Глобальный затвор против роллинга: когда кадр «плывёт»

Что физически различается

Роллинговый затвор считывает матрицу построчно: верхняя строка кадра снята на несколько миллисекунд раньше нижней. Глобальный экспонирует и запоминает все пиксели одновременно.

Разница во времени между первой и последней строкой у бытовых сенсоров — от 5 до 30 мс. За это время аппарат, летящий 15 м/с, смещается на 8–45 см, а винт на 5000 об/мин успевает сделать от половины до двух с половиной оборотов.

Отсюда три классических артефакта: наклон вертикалей при панорамировании, изгиб быстро движущихся объектов и «желе» при вибрации рамы.

Где разница критична, а где нет

В фотограмметрии роллинг — источник систематической ошибки: снимок снят не из одной точки, а «размазан» по траектории, и программа сшивки закладывает это искажение в модель. На маршрутной съёмке с высокой скоростью ошибка накапливается.

В FPV роллинг почти не мешает: человек смотрит на картинку в реальном времени, а не измеряет по ней координаты. Наклон вертикалей при резком развороте заметен, но на пилотирование не влияет.

В машинном зрении всё зависит от задачи: для распознавания объектов роллинга достаточно, для измерения скорости и оптического потока он вносит ошибку.

Чем платят за глобальный затвор

Глобальный затвор требует дополнительной ячейки памяти в каждом пикселе. Это уменьшает светочувствительную площадь, поэтому при равном размере матрицы глобальный сенсор, как правило, шумит сильнее и хуже работает в темноте. У новых многослойных сенсоров разрыв меньше, но не исчез.

Второй счёт — разрешение: выбор глобальных сенсоров уже, а разрешения ниже при том же формате.

Практический вывод простой. Если по кадру собираются измерять — берите глобальный. Если на кадр будут смотреть — роллинга хватит, а внимание стоит уделить оптике и виброразвязке.

Насколько смещается кадр: быстрый расчёт

Смещение за время считывания равно скорости, умноженной на это время. При 15 м/с и считывании 20 мс нижняя строка кадра снята на 30 см дальше по маршруту, чем верхняя.

Для картографии это сравнивают с размером пикселя на местности. При 2 см на пиксель 30 см — это 15 пикселей перекоса между верхом и низом кадра, намного больше допуска хорошей модели.

Программы фотограмметрии умеют компенсировать роллинг, если знают время считывания сенсора: такая настройка есть в Agisoft Metashape и Pix4D. Компенсация уменьшает ошибку, но не убирает её полностью, особенно при вибрации и порывах ветра.

Глобальный затвор в каталоге

В нашем каталоге глобальный затвор чаще всего встречается в зум-блоках KT&C для подвесов: на длинном фокусе любое движение объекта или аппарата растягивается, и роллинг особенно заметен.

Разрешения у таких модулей скромные: 1,58–3,2 Мп на матрицах от 1/3,1″ до 1/1,8″, и только модуль с матрицей 1″ даёт почти 9 Мп.