Die Verschlussmodi des Kamerasensors

Der CMOS-Flächensensor der LOGLUX i5 besitzt zwei Verschluss- (shutter) Modi, den rolling shutter und den central shutter. Im folgenden werden die Funktionsprinzipien und die daraus resultierenden Eigenschaften der beiden Verschlussmodi erläutert.


Funktionsprinzip des rolling shutter

Wie in der Abbildung ersichtlich ist entsteht das Abbild eines Objektes durch die Aufnahme von einzelnen Zeilen. Die Aufnahme einer Zeile wiederum gliedert sich in drei Phasen: das Rücksetzen aller Bildpunkte einer Zeile, das Integrieren aller Bildpunkte einer Zeile sowie dem Auslesen aller Bildpunkte einer Zeile. Erst mit dem Abschluss der Integrationsphase ist der Inhalt des Bildpunktes des Abbildes fixiert. Man beachte z.B. dass mit dem Beenden der Integrationsphase der Zeile 1 die Integrationsphase der Zeile 7 erst beginnt.

Versucht man mit einer Kamera im Verschluss-Mode rolling shutter ein bewegtes Objekt aufzunehmen, dessen Vektor der Bewegungsrichtung senkrecht zum Vektor der Ausleserichtung der Sensorzeilen liegt, so kann man leicht erkennen dass das Abbild des bewegten Objektes verzerrt wiedergegeben wird.

Wie stark die Verzerrung des Abbildes ausgeprägt ist, wird durch das Verhältnis von Auslesegeschwindigkeit der Sensorzeilen zur Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes bestimmt. Dieser Effekt der Abbildverzerrung ist für die Bildverarbeitung meistens inakzeptabel.

Daher sollte man den Verschluss-Mode rolling shutter möglichst nur bei der Aufnahme von ruhenden oder im Verhältnis zur Auslesegeschwindigkeit der Sensorzeilen langsam bewegten Objekten nutzen. Jedoch kann die Aufnahme dann in sehr hohen Bildraten erfolgen.

Das Funktionsprinzip des central shutter kann anhand folgender grafischer Darstellung beschrieben werden:


Funktionsprinzip des central shutter

Wie in der Abbildung ersichtlich ist, entsteht auch hier das Abbild eines Objektes durch die Aufnahme von einzelnen Zeilen. Die Aufnahme einer Zeile wiederum gliedert sich auch hier in drei Phasen: das Rücksetzen aller Bildpunkte einer Zeile, das Integrieren aller Bildpunkte einer Zeile sowie dem Auslesen aller Bildpunkte einer Zeile. Jedoch werden, im Gegensatz zum Verschluss-Modus rolling shutter die Reset- und die Integrationsphase für alle Zeilen zeitlich verknüpft. Lediglich das Auslesen der einzelnen Zeilen erfolgt separat. Dies zeigt sofort einen großen Vorteil gegenüber dem Verschluss-Modus rolling shutter auf: Das Abbild eines bewegten Objektes wird verzerrungsfrei wiedergegeben.

Dieser Vorteil wird jedoch auf Kosten der Bildrate erkauft: Ein Vergleich der Abbildungen zeigt dass im Verschluss-Modus central shutter kein zeitversetztes Auslesen der Sensorzeilen möglich ist.

Der Verschluss-Modus central shutter sollte stets dann verwendet werden wenn unbedingt verzerrungsfreie Abbilder bewegter Objekte aufgenommen werden sollen. Die Bildrate ist im Vergleich zum Verschluss-Modus rolling shutter geringer.