alourdit et le pixel tend à grandir.

CritèreObturateur roulantObturateur global
Instant d'expositionL'exposition commence et se termine avec un léger décalage pour chaque ligneL'exposition commence et se termine en même temps pour tous les pixels
Déroulement de la lectureLes lignes sont lues dans l'ordre, dès que leur exposition est terminéeLes charges de tous les pixels sont transférées en même temps vers la zone de stockage du pixel, puis lues ligne par ligne
Décalage de l'instant de captureEntre le haut et le bas de l'image, un décalage égal au temps de lecture d'une image (de quelques ms à quelques dizaines de ms)Aucun décalage
Sujets en mouvementLes objets rapides, ou un mouvement de la caméra, sont déformés en biaisPas de déformation
Lumière clignotante et flashLe scintillement de l'éclairage produit facilement des bandes horizontales. Avec un flash bref, seule une partie de l'image peut être éclairéeToute l'image reçoit la lumière en même temps : pas de bandes, et synchronisation facile avec une lumière pulsée
Circuit de pixelTypiquement un pixel à 4 transistorsNécessite en plus une zone de stockage temporaire de la charge et les transistors associés
Taille de pixel et sensibilitéPixels petits faciles à réaliserLe pixel tend à grandir à cause de la zone de stockage, et la surface photosensible tend à diminuer
BruitLe double échantillonnage corrélé (CDS), qui fait la différence entre le niveau de réinitialisation et le signal, réduit facilement le bruit de lectureSelon la méthode, le CDS est difficile et le bruit tend à augmenter. Le courant d'obscurité pendant le stockage et la fuite de lumière vers la zone de stockage posent aussi problème
CoûtFaiblePlutôt élevé
Usages typiquesSmartphones, appareils photo numériques, vidéo, caméras de surveillanceCaméras d'inspection en usine (vision industrielle), lecture de codes-barres, surveillance du conducteur en automobile, mesure de distance comme le ToF, suivi pour la robotique et l'AR/VR

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Obturateur roulant
Lorsque le sujet ne bouge pas trop vite et que l'on privilégie des pixels petits, la sensibilité, le faible bruit et le coût. C'est le standard de la plupart des caméras.
Obturateur global
Pour capturer des objets rapides avec leur forme exacte, ou pour synchroniser précisément l'exposition avec une lumière pulsée ou un flash. Usages d'inspection, de mesure et d'analyse d'image par des machines.
Pour réduire la distorsion
Même avec un obturateur roulant, raccourcir le temps de lecture d'une image réduit la distorsion. On peut accélérer la lecture avec un capteur empilé, ou combiner le capteur avec un obturateur mécanique.

Questions fréquentes

Pourquoi les objets en mouvement sont-ils déformés avec un obturateur roulant ?

Comme les pixels sont exposés et lus ligne par ligne dans l'ordre, l'instant de capture diffère de quelques ms à quelques dizaines de ms entre les lignes du haut et du bas de l'image. Si le sujet bouge pendant ce temps, chaque ligne enregistre une position différente, et l'ensemble est déformé en biais.

L'obturateur global est-il toujours meilleur ?

Pas nécessairement. L'obturateur global nécessite une zone de stockage dans le pixel, si bien que le pixel tend à grandir, ce qui le désavantage souvent en sensibilité, en bruit et en coût. Pour les usages où la distorsion due au mouvement ne pose pas problème, on choisit l'obturateur roulant.

Pourquoi le scintillement de l'éclairage produit-il des bandes ?

Avec un obturateur roulant, l'instant d'exposition diffère d'une ligne à l'autre : les lignes exposées pendant que la luminosité de l'éclairage clignotant varie n'ont pas la même luminosité que les autres, ce qui apparaît sous forme de bandes horizontales. Avec un obturateur global, tous les pixels sont exposés en même temps : pas de bandes.

Vérifier vos connaissances

Avec l'obturateur déroulant (rolling shutter) d'un capteur d'image CMOS, pourquoi un sujet rapide apparaît-il déformé ?

  1. AParce que les instants d'exposition et de lecture sont décalés d'une ligne à l'autre
  2. BParce que tous les pixels sont exposés simultanément
  3. CEn raison de la disposition du filtre coloré
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Réponse : A. Parce que les instants d'exposition et de lecture sont décalés d'une ligne à l'autre

Avec l'obturateur déroulant, les pixels sont exposés et lus ligne par ligne ; l'instant de prise de vue diffère donc de quelques ms à quelques dizaines de ms entre les lignes du haut et du bas. Un sujet rapide apparaît alors déformé en biais, et le scintillement des tubes fluorescents produit des bandes. L'obturateur global, qui expose tous les pixels simultanément, ne provoque pas de déformation et sert aux caméras d'inspection industrielle et à l'automobile, mais il nécessite dans le pixel un circuit de stockage temporaire des charges, ce qui agrandit le pixel.

Dans un pixel typique à quatre transistors d'un capteur d'image CMOS, quel transistor transfère la charge de la photodiode vers la diffusion flottante (floating diffusion) ?

  1. ALe transistor de transfert
  2. BLe transistor de réinitialisation
  3. CLe transistor de sélection
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Réponse : A. Le transistor de transfert

Le pixel à quatre transistors comprend les transistors de transfert, de réinitialisation, d'amplification (suiveur de source) et de sélection. Le transistor de transfert déplace la charge de la photodiode enterrée vers la diffusion flottante (FD), dont la tension est restituée par le transistor d'amplification. La réinitialisation initialise la FD, la sélection choisit la ligne lue. Cette structure a l'avantage de permettre le CDS sur la différence avant et après transfert ; on partage aussi parfois la FD avec les pixels voisins pour réduire la surface.

Quel est l'objectif du double échantillonnage corrélé (CDS) utilisé pour la lecture des capteurs d'image CMOS ?

  1. AAmplifier le signal d'un facteur deux
  2. BInterpoler l'information de couleur
  3. CPrendre la différence entre la valeur à la réinitialisation et la valeur à la lecture du signal, afin d'éliminer le bruit de réinitialisation et les décalages propres à chaque pixel
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Réponse : C. Prendre la différence entre la valeur à la réinitialisation et la valeur à la lecture du signal, afin d'éliminer le bruit de réinitialisation et les décalages propres à chaque pixel

En CDS, on échantillonne la sortie juste après la réinitialisation de la diffusion flottante, puis la sortie après le transfert de la charge de la photodiode, et leur différence constitue le signal. Le bruit kTC, qui varie à chaque réinitialisation, et le décalage de l'amplificateur de chaque pixel étant communs aux deux valeurs, la différence les annule. Combiné au transfert complet de la photodiode enterrée, il ramène le bruit de lecture à quelques électrons ou moins.

  1. Quel est le principal avantage du schéma, adopté par de nombreux capteurs d'image CMOS, plaçant un convertisseur analogique-numérique par colonne de pixels pour convertir en parallèle ?

Questions d'entraînement sur Capteurs d'images et composants optiques

Termes clés expliqués

Obturateur déroulant (rolling shutter)
Mode où l'exposition et la lecture se font successivement, ligne de pixels par ligne. Circuit simple, mais les sujets rapides sont déformés. Le mode exposant tous les pixels simultanément est l'obturateur global.
Obturateur global (global shutter)
Obturateur électronique qui expose tous les pixels simultanément. Contrairement à l'obturateur déroulant, qui lit les lignes successivement, il ne déforme pas l'image des objets en mouvement.
Double échantillonnage corrélé (CDS)
Traitement qui calcule la différence entre la tension à la réinitialisation du pixel et la tension à la lecture du signal. Il élimine le bruit de réinitialisation et l'offset propre à chaque pixel.
Capteur d'image CMOS
Capteur d'image fabriqué en technologie CMOS, avec un circuit d'amplification par pixel. Faible consommation et intégration possible des circuits périphériques ; standard des caméras de smartphones.

Comparatifs associés