Formação técnica
Diferentes tarefas de inspeção e processamento de imagens requerem diferentes sistemas de aquisição de imagens, que, para simplificar, consistem em iluminação, sistema ótico, câmara e PC. Cada um desses componentes possui propriedades especiais que têm um efeito decisivo sobre o grau de cumprimento da tarefa em questão. Ao pensar na câmara, involuntariamente, pensa-se primeiro na resolução, na taxa de atualização e, possivelmente, na interface de transmissão de dados para o PC.
Contudo, também há uma propriedade menos “óbvia” a considerar ao escolher uma câmara: o processo de exposição (obturador). É feita uma distinção entre obturador global, por um lado, e obturador de persiana, por outro.
Em comparação com o obturador global, os componentes eletrónicos de leitura no obturador de persiana são mais baratos porque são menos complexos. Além disso, o menor número de transístores cria menos calor e, portanto, menos ruído eletrónico. Outra vantagem é o menor Pixel Pitch e, portanto, a maior resolução por área do sensor.
Obturador
Semelhante aos obturadores mecânicos de várias câmaras baseadas em película, ambos os obturadores totalmente eletrónicos regulam o tempo de exposição e, portanto, a quantidade de luz que é convertida em eletrões dentro do sensor – nos pixels.
Devido às diferentes arquiteturas de pixel associadas ao respetivo processo de exposição, o obturador não apenas determina por quanto tempo os eletrões são gerados a partir dos fotões, mas também como isso acontece.
Os pixels de um sensor estão permanentemente ativos – desde que a câmara seja alimentada com energia elétrica. Assim, a luz é continuamente “capturada”, simplesmente não há acumulação de portadores de carga. Os eletrões gerados são, portanto, eliminados repetidamente. Com o início do tempo de exposição, a eliminação dos pixels é interrompida. Começa a acumulação de eletrões. A seguir ao tempo de exposição, os pixels são lidos.
Até aqui, os sensores de ambos os métodos de exposição comportam-se da mesma forma – as diferenças estão nos detalhes.
Global Shutter
Quando aplicado à câmara baseada em película já mencionada, o obturador global pode ser melhor comparado com o obturador central de uma câmara fotográfica. Com a sua estrutura semelhante a uma íris, ele assemelha-se à abertura das lentes e é provavelmente exatamente o que vê na sua mente quando pensa no obturador de uma câmara.
A tarefa desta tampa é abrir rapidamente quando pressiona o botão de disparo do obturador e fechar novamente quando o tempo de exposição termina. Entre a abertura e o fecho, toda a área da película usada para a foto é exposta de uma só vez.
A situação é semelhante para sensores com obturador global: a acumulação do portador de carga começa aqui para todos os pixels – ou seja, globalmente – ao mesmo tempo. O mesmo se aplica ao final do tempo de exposição e ao processo de leitura.
Quando todos os pixels são expostos ao mesmo tempo, a cena fica mais ou menos congelada, o que significa que este método de exposição (com tempos de exposição suficientemente curtos) também é adequado para tirar fotos de objetos em movimento rápido.
Obturador de persiana
O processo de exposição do obturador de persiana é semelhante ao utilizado por câmaras analógicas de película. Ajuda a compreender como funciona e a transferi-lo para a contraparte eletrónica. Aí, uma tampa envolvente geralmente fornecia a exposição e sombreamento do material da película.
Essa tampa envolvente é basicamente um disco de metal circular com um setor circular ausente semelhante à figura a seguir. O disco está posicionado num eixo rotativo e à frente do material da película.
Para uma melhor representação, a tampa envolvente é desenhada semitransparente na figura a seguir.
A exposição do segmento da película começa em (1). Ao rodar a tampa (2), uma área maior da película é gradualmente liberada para a luz incidente. Após a tampa (3) ter sido totalmente aberta, com todo o segmento da película exposto, a tampa fecha-se novamente (4) até que a película esteja completamente sombreada (5).
Também aqui cada “ponto de imagem” da película fica exposto por um tempo definido. No entanto, isso não acontece ao mesmo tempo, o que às vezes pode ser percetível em distorções ao tirar fotos de objetos em movimento rápido, porque aqui – com o mesmo tempo de exposição e em comparação com o obturador central – (em suma significativamente) passa mais tempo entre a abertura da tampa e a abertura exposição associada da primeira área parcial da película até que esta esteja completamente sombreada. Tempo em que, em determinadas circunstâncias, o objeto observado pode mover-se e, assim, causar distorções na imagem.
O princípio básico do obturador de persiana é que a exposição e a acumulação de portadores de carga ocorrem sequencialmente – linha a linha. Tal como acontece com o obturador rotativo, embora todos os pixels sejam expostos pelo mesmo período de tempo, isso não é feito simultaneamente para todos os pixels.
Nota
Câmaras com sensores de obturador são, portanto, apenas condicionalmente adequadas para inspecionar objetos em movimento.
Efeito de obturador de persiana
Como já mencionado, as imagens de objetos em movimento são capturadas cada vez mais distorcidas. Este chamado efeito de obturador de persiana se deve ao facto de que o objeto continua a mover-se durante a exposição linha a linha.
O diagrama de temporização a seguir mostra como a duração da aquisição da imagem é estendida pela exposição linha por linha com obturador de persiana em comparação com o obturador global. Com a mesma velocidade do objeto, surgem distorções significativamente mais fortes.
A intensidade da distorção depende não apenas do tempo de exposição, que é determinado pela velocidade do objeto e a quantidade de luz disponível, mas também da velocidade do sensor ou do seu sistema eletrónica de leitura: com sensores modernos, o efeito do obturador de persiana é menos pronunciado do que com dispositivos mais antigos devido à maior velocidade de leitura.
Movimentos lineares
Se um objeto é movido linearmente para além da câmara no momento em que a imagem é capturada, o efeito do obturador de persiana manifesta-se numa distorção horizontal.
O gráfico a seguir mostra o desenvolvimento desta imagem distorcida: na parte esquerda pode ver como o objeto se move da esquerda para a direita – durante a exposição linha por linha (mostrado aqui como uma linha laranja). A parte direita mostra o conteúdo (imagem) dos pixels individuais.
Objetos em rotação
Se o objeto rodar em frente à câmara enquanto a imagem está a ser gravada, os contornos podem ficar completamente desfocados. Um exemplo impressionante disso é o disco circular mostrado abaixo, que está dividido em quatro quadrantes coloridos.
O desenvolvimento da imagem de aparência um tanto bizarra do sensor do obturador de persiana pode ser melhor explicado graficamente da seguinte forma: a ilustração a seguir mostra a interação passo a passo entre a exposição linha por linha (linha laranja) e o movimento rotacional do objeto à esquerda, bem como os dados de pixel resultantes à direita.
Evitar o efeito de obturador de persiana
Alguns sensores de obturador de persiana têm um modo de operação especial: a chamada reinicialização global. Tal como acontece com o obturador global, todos os pixels começam a acumular portadores de carga ao mesmo tempo. No entanto, o processo de leitura começa – típico do obturador de persiana – linha por linha com uma diferença de tempo.
Isso significa que cada linha do sensor fica exposta por um tempo diferente. Como resultado, uma curva de brilho pode ser vista na imagem gravada.
O modo de operação de reinicialização global sozinho não é a solução para reduzir o efeito do obturador. O tempo de exposição não é reduzido aqui e a suscetibilidade à distorção ao tirar fotos de objetos em movimento permanece.
Isso pode ser remediado pela combinação do modo de operação de reinicialização global, iluminação de flash e sombra de luz externa.
A ilustração mostra o procedimento básico: no início e durante o tempo de exposição, a iluminação do flash também é ligada. Posteriormente, deve-se tomar cuidado para bloquear qualquer luz estranha até o final da exposição da última linha do sensor.
Desta forma, um sensor de obturador de persiana pode ser usado para “simular” o comportamento de um sensor de obturador global no que diz respeito à inspeção de objetos em movimento.
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