Background tecnico
Le diverse operazioni di ispezione ed elaborazione delle immagini presuppongono vari sistemi di acquisizione delle immagini che, in poche parole, sono costituiti da illuminazione, sistema ottico, telecamera e PC. Ognuno di questi componenti presenta caratteristiche speciali che influiscono in modo decisivo sul grado di adempimento dell’operazione svolta. Nel caso della telecamera, involontariamente si pensa innanzitutto alla risoluzione, alla frequenza dei fotogrammi ed eventualmente anche all’interfaccia per la trasmissione dei dati al PC.
Tuttavia, nella selezione di una telecamera occorre tenere in considerazione anche una caratteristica meno “evidente”: il processo di esposizione (in inglese shutter). Si distingue così tra global shutter e rolling shutter.
Rispetto al global shutter, l’elettronica di lettura del rolling shutter è più economica perché meno complessa. Inoltre, il numero ridotto di transistori genera meno calore e quindi meno rumore da parte del sistema elettronico. Un ulteriore vantaggio è il pixel pitch ridotto e quindi una risoluzione maggiore per ogni superficie del sensore.
Shutter
Paragonabili agli otturatori meccanici delle più svariate telecamere a pellicola, i due shutter completamente elettronici regolano il tempo di esposizione e quindi la quantità di luce che viene convertita in elettroni all’interno del sensore nei pixel.
In base alle diverse architetture di pixel che si accompagnano al processo di esposizione corrispondente, l’otturatore non determina solamente la durata della generazione degli elettroni dai fotoni ma anche la modalità.
I pixel di un sensore sono sempre attivi finché la telecamera è alimentata a corrente. Anche la luce viene continuamente “catturata”, solo non avvengono accumuli nei portatori di carica. Gli elettroni generati vengono quindi continuamente respinti. Con l’inizio del tempo di esposizione, la cancellazione dei pixel viene arrestata. L’accumulo degli elettroni ha inizio. I pixel vengono letti al termine del tempo di esposizione.
Fino a questo momento, i sensori di entrambi i processi di esposizione si comportano ugualmente, le differenze si celano nei dettagli.
Global Shutter
Prendendo come base la telecamera a pellicola già affrontata, global shutter è confrontabile al meglio con l’otturatore centrale di una fotocamera. Con la sua struttura a forma di iride assomiglia al diaframma delle lenti ed è probabilmente ciò che si ha esattamente in mente quando si pensa a un otturatore.
Il compito di questo otturatore consiste nell’aprirsi super velocemente alla pressione dello scatto e nel richiudersi al termine del tempo di esposizione. Tra l’apertura e la chiusura, la superficie totale della pellicola utilizzata per un’immagine viene esposta a un colpo.
Nei sensori con global shutter, il comportamento è analogo: in questo caso l’accumulo nei portatori di carica inizia allo stesso tempo per tutti i pixel, anche a livello globale. Lo stesso vale per la fine del tempo di esposizione e per la procedura di lettura.
Con l’esposizione contemporanea di tutti i pixel, la scena viene quasi congelata, il che implica che questo processo di esposizione sia idoneo anche per l’acquisizione di oggetti in rapido movimento (con tempi di esposizione sufficientemente brevi).
Rolling shutter
Il processo di esposizione rolling shutter assomiglia a quello delle telecamere analogiche a pellicola. Contribuisce alla comprensione di quale funzionamento tenere in considerazione e trasmetterlo al corrispondente elettronico. In questo caso caso, un otturatore a disco rotante provvedeva perlopiù all’esposizione e all’ombreggiatura del materiale a pellicola.
Un otturatore a disco rotante di questo tipo ha fondamentalmente una struttura circolare in metallo con un settore circolare assente simile alla seguente figura. Il disco è posizionato su un albero rotante e davanti al materiale a pellicola.
Per una migliore rappresentazione, l’otturatore a disco rotante è disegnato in modo semitrasparente nella seguente figura.
L’esposizione del segmento a pellicola inizia nel punto (1). La rotazione dell’otturatore (2) consente alla luce radiante di ottenere poco a poco una superficie della pellicola più grande. Dopo l’apertura completa dell’otturatore (3), in cui viene esposto il segmento completo a pellicola, l’otturatore si richiude (4) fino alla completa ombreggiatura della pellicola (5).
Certamente, anche in questo caso, ogni “punto dell’immagine” della pellicola viene esposto per un determinato intervallo di tempo. Ciò non accade però contemporaneamente, manifestandosi eventualmente in distorsioni al momento dell’acquisizione di oggetti in rapido movimento perché in questo caso, nello stesso tempo di esposizione e rispetto all’otturatore centrale, trascorre (in totale sensibilmente) più tempo tra l’apertura dell’otturatore e l’esposizione ad essa associata della prima superficie parziale della pellicola fino all’ombreggiatura completa. Tempo in cui l’oggetto osservato continua eventualmente a muoversi causando quindi distorsioni nell’immagine.
Il principio di base del rolling shutter afferma che esposizione ed accumulo nei portatori di carica avviene in modo sequenziale, riga dopo riga. Analogamente all’otturatore a disco rotante, tutti i punti dell’immagine vengono esposti alla stessa durata ma ciò non avviene contemporaneamente per la totalità dei punti dell’immagine.
Nota
Con questo, le telecamere dotate di sensori rolling shutter risultano idonee solo per l’ispezione di oggetti in movimento.
Effetto rolling shutter
Come già detto, al momento dell’acquisizione di oggetti in movimento si verifica l’aumento di distorsioni all’interno dell’immagine. Questo cosiddetto effetto rolling shutter dipende dal fatto che l’oggetto continua a muoversi durante l’esposizione riga per riga.
Il seguente diagramma di tempo mostra come si estende la durata dell’acquisizione dell’immagine con l’esposizione riga per riga nel rolling shutter rispetto al global shutter. Alla stessa velocità dell’oggetto si verificano così distorsioni sensibilmente più intense.
L’intensità delle distorsioni dipende, oltre dal tempo di esposizione determinato dalla velocità dell’oggetto e dalla quantità di luce disponibile, dalla velocità del sensore o dal sistema elettronico di lettura corrispondente: nei sensori moderni, l’effetto rolling shutter si manifesta in maniera più debole rispetto ai dispositivi precedenti a causa della velocità di lettura superiore.
Movimenti lineari
Se un oggetto, al momento dell’acquisizione dell’immagine, passa linearmente lungo la telecamera, l’effetto rolling shutter si manifesta in una distorsione orizzontale.
Il grafico seguente mostra la generazione di questa acquisizione dell’immagine distorta: a sinistra si vede come l’oggetto si muove da sinistra a destra durante l’esposizione riga per riga (qui raffigurata come linea arancione). A destra vengono mostrati i contenuti (dell’immagine) dei singoli pixel.
Oggetti rotanti
Se l’oggetto ruota davanti alla telecamera durante l’acquisizione dell’immagine, i contorni possono sbiadirsi completamente. Un esempio impressionante è il disco circolare raffigurato di seguito che è suddiviso in quattro quadranti colorati.
La generazione della figura piuttosto bizzarra del sensore rolling shutter si spiega al meglio graficamente: la seguenti figura mostra l’interazione passo-passo tra esposizione riga per riga (linea arancione) e movimento rotazionale dell’oggetto a sinistra e i dati pixel risultanti a destra.
Prevenzione dell’effetto rolling shutter
Alcuni sensori rolling shutter sono dotati di una speciale modalità operativa chiamata global reset. Tutti i pixel iniziano contemporaneamente con l’accumulo nei portatori di carica come nel global shutter. Il processo di lettura avviene, però, riga per riga con uno scostamento temporale, tipico del rolling shutter.
Ciò comporta il fatto che ciascuna riga del sensore venga esposta per un tempo differente. Il risultato è una curva di luminosità all’interno dell’immagine acquisita.
La modalità operativa global reset da sola non rappresenta la soluzione per prevenire l’effetto rolling shutter. La durata di esposizione non viene qui ridotta e la predisposizione di distorsioni al momento dell’acquisizione di oggetti in movimento rimane invariata.
Un rimedio è la combinazione della modalità global reset con illuminazione flash e offuscamento della luce esterna.
La figura mostra la procedura di base: all’avvio e per l’intera durata del tempo di esposizione viene inserita anche l’illuminazione flash. Successivamente occorre verificare di ombreggiare qualsiasi luce ambientale fino al termine dell’esposizione dell’ultima riga del sensore.
In questo modo, è possibile “simulare” con un sensore rolling shutter il comportamento di un sensore global shutter in riferimento all’ispezione di oggetti in movimento.
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