롤링 셔터 카메라는 이미지 왜곡 없이 움직이는 물체를 캡처할 수 있을까요?

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"글로벌 리셋"을 사용한다면 대답은 ", 하지만..."

최근 저희 블로그에서는 "롤링 셔터" 기술이 적용된 CMOS 이미저가 탑재되어 있는 JAI의 최신 Go-X 시리즈 카메라에 대한 내용을 다뤘습니다. 블로그에 설명했던 것처럼 이 기술은 제품생산이 간단하며 더 작은 픽셀 크기를 쉽게 지원할 수 있습니다. 따라서 롤링 셔터 카메라는 글로벌 셔터 카메라보다 경제적이며, 이는 가격에 매우 민감한 비전 시스템에 매력적인 옵션으로 작용합니다.

그러나 역시 지적했던 것과 같이 이러한 비용 절감에는 한 가지 큰 단점이 수반됩니다. 롤링 셔터 카메라는 각 라인의 노출이 선행 라인의 노출보다 약간씩 지연되는 이미지 캡처 방법을 사용하기 때문에 움직이는 물체를 촬영하는 경우 이미지가 프레임에서 뒤로 기울어진 것처럼 "비뚤어지게" 됩니다(아래 참조).

롤링 셔터로 인한 이미지 왜곡(비뚤어짐)

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글로벌 리셋"으로 문제 해결

이 문제를 해결하기 위해 Go-X 시리즈 롤링 셔터 카메라의 센서를 포함한 일부 롤링 셔터 센서에는 연속적으로 움직이는 물체의 이미지를 캡처할 때 사용할 수 있는 "글로벌 리셋" 모드가 탑재되어 있습니다.

글로벌 리셋을 통해 센서의 모든 라인을 각 프레임의 시작 시점에 동시에 "리셋"하면 글로벌 셔터 카메라와 동일하게 모든 라인이 동시에 노출을 시작하도록 할 수 있습니다. 그러나 롤링 셔터 센서의 간단한 설계(센서에 스토리지 노드 없음)로 인해 노출이 완료되는 즉시 라인을 판독해야 하기 때문에 라인이 준비됐을 때 판독 기능을 사용할 수 있도록 노출의 종료 시점이 ​​라인마다 달라야 합니다. 결과적으로 시퀀스의 마지막 라인은 첫 번째 라인보다 더 긴 노출 시간을 갖게 됩니다.

이러한 방식으로 글로벌 리셋 모드는 물체가 동일한 위치에 있을 때 모든 라인의 노출을 시작하여 "비뚤어짐" 문제를 해결합니다. 그러나 라인에 따라 노출 시간이 증가하기 때문에 이미지 하단은 상단보다 밝아지게 되고 모션 블러(motion blur)로 인해 선명도가 떨어질 수 있습니다(아래 참조).

글로벌 리셋을 사용한 롤링 셔터

이미지 상단의 어두운 노출 및 하단의 모션 블러 증가

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솔루션: 플래시 조명을 사용한 글로벌 리셋

롤링 셔터 카메라로 노출 및 선명도 그라데이션과 비뚤어짐 없이 연속적으로 움직이는 물체의 이미지를 캡처하는 유일한 방법은 글로벌 리셋 모드를 플래시 조명 소스와 함께 사용하는 것입니다. 최상의 결과를 얻기 위해서는 주변 조명을 철저히 통제해야 합니다.

작동 방식은 다음과 같습니다. 롤링 셔터 카메라를 글로벌 리셋 모드로 설정하여 빠르게 지나가는 물체의 이미지를 캡처하도록 합니다. 타겟 시야를 일종의 슈라우드(장막) 아래에 배치하여 모든 주변광을 차단할 수 있도록 합니다. 모든 라인의 노출이 동시에 시작되면 시간이 지정된 플래시가 작동하여 이미지에 적절한 노출을 제공합니다. 플래시 지속 시간 이상으로 첫 번째 라인이 "활성화"될 수 있도록 카메라의 노출 시간을 설정해야 합니다. 나머지 라인의 활성화 시간이 더 길지만 주변광이 슈라우드에 의해 차단되었기 때문에 모든 라인의 노출은 플래시에서 나오게 되고 따라서 모두 동일한 노출을 갖게 됩니다.

플래시 조명을 사용한 글로벌 리셋

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절충안 찾기

이 접근 방식을 통해 비전 시스템은 이 기술의 가장 큰 단점인 움직이는 물체의 이미지 왜곡 없이 더 저렴한 롤링 셔터 카메라를 사용할 수 있습니다. 그러나 반드시 사용해야 하는 슈라우드와 플래시 조명의 비용과 복잡성을 고려하면 비전 시스템에 단순히 글로벌 셔터 카메라를 사용하는 것이 더 나을 수도 있습니다.

일부 애플리케이션의 경우 노출 균일성이 크게 중요하지 않을 수 있습니다. 이러한 경우에는 슈라우드가 필요하지 않을 수도 있습니다. 밝은 플래시를 사용하는 것만으로 주변광의 영향을 허용 가능한 수준으로 줄일 수 있는 경우, 롤링 셔터 카메라는 (특히 비용 절감이 중요한 멀티 카메라 시스템에) 더 좋은 선택지가 될 수 있습니다.

결론적으로, 롤링 셔터 카메라는 타겟 물체의 움직임으로 인한 공간 왜곡 문제가 없는 stop-and-go 스타일 애플리케이션에 매력적인 비용 절감 효과를 제공할 수 있습니다. 연속 동작 애플리케이션의 경우, 롤링 셔터 카메라에 "글로벌 리셋" 모드가 있고 글로벌 셔터 카메라와 비교할 때 플래시 조명 및 주변광의 제어 비용과 복잡성이 합리적인 수준이라면 롤링 셔터 카메라를 고려해 볼 수 있습니다.

Go-X 시리즈 카메라의 전체 목록과 기술 자료 및 기타 정보를 다운로드할 수 있는 개별 제품 페이지 링크는 https://www.jai.com/go-x-series에서 확인하실 수 있습니다