글로벌 셔터 vs. 롤링 셔터: 어떤 셔터가 애플리케이션에 가장 적합할까요?

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JAI는 최근 Go-X 시리즈에 6개의 새로운 카메라 모델을 추가하여 이 시리즈의 총 모델 수를 30개로 확장했습니다. 그러나 추가된 6개의 모델에는 기존 모델과 다른 점이 있습니다. 이 새로운 모델에는 JAI의 다른 모든 에어리어 스캔 카메라에 장착된 "글로벌 셔터"가 아닌 "롤링 셔터"가 장착된 CMOS 이미지센서가 탑재되어 있습니다. 이 블로그에서는 기술과 애플리케이션의 관점에서 이것이 정확하게 의미하는 바를 간략하게 설명하려고 합니다.

롤링 셔터를 경험해 보세요

롤링 셔터 카메라에서 가장 눈에 띄는 점은 이 카메라가 제공하는 매력적인 메가픽셀당 비용입니다. 비전 시스템 설계자는 보통 이러한 장점 때문에 처음으로 롤링 셔터에 관심을 가지게 됩니다. 롤링 셔터 센서는 글로벌 셔터 센서보다 판독 방법이 더 간단합니다(이에 대한 설명은 다음 섹션에 있습니다). 따라서 설계 및 생산 비용이 저렴한 단순한 트랜지스터-레벨 구조를 사용할 수 있습니다. 이런 이유로 화소수(메가픽셀) 기준에서 글로벌 셔터 카메라보다 롤링 셔터 카메라의 비용이 낮아집니다.

따라서 카메라 비용이 전체 시스템에서 상당 부분을 차지하고 경쟁이나 시장 선정을 위해 경쟁력 있는 가격이 매우 중요한 비전 시스템을 설계하는 엔지니어의 입장에서 롤링 셔터 카메라는 확실한 선택지로 보일 것입니다. 그렇지 않나요? 하지만 그렇게 간단하지는 않습니다.

가지 판독에 대한 이야기

롤링 셔터 카메라 또는 글로벌 셔터 카메라 중 애플리케이션에 가장 적합한 카메라를 찾기 위해서는 두 센서의 노출 및 판독 방법의 차이점에 대한 약간의 지식이 필요합니다.

글로벌 셔터 센서의 경우 모든 픽셀/라인은 동시에 노출됩니다. 노출이 완료되면 각 픽셀은 판독을 기다리기 위해 온 픽셀 스토리지 노드로 전하를 전송합니다. 판독하는 동안 픽셀은 라인으로 조립되며 각 픽셀에서 적합한 노이즈 레퍼런스가 유지되는지 확인하기 위해 특정 검사가(일반적으로 상관 이중 샘플링을 통해) 수행됩니다. 픽셀 데이터가 픽셀 우물 밖으로 이동했기 때문에 글로벌 셔터 카메라는 일반적으로 판독하는 동안 다음 노출을 시작할 수 있어 합리적인 프레임 속도를 유지할 수 있습니다.

글로벌 셔터 방식

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롤링 셔터 센서는 단순하게 설계되어 스토리지 노드가 없기 때문에 다른 방식의 접근이 필요합니다센서의 모든 라인이 동시에 노출되지 않고 라인마다 약간씩 다른 노출 시간을 가지고 있습니다. , 첫 번째 라인의 노출이 시작된 후 두 번째 라인의 노출이 시작되기 전에 약간의 지연을 둡니다. 마찬가지로 두 번째 라인의 노출 시작과 세 번째 라인의 노출 시작 사이에 지연이 있으며 이런 식으로 모든 센서 라인이 노출되고 개별적으로 판독될 때까지 계속됩니다. 라인 간 지연 시간은 라인을 판독하는 데 걸리는 시간과 동일하기 때문에 노출이 완료되는 즉시 각 라인을 판독할 수 있습니다. 이 방법의 경우 픽셀-레벨 스토리지 노드가 필요하지 않지만 그렇기 때문에 각 라인이 시간에 따라 약간씩 다른 순간을 캡처하게 됩니다.

롤링 셔터 방식rolling-shutter-principle

센서는 단일 라인을 매우 빠르게 판독할 수 있기 때문에 롤링 셔터 센서의 개별 라인 간 지연은 10-20µs에 불과하지만 1000 또는 2000 라인이 있는 센서의 경우 이미지의 마지막 라인은 이미지의 첫 번째 라인이 노출되고 40ms 이후에나 노출되게 됩니다.

별것 아닌 것 같지만 촬영되는 물체나 카메라가 노출 중에 빠르게 움직이는 경우 롤링 셔터 카메라의 라인 간 노출의 시간차로 인해 다양한 이미지 왜곡이 발생하게 됩니다. 가장 일반적으로 움직이는 물체가 비스듬하게 보이는 "비뚤어짐"과 팬이나 프로펠러와 같이 빠르게 회전하는 물체가 구부러지거나 분리된 것처럼 보이는 "공간 앨리어싱(spatial aliasing)"이 있습니다.

롤링 셔터 효과 (예시)

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움직이거나 회전하는 물체를 캡처할 때 발생할 수 있는 왜곡을 보여주는 단순화된 롤링 셔터 이미지 캡처 애니메이션. 출처:  Wikimedia. By Cmglee - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45850383

작은(픽셀) 계를 선사합니다

롤링 셔터 센서의 단순한 구조는 또 다른 주목할 만한 특성을 가져옵니다. 센서의 공간을 사용하는 회로가 적기 때문에 양호한 동적 범위 및 신호 대 노이즈(Signal-to-noise) 특성을 가진 중간 크기의 픽셀 우물을 위한 공간을 확보하면서 전반적으로 픽셀의 크기를 줄일 수 있습니다. 그러나 센서의 평방 밀리미터당 픽셀 수가 더 많다고 해서 항상 더 좋은 것은 아닙니다. 더 큰 픽셀이 탑재된 카메라와 동일한 이미지 품질을 제공하기 위해 작은 픽셀이 탑재된 카메라는 더 작은 픽셀 피치(pitch)의 변조 전달 함수(MTF) 요건에 맞추기 위해 더 비싼 광학 장치가 필요할 수도 있습니다. 따라서 특정 애플리케이션의 이미지 품질 필요에 따라 글로벌 셔터 카메라와 비교해 비용 절감 효과가 없을 수도 있습니다.

적합한 셔터 찾기
이제 기본적인 글로벌 셔터와 롤링 셔터의 차이점에 대해 이해했으므로 특정 애플리케이션에 적합한 카메라 유형을 더 쉽게 선택할 수 있습니다.

처음에 언급했던 것과 같이 애플리케이션에 가장 좋은 메가픽셀당 비용을 찾고 있는 경우 롤링 셔터 카메라부터 살펴보는 것이 좋습니다. 그러나 최종 결정을 내리기 위해서는 몇 가지 질문에 대한 답이 필요합니다.

  • 애플리케이션에서 타겟 또는 카메라가 계속해서 움직이나요?  컨베이어 벨트에서 빠르게 움직이는 아이템의 이미지를 캡처하거나 카메라가 차량이나 로봇 팔에 장착된 경우 움직임으로 인해 롤링 셔터 카메라에 문제가 발생할 수 있습니다(다음 질문을 참조하세요). 그러나 이미지가 캡처되는 동안 각 아이템이 잠시 일시 정지되는 "stop-and-go" 애플리케이션의 경우 또는 카메라가 고정된 타겟에 있는 다양한 "정지 지점"으로 움직이는 경우에는 롤링 셔터 카메라를 사용할 수 있습니다.
연속적인 움직임이 있는 애플리케이션
(
글로벌 셔터 카메라 권장)
Stop-and-go 애플리케이션
(
롤링 셔터 카메라 OK)
Continuous-capture Stop-go-capture
  • 이미지에 있는 물체의 모양, 크기 또는 정확한 위치가 애플리케이션에 중요한가요애플리케이션에 움직임이 포함되어 있는 경우라도 어느 정도의 공간 왜곡이 허용되는 경우에는 롤링 셔터 카메라의 사용이 가능할 수 있습니다. 위에 언급된 것과 같이 롤링 셔터 카메라는 움직이는 물체의 이미지가 왜곡되거나 이상하게 분리되어 보이게 할 수 있습니다. 이는 계측, 바코드 판독 또는 안면 인식 등의 애플리케이션에서는 절대로 허용되지 않지만 일부 유/무 확인 또는 상황 인식 애플리케이션에서는 사용 가능할 수 있습니다.
  • 높은 수준의 디테일과 대비가 애플리케이션에 중요한가요위에서 언급했듯이 롤링 셔터 카메라는 일반적으로 (단순한 설계만이 아닌) 더 작은 픽셀 크기를 통해 메가픽셀당 비용의 장점을 극대화합니다. 그러나 작은 픽셀 피치는 동일한 이미지 대비를 제공하기 위해 큰 픽셀 보다 더 비싼 광학 장치를 필요로 합니다. 저비용 광학 장치를 사용하고 낮은 대비의 이미지가 문제가 되지 않는 애플리케이션의 경우에는 롤링 셔터 카메라를 사용하는 것이 문제가 되지 않습니다. 그러나 더 높은 대비가 필요한 경우 비슷한 글로벌 셔터 카메라에 약간 더 큰 픽셀 크기를 사용하면 카메라-렌즈 솔루션을 더 쉽게 구성할 수 있습니다.

움직이는 물체에 롤링 셔터 사용하기?
대부분의 연속적인 움직임이 있는 애플리케이션의 경우 일반적으로 저가 롤링 셔터의 사용을 배제하지만 Go-X 시리즈 롤링 셔터 카메라에는 특별한 조건과 플래시 조명을 사용하는 일부 경우에 공간 왜곡 문제를 제거할 수 있는 "글로벌 리셋"이라는 기능이 포함되어 있습니다이에 대한 자세한 내용은 추후에 게시되는 블로그에서 다루도록 하겠습니다만약 Go-X 시리즈 롤링 셔터 카메라가 귀하의 애플리케이션을 위한 카메라인지 궁금하시다면 JAI로 문의하세요.

Go-X 시리즈 카메라의 전체 목록과 기술 자료 및 기타 정보를 다운로드할 수 있는 개별 제품 페이지 링크는https://insights.jai.com/ko/go-x-series 에서 확인하실 수 있습니다.