Perfil técnico
Las diferentes tareas de inspección y procesamiento de imágenes requieren diferentes sistemas de adquisición de imágenes, que, en pocas palabras, consisten en iluminación, óptica, cámara y ordenador. Cada uno de dichos componentes presenta propiedades especiales que tienen un efecto decisivo en el cumplimiento de la tarea en cuestión. En el caso de la cámara, primero se piensa involuntariamente en la resolución, la frecuencia de fotogramas e incluso la interfaz para la transferencia de datos al ordenador.
Sin embargo, también debe tenerse en cuenta una propiedad menos «evidente» al elegir una cámara: el proceso de exposición (Shutter en inglés). Para ello, se distingue entre Global Shutter y Rolling Shutter.
En comparación con Global Shutter, la electrónica de lectura de Rolling Shutter es más económica porque es menos compleja. Además, el menor número de transistores genera menos calor y, por tanto, menos ruido electrónico. Otra ventaja es el menor Pixel Pitch y, por lo tanto, la mayor resolución por superficie de sensor.
Shutter
Al igual que los obturadores mecánicos de diferentes cámaras de película, ambos obturadores electrónicos regulan el tiempo de exposición y, por lo tanto, la cantidad de luz que se convierte en electrones, en píxeles, dentro del sensor.
Debido a las diferentes arquitecturas de píxeles asociadas con el proceso de exposición, el obturador no solo determina durante cuánto tiempo se generan los electrones a partir de los fotones, sino también cómo es dicho proceso.
Los píxeles de un sensor están activos de forma permanente activos siempre que la cámara reciba corriente. De esa forma, la luz se «captura» continuamente, porque sencillamente no se produce una acumulación de soportes de carga. Los electrones generados se descartan reiteradamente. Con el inicio del tiempo de exposición, dicha eliminación de píxeles se detiene. Comienza la acumulación de electrones. Los píxeles se consultan tras el tiempo de exposición.
Hasta este momento, los sensores de ambos procesos de exposición se comportan de la misma manera: las diferencias se esconden en los detalles.
Global Shutter
Transferido a la cámara de película ya mencionada, Global Shutter puede compararse mejor con el obturador central de una cámara fotográfica. Con su estructura similar a un iris, se asemeja al obturador de los objetivos y probablemente sea lo que ve se imagina cuando piensa en el obturador de cámara.
La tarea de dicho obturador consiste abrirse rápidamente al pulsar el disparador y cerrarse cuando finaliza el tiempo de exposición. Entre la apertura y el cierre, toda la zona útil de la película utilizada para una imagen se expone de una sola vez.
En el caso de sensores con Global Shutter, el comportamiento es similar: la acumulación de soportes de carga comienza aquí al mismo tiempo para todos los píxeles, es decir, a nivel global. Lo mismo se aplica al final del tiempo de exposición y al proceso de lectura.
En el caso de una exposición simultánea de todos los píxeles, la escena queda más o menos congelada, lo que significa que este método de exposición también es adecuado para sacar fotografías de objetos que se mueven rápidamente (con tiempos de exposición cortos).
Rolling Shutter
El proceso de exposición de Rolling Shutter es similar al que de las cámaras analógicas. Para favorecer la compresión, convendría representar el funcionamiento y transferirlo al homólogo electrónico. Allí, un obturador giratorio suele proporcionar la exposición y las sombras del material de la película.
Un obturador giratorio de este tipo consta, básicamente, de un disco metálico circular al que le falta una sección circular como en la siguiente ilustración. El disco se coloca sobre un eje giratorio y frente al material de la película.
El obturador giratorio se dibuja semitransparente en la siguiente ilustración para mejorar la representación.
La exposición del segmento de la película comienza en (1). Al girar el obturador (2), se libera gradualmente un zona más grande de la película a la luz incidente. Tras la apertura completa del obturador (3), donde se expone todo el segmento de la película, el obturador se cierra de nuevo (4) hasta que la película quede completamente sombreada (5).
Cada «elemento de la imagen» de la película queda expuesto durante un tiempo definido. Sin embargo, esto no ocurre al mismo tiempo, lo que puede percibirse en distorsiones al tomar fotografías de objetos que se mueven rápidamente, porque en ese caso, con el mismo tiempo de exposición y en comparación con el obturador central, transcurre más tiempo (en total) entre la apertura y la exposición asociada de la primera zona parcial de la película hasta un sombreado completo. Tiempo durante el cual el objeto observado puede moverse y, por lo tanto, provocar distorsiones en la imagen.
El principio básico de Rolling Shutter indica que la exposición y la acumulación de soportes de carga se realizan de forma secuencial, línea por línea. Al igual que con el obturador giratorio, todos los elementos de la imagen se exponen durante el mismo período de tiempo, pero no se hace simultáneamente para todos los elementos de la imagen.
Nota
Por lo tanto, las cámaras con sensores Rolling Shutter solo son adecuadas con limitaciones para inspeccionar objetos en movimiento.
Efecto Rolling Shutter
Como ya se mencionó anteriormente, las imágenes de objetos en movimiento están cada vez más distorsionadas. El denominado efecto Rolling Shutter se debe al hecho de que el objeto continúa moviéndose durante la exposición línea por línea.
El siguiente cronograma muestra cómo la duración de la toma de imágenes se prolonga por la exposición línea por línea en caso de un Rolling Shutter en comparación con Global Shutter. Con un objeto a la misma velocidad, surgen distorsiones significativamente más intensas.
La intensidad de las distorsiones no solo depende del tiempo de exposición, que está determinado por la velocidad del objeto y la cantidad de luz disponible, sino también de la velocidad del sensor o su electrónica de lectura. En el caso de los sensores modernos, el efecto Rolling Shutter es menos pronunciado que en los aparatos más antiguos debido a la mayor velocidad de lectura.
Movimientos lineales
Si un objeto se mueve linealmente más allá de la cámara en el momento de la toma de la imagen, el efecto Rolling Shutter se manifiesta en forma de una distorsión horizontal.
El siguiente gráfico muestra la aparición de esta imagen distorsionada. En la parte izquierda se puede observar cómo el objeto se mueve de izquierda a derecha durante la exposición línea por línea (aquí se muestra como una línea naranja). La parte derecha muestra el contenido (de la imagen) de los píxeles individuales.
Objetos giratorios
Si el objeto gira frente a la cámara durante la toma de la imagen, los contornos pueden aparecer completamente borrosos. Un claro ejemplo de ellos es el siguiente disco circular dividido en cuatro cuadrantes de colores.
La aparición de la imagen de aspecto extraño del sensor Rolling Shutter se puede explicar mejor gráficamente de la siguiente manera: la siguiente ilustración muestra la interacción paso a paso entre la exposición línea por línea (línea naranja) y el giro del objeto a la izquierda, así como los datos píxeles resultantes en la zona derecha.
Omisión del efecto Rolling Shutter
Algunos sensores Rolling Shutter disponen de un modo de servicio especial: el denominado Global Reset. Al igual que en el caso del Global Shutter, todos los píxeles comienzan a acumular soportes de carga al mismo tiempo. Sin embargo, el proceso de lectura comienza línea por línea con un desfase temporal, típico de Rolling-Shutter.
Esto provoca que cada línea del sensor queda expuesta con una duración diferente. Como resultado, se puede observar una progresión de brillo en la imagen.
El modo de servicio Global Reset no constituye en sí misma una solución para reducir el efecto Rolling Shutter. El tiempo de exposición no se reduce y se mantiene la susceptibilidad a distorsiones al tomar imágenes de objetos en movimiento.
Algo que se puede remediar mediante la combinación del modo de servicio Global Reset, iluminación flash y sombreado de luz externa.
La ilustración muestra el procedimiento básico: la iluminación flash también se enciende con el inicio y durante el tiempo de exposición. Posteriormente, se debe garantizar el aislamiento de cualquier luz extraña hasta el final de la exposición de la última línea del sensor.
De esta forma, se puede utilizar un sensor Rolling Shutter para «simular» el comportamiento de un sensor Global Shutter con respecto a la inspección de objetos en movimiento.
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