Das Rolling-Shutter-Phänomen tritt auf, wenn bei der Aufnahme eines sich schnell bewegenden Objekts mit einer Kamera eine Verzerrung des Objekts auftritt. Dies wird auch als Rolling-Shutter-Verzerrung bezeichnet. Ein Beispiel: Wenn man einen schnell fahrenden Zug von einem Bahnsteig aus fotografiert, kann das aufgenommene Bild wie in der unteren Abbildung eine schräge Verzerrung aufweisen. Dies ist das Rolling-Shutter-Phänomen (Verzerrung).
Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich Objekte in horizontaler Richtung bewegen, wodurch sie eine verzerrte, schräge Form erhalten. Bei vertikalen Bewegungen hingegen erscheint das Objekt gestreckt oder zusammengezogen. Auch bei schnell rotierenden Objekten wie Ventilatoren oder Propellern tritt dieses Phänomen auf. Aber warum passiert das überhaupt? Schauen wir uns die Ursache dieses Phänomens an.
Ursache des Rolling-Shutter-Phänomens (Verzerrung)
Die Ursache des Rolling-Shutter-Phänomens (Verzerrung) liegt in der Funktionsweise des CMOS-Bildsensors. Es gibt zwei Hauptarten der Funktionsweise von Bildsensoren: den Rolling-Shutter-Modus und den Global-Shutter-Modus. Beim Global-Shutter-Modus wird der gesamte Pixel-Array des Bildsensors gleichzeitig belichtet. Im Gegensatz dazu wird beim Rolling-Shutter-Modus das Bild zeilenweise von oben nach unten belichtet. Das bedeutet, dass die Belichtungszeit für die obere und untere Bildhälfte unterschiedlich ist.
Warum tritt also Verzerrung beim Rolling-Shutter auf? Der Hauptgrund ist, dass die Belichtungszeit für die obere und untere Bildhälfte unterschiedlich ist. Wenn ein Objekt schnell von links nach rechts über den Bildschirm zieht, wird die obere Bildhälfte zu einem früheren Zeitpunkt belichtet (links), während die untere Bildhälfte zu einem späteren Zeitpunkt belichtet wird (rechts). Dies führt zu einer Verzerrung, die in der folgenden Abbildung sichtbar ist.
Deshalb erscheint bei einem Rolling-Shutter die horizontale Bewegung eines Objekts verzerrt und schräg.
ローリングシャッタ現象の解決方法
Lösungsmethoden für das Rolling-Shutter-Phänomen
Um das Rolling-Shutter-Phänomen zu lösen, gibt es drei mögliche Ansätze:
Ultraschnelle Auslesung im CMOS-Bildsensor:
Eine weitere Lösung besteht darin, eine ultraschnelle Auslesung bei CMOS-Bildsensoren mit Rolling-Shutter-Technologie zu realisieren. Das Phänomen tritt auf, weil die Belichtungszeit für die obere und untere Bildhälfte unterschiedlich ist. Wenn die Auslesegeschwindigkeit jedoch hoch genug ist, sodass die Zeitdifferenz zwischen der oberen und unteren Bildhälfte minimal wird, können die Verzerrungen weitgehend vermieden werden. Diese Technologie wird bereits von Unternehmen wie Sony entwickelt und auf dem Markt angeboten.
Verwendung einer Kamera mit mechanischem Verschluss:
Da das Rolling-Shutter-Phänomen durch die Verwendung eines elektronischen Verschlusses im CMOS-Bildsensor verursacht wird, kann ein mechanischer Verschluss das Problem vollständig vermeiden. Allerdings ist diese Lösung bei der Videoaufnahme nicht anwendbar, da mechanische Verschlüsse in der Regel nur bei Einzelbildaufnahmen verwendet werden.
Die letzte Lösung besteht darin, einen Global-Shutter-Bildsensor zu verwenden. Es gibt zwei Arten von Bildsensoren: CCD-Bildsensoren und CMOS-Bildsensoren. CCD-Bildsensoren verwenden einen Global-Shutter, weshalb das Rolling-Shutter-Phänomen bei ihnen nicht auftritt. CMOS-Bildsensoren hingegen verwenden in der Regel eine Rolling-Shutter-Struktur, aber durch Fortschritte in der Entwicklung haben auch CMOS-Bildsensoren mit Global-Shutter-Technologie Einzug gehalten.
In Fällen, in denen ein mechanischer Verschluss nicht verwendet werden kann, wie bei Smartphone-Kameras oder Kameras für den Fahrzeugbereich, könnten Global-Shutter-Bildsensoren zunehmend zum Einsatz kommen. Besonders bei Kameras für autonomes Fahren könnte das Rolling-Shutter-Phänomen zu ernsthaften Problemen führen, die zu Unfällen führen könnten. Daher wird erwartet, dass verschiedene Unternehmen entsprechende Lösungen entwickeln werden.
Zusammenfassung
Lassen Sie uns das Rolling-Shutter-Phänomen noch einmal zusammenfassen:
Q. Was ist das Rolling-Shutter-Phänomen (Verzerrung)?
A. Es ist ein Phänomen, das auftritt, wenn bei der Aufnahme von schnellen Objekten mit einer Digitalkamera oder ähnlichen Geräten das Objekt verzerrt aufgenommen wird.
Q. Was ist die Ursache des Rolling-Shutter-Phänomens (Verzerrung)?
A. Beim Rolling-Shutter-Modus wird das Bild zeilenweise ausgelesen, wobei die Belichtungszeit für die obere und untere Bildhälfte unterschiedlich ist.
Q. Wie kann das Rolling-Shutter-Phänomen (Verzerrung) gelöst werden?
A. Es gibt drei Lösungen:
Verwendung eines Global-Shutter-Bildsensors.
Verwendung eines mechanischen Verschlusses.
Schnelleres Auslesen des Bildsensors.
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