Видеокамеры Rolling Shutter

Что такое Rolling Shutter камеры

Rolling Shutter (скользящий затвор) — это режим работы матрицы видеокамеры, при котором изображение считывается построчно, а не целиком за один момент времени. Каждая строка сенсора начинает и заканчивает экспозицию с небольшим временным смещением относительно соседней.

Большинство современных CMOS-видеокамер используют именно Rolling Shutter, так как этот режим обеспечивает:

•  высокую светочувствительность,
•  эффективное использование времени экспозиции,
•  более доступную стоимость сенсоров по сравнению с глобальным затвором.

Камеры с Rolling Shutter широко применяются в:

•  системах видеонаблюдения,
•  промышленных и OEM-решениях,
•  транспортных и инфраструктурных проектах,
•  задачах, где важна высокая частота кадров при умеренной динамике сцены.

При правильном подборе камеры и условий съёмки Rolling Shutter обеспечивает качественное изображение без потерь света и «слепых» зон между кадрами, что делает его универсальным решением для большинства задач видеосъёмки.

Принцип работы Rolling Shutter

В режиме Rolling Shutter матрица видеокамеры экспонирует изображение не одновременно, а последовательно — строка за строкой. Это означает, что каждая горизонтальная линия сенсора фиксирует свет в свой собственный момент времени, с небольшим сдвигом относительно соседних строк.

Процесс можно представить как движущуюся волну считывания, которая проходит по матрице сверху вниз или от центра к краям — в зависимости от архитектуры сенсора. Пока одна строка завершает экспозицию и передаёт данные, следующая уже начинает накапливать свет.

Современные Rolling Shutter сенсоры работают на высокой скорости. Например, при частоте считывания 560 МГц временной сдвиг между экспозицией соседних строк может составлять порядка 10 микросекунд. Для статичных или медленно движущихся сцен такой сдвиг практически незаметен и не влияет на визуальное качество изображения.

Часто сенсор логически делится на две половины по горизонтали, при этом:

•  столбцы считываются параллельно,
•  строки обрабатываются последовательно,
•  данные непрерывно передаются в процессор камеры.

Именно такой принцип работы позволяет Rolling Shutter камерам достигать высокой частоты кадров и эффективно использовать свет, что особенно важно для видеонаблюдения и промышленных систем.

Непрерывное перекрытие экспозиций и 100% рабочий цикл

Одним из ключевых преимуществ камер с Rolling Shutter является возможность работы в режиме непрерывного перекрытия экспозиций (overlap mode). В этом режиме каждая новая строка сенсора начинает экспозицию сразу после завершения считывания предыдущей, без пауз и «слепого времени» между кадрами.

Фактически матрица работает непрерывно:

пока одни строки считываются, другие в этот же момент продолжают накапливать свет, как только цикл считывания завершается, сразу начинается следующая экспозиция.

Такой подход обеспечивает рабочий цикл 100%, что означает:

•  отсутствие потерь времени между кадрами,
•  максимальное использование падающего света,
•  более высокую эффективность при слабом освещении.

В отличие от некоторых альтернативных режимов, где между экспозициями присутствуют технологические задержки, Rolling Shutter позволяет не терять фотоны, что напрямую влияет на качество изображения и уровень шума.

При работе на максимальной частоте кадров, например 100 кадров в секунду при скорости считывания 560 МГц, сенсор непрерывно читает данные в режиме перекрытия. Как только полоса считывания достигает верхней и нижней границы матрицы, система сразу возвращается к началу следующей экспозиции без остановки процесса.

Именно поэтому камеры с Rolling Shutter хорошо подходят для задач, где важны:

•  стабильный видеопоток,
•  высокая частота кадров,
•  эффективная работа при ограниченном освещении.

Временная несогласованность изображения

Ещё одна особенность Rolling Shutter заключается в том, что разные строки кадра фиксируют свет в разное время. В результате, каждая часть изображения относится к своему моменту экспозиции, а не ко всему кадру целиком.

Это может быть критично для задач, где важна точная временная синхронизация, например:

•  научные измерения и эксперименты, где фиксируется движение или реакция объектов,
•  машинное зрение и промышленные системы, где нужно точно определить положение быстро движущихся деталей,
•  синхронизация с внешними устройствами (например, стробоскопами или источниками света).

Для обычного видеонаблюдения или записи сцен с медленным движением эта особенность практически незаметна. Но при динамичных событиях объекты на видео могут отображаться немного смещёнными во времени, что иногда вызывает артефакты или искажения в анализе движения.

Сложности синхронизации и влияние на частоту кадров

Из-за построчного считывания в режиме Rolling Shutter может быть непросто синхронизировать камеру с внешними устройствами:

• Стробоскопы, вспышки и источники света: активация происходит в момент, когда сенсор уже частично считывает кадр, из-за чего свет попадает на разные строки с временным смещением.
•  Периферийные устройства и датчики: управление ими в реальном времени может не совпадать с моментами экспозиции, что важно в промышленных или научных системах.

Такие особенности могут приводить к:

•  снижению стабильности кадров,
•  увеличению интервалов между экспозициями,
•  ограничению максимальной частоты кадров по сравнению с глобальным затвором.

При проектировании системы или выборе видеокамеры с Rolling Shutter важно учитывать, что для точной синхронизации со сторонними устройствами или источниками света могут потребоваться дополнительные меры:

•  корректировка частоты кадров,
•  использование внешней синхронизации или триггеров,
•  оптимизация скорости считывания сенсора.

Для большинства стандартных задач видеонаблюдения или записи событий такая синхронизация не является критичной, что делает Rolling Shutter универсальным и эффективным выбором.

Rolling Shutter vs Global Shutter: в чем разница

При выборе видеокамеры важно понимать, чем Rolling Shutter отличается от Global Shutter, и в каких ситуациях каждый режим эффективен.

Общие итоги сравнения:

Rolling Shutter подходит для большинства задач видеонаблюдения, промышленной съемки и повседневной записи, особенно когда сцена медленно меняется или объекты движутся умеренно.

Global Shutter выбирают, если критична точная фиксация движения, минимальные искажения и строгая синхронизация с внешними событиями.