Last Updated on 2023 年 4 月 14 日 by 小編

Raspberry Pi Global Shutter Camera 出來了！ 運動攝影和機器視覺應用專用！

Raspberry Pi 才剛推出 像素更高、可自動對焦、還有廣角類型可選擇的 Camera 3，又在四月推出 樹莓派全域/全局快門相機模組 (Raspberry Pi Global Shutter Camera) ！

相機快門介紹

常見的相機快門有「機械快門」(Mechanical Shutter) 和「電子快門」(Electronic Shutter)。傳統的機械快門可看成一道幕簾，但它有前、後之分。控制進光的時間就是控制前後簾的開合，例如當前簾打開時，光線會進入感元光件，曝光開始；當後簾閉上，光線將被遮擋，曝光結束。由於機械快門是物理式的開關，並且單反相機還要升起和降下反光鏡，所以按下快門會有清脆的快門聲音，這樣會造成機身些微振動，也因為機械構造讓機械快門到了 1/8,000 秒便似乎到達上限，想捕捉速度更快的畫面就受到限制。

而電子快門是為了解決機械快門的缺點，並且要將快門塞到更小的裝置裡。電子快門透過控制感光元件的線路進行斷電和通電的操作，模擬傳統機械快門的開合來控制曝光時間，速度可以高達 1/32,000 秒。由於電子快門沒有機械結構，因此操作時不會造成機身震動也完全無聲，可拍出更清晰的影像。因此目前在嵌入式系統上使用的相機都是電子快門以減少體積和快門速度問題。

電子式快門：Rolling Shutter 和 Global Shutter

目前電子式快門可分為 滾動式快門 (Rolling Shutter) 和 全域快門/全局快門 (Global Shutter)。以下面這張圖為例， Rolling Shutter 在曝光時逐行讀取，而 Global Shutter 讓個感光元件同步讀取所有像素。

什麼是 Global Shutter ？

全域快門/全局快門 (Global Shutter) 是一種相機感測器，它通過同時曝光感測器上的所有像素來取得圖像，而不是逐行掃描感測器。同時曝光 (exposing all pixels on the sensor simultaneously) 表示感測器上的每個像素會同時曝光，因此產生的圖像不會在掃描過程中因物體在畫面上移動而造成失真或是運動模糊。

什麼是 Rolling Shutter ？

滾動式快門/捲簾式快門 (Rolling Shutter) 是一種相機感測器，它會在曝光時逐行讀出相機感測器上的像素，像是 “滾動” 般的逐行讀取，但每一行的讀取會有時間差。

由於讀取每行需要一定的時間(line time)，例如 10 μs，因此 Rolling Shutter 在取得圖像的每一行都會有非常小的時間延遲。如果帶有 Rolling Shutter 的相機有 2048 行 (例如 2048 x 2048 CMOS 感測器)，這樣第一行在時間 0 時讀出，而最後一行將在 2.048 毫秒後讀出 (10 μs 乘以 2048行)，這稱為 幀時間 (frame time)，在對於需要快速取得圖像的情境是需考慮到這一點。

Rolling Shutter 和 Global Shutter 的差異

從 滾動式快門/捲簾式快門 和 全域快門/全局快門 對每一幀的讀取時序來看，全域快門 會在同一時間取得感測器上的所有像素；而 滾動式快門 在每一行的讀取會有時間差。

從圖像取得結果， Global Shutter 會取得完整的圖像，而 Rolling Shutter 因為讀取每一行會有時間差，將產生 果凍現象 (Jello Effect) 如下圖。

圖片來源：Cmglee

Raspberry Pi Global Shutter Camera

Raspberry Pi 最新的 全域快門相機 解決方案，使用 1.6-megapixel(1.58 百萬像素)的 SONY IMX296 感測器和 全域快門。

Raspberry Pi Global Shutter Camera 可應用在高速攝影和拍照、機器人技術和自動化、安全和監控、車載系統、擴增實境和虛擬實境等領域。

全域快門相機應用案例

• 高速攝影和拍照：捕捉快速移動的物體或事件，例如運動或科學實驗，其中運動會導致失真並難以捕捉清晰準確的圖像。
• 機器人技術和自動化：在製造、檢測或其他工業應用中，物體可能會快速移動，因此需要能精確捕捉其位置和方向。
• 安全和監控：用於需要準確捕捉和識別快速移動物體(例如人或車輛)的監控環境，以實現安全或監控目的。
• 車載系統：在自動駕駛或先進駕駛輔助系統中，攝影機需要準確捕捉快速移動的物體，以實現安全可靠的自動駕駛。
• 擴增實境和虛擬實境：在 AR/VR 場景中，目標可能會快速移動，需要捕捉清楚的圖像並渲染來創造逼真的無縫體驗。

Raspberry Pi Global Shutter Camera 特色

• 使用 Sony IMX296LQR-C 感測器，1.6 百萬像素和 3.45µm 像素大小。
• 大像素尺寸具備高感光度，最低可在 30µs 曝光完成。
• 高速攝影加低像素，運動攝影和機器視覺應用專用！

由於使用 Sony IMX296 的 3.45µm x 3.45µm 的大像素尺寸提供高感光度，因此全域快門相機可以在較短的曝光時間下工作，這是高速攝影的優勢。與其他全域快門感測器一樣，雖然 IMX296 的解析度低於類似尺寸的滾動式快門感測器，但低像素數反而適用於機器視覺應用，這是因為高解析度的圖像在實務上難以即時處理。此外，如果加裝適當的放大倍率鏡頭，就可以擷取適合機器視覺模型處理的圖像。

開始使用 Raspberry Pi Global Shutter Camera

Raspberry Pi Global Shutter Camera 只支援 libcamera 架構，可以參考 這篇 瞭解更多 libcamera 的歷史和特色。
好消息是，Raspberry Pi OS 已經更新 libcamera 可完全支援。如果使用 raspios_armhf-2023-02-21 版本，只需要將 Raspberry Pi Global Shutter Camera 插入後，更新 libcamera-apps 和 kernel

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install libcamera-apps raspberrypi-kernel

再修改 /boot/config.txt，在檔案最後面加上

dtoverlay=imx296

重開機後，就可以使用 libcamera-hello 預覽新的 Global Shutter Camera 效果了！

$ libcamera-hello -t 0

高速攝影的效果可參考 Raspberry Pi 官方製作的影片。

Raspberry Pi Global Shutter Camera 外觀與注意事項

樹莓派全域快門相機模組 包括一個帶有全域快門的 Sony IMX296 感測器的電路板、一個用於連接到 Raspberry Pi 的 FFC 排線、一個具有腳架安裝座的銑削鋁鏡頭安裝座，一個焦距調整環、一個可拆卸塑膠後蓋以及 C 型至 CS 型安裝轉接器。

注意！全域快門相機模組不附帶鏡頭，但必須有鏡頭才能操作，因此請單獨購買或購買完整套件。

Raspberry Pi Global Shutter Camera 相關文件

• Raspberry Pi Global Shutter Camera 產品簡介
• Raspberry Pi Global Shutter Camera 工程製圖
• Raspberry Pi Global Shutter Camera 文件

參考資料

• (新聞) New Raspberry Pi Global Shutter Camera for machine vision and more
• (教學) Rolling vs Global Shutter
• (文件) Camera Modules
• (產品) Raspberry Pi 1.6MP Global Shutter Camera Module
• (文件) Rolling shutter
• (教學) 機械快門與電子快門有甚麼優缺點？幾時用電子快門？

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