O pojavu “rolling shutter”

Srce vsakega digitalnega fotoaparata ali kamere je svetlobno tipalo (senzor), ki nadomešča film iz klasičnih naprav. Sestavljeno je iz mreže na svetlobo občutljivih transistorjev (vsak transistor za vsak piksel slike) in ustreznega drugega vezja. Svetloba, ki pade na transistor, se v odvisnosti od jakosti svetlobe pretvori v električni signal, ki ga nato analogno/digitalni pretvornik pretvori v digitalno obliko, kar z ustrezno opremo vidimo kot digitalno sliko.

V sodobnih digitalnih fotoaparatih in video kamerah se najpogosteje uporabljata dva tipa svetlobnih tipal: CCD in CMOS.

Razlika med CCD in CMOS tehnologijo je v zgradbi samega tipala. CCD tipalo ima skupni svetlobno-električni pretvornik za vse piksle, CMOS tipalo pa za vsak piksel svoj pretvornik. Zato se tudi razlikuje način zajema slike pri obeh tipalih. Zaklopka aparatov s CCD tipalom tipično deluje tako, da tipalo v istem trenutku zajame sliko celotnega prizora. Medtem pa pri aparatih s CMOS tipalom tipično srečujemo t.i. “vrtečo zaklopko (rolling shutter)”, ko tipalo zajame sliko prizora postopoma od zgoraj navzdol po vrsticah pikslov.

Primerjava načina delovanja tipal CCD in CMOS.
Vir: pix4d.com/rolling-shutter-correction/

Poglavitna prednost CMOS tipal v primerjavi s tipali CCD je v manjši porabi električne energije, hitrejšemu delovanju sistema ter manjši občutljivosti na digitalni šum. Kljub temu, da je zajem slike pri CCD tipalu kvalitetnejši kot pri CMOS tipalu, pa so proizvajalci z inovativnimi izboljšavami v zgradbi CMOS tipal kvaliteto zajetih slik že povsem približali CCD tipalom.

Vse to povečuje popularnost uporabe tehnologije CMOS v digitalnih aparatih. Še zlasti se je ta tehnologija uveljavila v zrcalno refleksnih aparatih (t.i. DSLR camera – digital single-lens reflex camera), ki jih pogosto uporabljamo v brezpilotnih letalnikih za zajem aerofotografij.

Ker se zajem cele slike ne zgodi v istem trenutku, pri tipalih CMOS prihaja do časovnega zamika pri zajemu različnih delov prizora (zgornji del slike je pridobljen prej kot spodnji), kar se pozna tudi kot diagonalni zamik posameznih delov nastale digitalne slike. Govorimo o t.i. učinku “vrteče zaklopke (rolling shutter effect)”, ki nastane, kadar se med slikanjem premika bodisi objekt slikanja bodisi digitalni fotoaparat oz. kamera, s čimer se srečujemo tudi pri aerofotografiranju. Večja ko je hitrost in višina letenja brezpilotnega letalnika, bolj so izrazita popačenja zaradi učinka “rolling shutter”. Popačenja se na pridobljenih posnetkih poznajo kot poševno nagnjeni objekti, ki so v naravi sicer pokončni.

Sicer pokončen stolp je na aerofotografiji nagnjen zaradi učinka “rolling shutter”,
ki nastane pri veliki hitrosti brezpilotnega letalnika.
Vir: arstechnica.com

Rešitev Pix4D za odpravo pojava“rolling shutter”

Mali brezpilotni letalniki, ki so zaradi svoje robustnosti vse bolj popularni za profesionalno pridobivanje prostorskih podatkov iz zraka, so tipično opremljeni s fotoaparati CMOS tehnologije, ki so podvrženi pojavu t.i. »vrteče zaklopke (rolling shutter effect)«. Posledica tega pojava so lahko popačene aerofotografije zaradi zamaknjenih delov na sliki.

Več o pojavu “vrteče zaklopke (rolling shutter effect)

Težava nastane, kadar popačene aerofotografije obdelujemo s fotogrametrično programsko opremo, saj zaradi zamaknjenih delov slike nastajajo napake pri obdelavi in analizah prostorskih podatkov. Vse to je nezaželeno, kadar projekt zahteva visoko točnost rezultatov obdelav in analiz.

Švicarsko podjetje Pix4D, ki je letošnjo pomlad izdalo novo različico programske opreme za fotogrametrično obdelavo aerofotografij Pix4Dmapper 2.1, učinkovito odpravlja omenjeno težavo. Gre za prvo komercialno programsko opremo, ki vključuje korekcijo pojava »rolling shutter« in omogoča profesionalnim brezpilotnim letalnikom leteti hitreje in zajeti večja območja površja na Zemlji brez izgube natančnosti.

Na čem temelji rešitev?

Tipična fotogrametrična programska oprema temelji na predpostavki, da v času zajemanja slike fotoaparat miruje, Pix4Dmapper 2.1 pa v svojem korekcijskem modelu upošteva njegovo gibanje. Medtem ko CMOS fotoaparat zajema sliko postopoma vrstico za vrstico pikslov, se namreč tudi sam istočasno premika z letalnikom.

Zaradi gibanja letalnika se spreminja položaj tipala CMOS.
Vir: pix4d.com

Korekcijski model za vsako vrstico pikslov slike izračuna približek položaja fotoaparata z metodo linearne interpolacije položajev fotoaparata na začetku in ob koncu zajema slike. Izračunane vmesne položaje programska oprema nadalje vključi v svoje algoritme obdelave aerofotografij in z njimi korigira zamike na aerofotografiji, ki so posledica pojava »rolling shutter«.

Nova funkcionalnost programske opreme Pix4Dmapper 2.1 tako omogoča, da brezpilotni letalniki v času zajema aerofotografij lahko letijo bistveno hitreje, ne da bi ogrozili natančnost rezultatov nadaljnjih geoprostorskih postopkov.