Что значит глобальный затвор

Global shutter vs Rolling shutter: подробный разбор

Rolling shutter (Скользящий затвор) и Global shutter (Глобальный затвор) описывают две различные последовательности, с помощью которых изображение может считываться с датчика CMOS. В режиме скользящего затвора различные линии массива экспонируются в разное время, когда считываемая «волна» проходит через датчик, тогда как в режиме глобального затвора каждый пиксель в датчике начинает и заканчивает экспозицию одновременно (схематично, это можно увидеть на рисунке 1).

Рисунок 1.Принцип действия.

Режим скользящего затвора (Rolling Shutter)

Режим скользящего затвора, по сути, означает, что смежные ряды массива экспонируются в несколько разное время, когда считываемые «волны» проходят через каждую половину датчика. То есть каждая строка будет начинать и заканчивать свою экспозицию, слегка смещенную по времени от соседней строки. При максимальной скорости считывания 560 МГц это смещение между выдержками в соседних рядах составляет 10 мкс. Механизм считывания показан на рисунке 1. С точки зрения показаний датчик разделен пополам по горизонтали, и каждый столбец считывается параллельно, строка за строкой. При съемке серии изображений с помощью Rolling Shutter можно работать в режиме непрерывного «перекрытия», в результате чего, после считывания каждой строки он сразу входит в следующую экспозицию. Это обеспечивает рабочий цикл на 100%, что означает, что между экспозициями не теряется время и, что еще важнее, не теряются фотоны. При максимальной частоте кадров для данной скорости считывания (например, 100 кадров в секунду при 560 МГц) датчик непрерывно считывает данные в режиме перекрытия, т. е. как только полоса считывания достигает верха и низа сенсора, он немедленно возвращается в центр чтобы прочитать следующую экспозицию.

Потенциальным недостатком режима скользящего затвора являются искажения и артефакты на изображении. Артефакты появляются в сценах с быстрыми объектами, или при быстром панорамировании. Очень заметен эффект при съемки транспортных средств типа автобусов или поездов, когда они проезжают мимо камеры наблюдения. В целом, чем быстрее движение в кадре, тем более заметен эффект.

Еще одним недостатком является то, что различные области экспонированного изображения не будут точно соотнесены во времени с другими областями, что может быть важно для некоторых видов использования. Последний и очень важный фактор заключается в том, что синхронизация (например, активация источника света или движение периферийного устройства) с показаниями затвора может быть затруднительной, а также может привести к более медленным циклам и частоте кадров по сравнению с достижимыми в глобальном затворе.

Режим глобального затвора (Global Shutter)

В режиме глобального затвора все пиксели массива экспонируются одновременно, что позволяет захватывать «стоп-кадр» быстро движущихся или быстро меняющихся событий. Глобальный затвор может быть сконфигурирован для работы в режиме непрерывного «перекрытия», при котором экспозиция может продолжаться, пока предыдущая экспозиция считывается из узлов считывания каждого пикселя. В этом режиме датчик имеет полный рабочий цикл 100%, что снова приводит к оптимальному временному разрешению и эффективности сбора фотонов. В течение всего этого цикла не существует периода «кратковременного» считывания, как в скользящем затворе. Важно отметить, что режим Global Shutter очень прост в синхронизации и часто дает более высокую частоту кадров, чем попытки синхронизации с Rolling Shutter с тем же временем экспозиции.

Сравнительная таблица плюсов и минусов

Рисунок 2.Съемка движущихся и вращающихся предметов (Global Shutter слева,Rolling Shutter справа).

В данный момент, подавляющее большинство камер используют CMOS-сенсоры со скользящим затвором. Поскольку сенсоры с роллинг-шаттером обеспечивают достаточно хорошие характеристики и позволяют снизить бюджет производителя, они в данный момент доминируют на рынке. Технология отработана и массово используется в самых различных устройствах. Эффект искажения на изображении при использовании камеры с роллинг-шаттером имеет достаточно большой разброс в разных сенсорах и как правило чем выше разрешение датчика изображения,тем более заметен этот эффект. Если сравнивать два идентичных сенсора, которые отличаются только способом считывания, то окажется, что глобальный затвор больше влияет на разогрев сенсора, снижает динамический диапазон и дает более шумное изображение, по сравнению с роллинг-шаттером, но в того же время обладает рядом существенных преимуществ по сравнению со скользящим затвором при съемке быстродвижущихся или вращающихся объектов (рисунок 2). Важно отметить, что сейчас можно разработать CMOS-сенсор с глобальным затвором таким образом, чтобы компенсировать различные негативные аспекты, однако расходы на разработку и изготовление таких матриц будут значительно выше.

Источник

Rolling Shutter (роллинг шаттер) в видеосъемке

Появление роллинг шаттера совпадает с моментом, когда в фото/видеосъемочной технике стали применяться матрицы CMOS (КМОП-сенсор). В отличие от матриц CCD (ПЗС-сенсор), CMOS обычно фиксирует изображение построчно, сверху-вниз. Таким образом, при движении в кадре матрица не успевает зафиксировать информацию со всего кадра, и на обработку подается лишь информация с нескольких строк. Тем временем объект в кадре уже изменил свое положение, соответственно, изменилось и его положение на матрице. Такое нескончаемое запаздывание матрицы за движением в кадре приводит к появлению роллинг шаттера.

Скорость снятия информации в разных сенсорах может различаться. Более того — разные CMOS-матрицы имеют разное же количество пикселей, и, соответственно, строк, с которых требуется снять информацию. Неизбежный вывод: чем медленнее матрица, тем медленней происходит снятие информации с ее строк. Аналогично и с количеством пикселей — чем бо́льшим количеством пикселей обладает матрица, тем медленней происходит снятие с нее информации, строк-то ведь больше.

Как проявляется роллинг шаттер?

1. Наклон вертикалей. Данный дефект подразделяется на два типа:

• наклон отдельных объектов, когда камера неподвижна, а снимаемый объект перемещается по горизонтали
• наклон всего кадра, когда сама камера движется по горизонтали

Следующие ролики покажут оба типа дефекта во всей красе:

2. Желе. Зрительно проявляется в виде нестабильной картинки, так, словно перед камерой колышется абсолютно прозрачная желеобразная масса, хаотично искажая весь кадр. Этот дефект возникает при неупорядоченном перемещении камеры во все стороны, или, иначе говоря, когда при съемке оператор машет камерой, словно метлой. Степень желейности зависит как от быстродействия матрицы, так и от скорости «подметания». В некоторых, особо запущенных случаях, когда матрица откровенно медленная и/или имеет слишком большое количество пикселей, желе может проявляться даже при почти, казалось бы, статичной съемке с рук. Дело в том, что мелкая дрожь, идущая от руки, преобразуется встроенным стабилизатором в более плавное перемещение, которого оказывается достаточно для появления роллинг шаттера.

3. Горизонтальные пересвеченные полосы в кадре. Возникают при срабатывании фотовспышки (молнии и пр.). Это абсолютно неизбежный дефект, который возникает всегда при резком изменении освещенности, и если камера оснащена CMOS-матрицей с построчным снятием информации. Появление этих полос гарантируется независимо от скорости считывания с матрицы. Медленная ли она, быстрая ли — неважно. Полосы обязательно будут, только длительность их присутствия в кадре окажется разной.

Какие камеры чаще всего выдают дефект роллинг шаттера? Ответить несложно: все, имеющие CMOS-матрицу. Разумеется, наиболее ярко данный дефект выражен в фотоаппаратах и недорогих видеогаджетах.

• Фотоаппараты. Они имеют медленную многомегапиксельную матрицу, предназначенную для фотосъемки. Видеосъемка в фотоаппаратах была и остается лишь опцией, которую оператор использует на свой страх и риск
• Видеорегистраторы и экшн-камеры, а также карманные камеры и прочие сотовые телефоны. Ввиду того, что экшн- и карманные камеры обычно являются бюджетными, они оснащаются медленными матрицами. То же относится и к смартфонам либо планшетам: даже в дорогих моделях этой техники присутствуют медленные экономичные матрицы, гарантирующие бульдожий роллинг шаттер. Исключение из данного списка составляют редкие модели дорогих экшн-камер, где установлены новые скоростные матрицы
• в съемке обычными видеокамерами с CMOS-матрицами. Здесь роллинг шаттер проявляется реже, чем в двух перечисленных случаях. Просто потому, что эти аппараты предназначены для правильной, высококачественной видеосъемки. Однако и тут редкие исключения портят безмятежную картину: в погоне за мегапикселями разработчики забывают о неизбежном появлении роллинг шаттера. К сожалению, с годами ситуация не улучшается. А даже наоборот.

Резюмируем: чем бо́льшим количеством пикселей обладает матрица видеокамеры или фотоаппарата, и чем ниже скорость передачи данных с этой матрицы, тем сильнее выражен роллинг шаттер. Касаемо видеокамер хотелось бы отметить: для видеосъемки с разрешением Full HD вполне достаточно двух-мегапиксельной матрицы. Если же такая матрица окажется еще и быстрой, то роллинг шаттер проявится только в случае с фотовспышкой. А бороться с фотовспышками несложно: достаточно выгнать всех назойливых фотографов из помещения, где производится видеосъемка, это самый надежный способ борьбы с фотовспышечным роллинг шаттером.

Способы борьбы с роллинг шаттером

• Первый способ, кардинальный. Цитата: не снимать объекты, ведущие к появлению подобных дефектов. Это, между прочим, совет профессионала, занимающегося фотоаппаратной видеосъемкой (ссылка). Если жестко следовать этому совету, придется отказаться от съемки с рук, от съемки быстродвижущихся объектов, от съемки с движущегося транспортного средства и т. д. Что остается? Правильно, остается съемка статичных заранее подготовленных локаций со спокойным движением в кадре, многократно отработанным несколькими дублями. Проще говоря — постановочная съемка. Или, в крайнем случае, съемка неподвижной камерой, жестко закрепленной на штативе. А там уж как повезет; если кто-то во время съемки пересек кадр слишком быстро, или вытащит из-за пазухи фотоаппарат со вспышкой — будет сам себе виноватый.
• Второй способ, малорезультативный: программная обработка. Нынче существует несколько плагинов, а также встроенных в видеоредакторы фильтров, которые якобы устраняют роллинг шаттер. Не верьте. Точнее, так: верьте с оглядкой. Во-первых, этот программный финт может исправить только одно из проявлений роллинг шаттера — наклон вертикалей. Но, как мы помним, наклон вертикалей в роллинг шаттере может быть двух типов: наклон всего кадра и наклон объекта в кадре. Так вот: все фильтры, которые хвастаются своим умением уничтожать роллинг шаттер, в состоянии лишь немного ослабить угол наклона всего кадра, но не его части. Чаще всего такой фильтр занимается банальной геометрической трансформацией кадра, наклоняя его в нужную сторону на нужный градус. В качестве примера сказанному приведем следующий ролик, где необработанное видео сравнивается с обработанным в программе Final Cut Pro X:

Обратите внимание на разницу углов в исходном и обработанном видео. Если в первом случае, когда весь кадр имеет наклон, программа сумела чуть исправить положение, то во втором случае с проезжающим автобусом фильтр оказался бессилен. Что и требовалось доказать.

Сделаем вывод: избежать роллинг шаттера в ваших съемках поможет только отсутствие тряски, фотовспышек, и быстродвижущихся объектов. Звучит смешно, однако факт. Где-то глубоко в душе — очень глубоко — теплится надежда, что разработчик наконец-то одумается, и перестанет встраивать медленные многомегапиксельные матрицы в видеосъемочные гаджеты. Но, поразмыслив, понимаешь, что это из области фантастики. Так как маркетологи, у которых задача продавать, немедленно вмешаются в ситуацию с быстрыми матрицами, и заставят инженеров довести количество пикселей в датчиках до очередных космических величин. Продажи таких камер, конечно же, вырастут:

— Ого, гляди-ка, 100 мегапикселей! Дайте две!

Но что станет результатом подобного увеличения количества пикселей в быстрых матрицах? Правильно!

Источник

Почему зеркальные фотокамеры в режиме видео имеют глобальный затвор вместо глобального затвора?

Поправьте меня если я ошибаюсь:

Когда я делаю снимок, датчик собирает световую информацию «в целом» во время выдержки, а затем сохраняет ее на карте. Когда я делаю фильм, датчик сканирует построчно, а затем сохраняет кадр на карте.

Итак, если это правильно, почему при съемке камера переключается с глобального затвора (как в режиме фото) на вращающийся затвор (режим видео)?

Конечно, должна быть техническая причина, но зачем использовать рольставни вместо общей шторки, что гораздо удобнее?

В обоих случаях фактическое считывание с датчика производится построчно. Это делается таким образом (в основном), потому что в противном случае было бы слишком дорого — чтобы читать все пиксели параллельно, вам нужно отдельное соединение от датчика к памяти для каждого пикселя. Например, 12 миллионов подключений (например) от датчика к памяти были бы ужасно дорогими и почти никогда не приносили никакой реальной выгоды.

Относительно того , почему там появляется как разница между режимом кино и режимом, это довольно просто: в неподвижном режиме, вы используете физический затвор, и считанные от датчика к памяти происходит , когда затвор закрыт. Как отметил @Matt Grum, вы все равно получаете некоторый эффект выше скорости X-синхронизации из-за физических ограничений на затвор.

Причина, по которой вы не используете физический затвор в режиме видеосъемки, заключается в большем количестве тех же физических ограничений. Хотя время срабатывания затвора может быть очень коротким, между активациями существует время восстановления , поэтому становится трудно достичь более 10 кадров в секунду или около того. Получение до 24 кадров в секунду или около того, необходимых для видео, опять же, добавило бы много затрат с небольшой выгодой. Поэтому в режиме видеосъемки физический затвор остается открытым, а камера использует вместо него электронный затвор — и как только это происходит, артефакты построчного считывания с датчика в память могут стать видимыми.

При съемке у вас есть физический затвор, который управляет светом, попадающим на датчик. Изображение все еще читается построчно при съемке, но из-за физического закрытия затвора во время считывания не регистрируется дополнительный свет.

Строковое считывание является следствием конструкции CMOS, используемой в камерах с большими сенсорами, и поэтому неизбежно (пока они не найдут способ сделать более дешевые / большие ПЗС-матрицы).

Стоит отметить, что при скоростях затвора, превышающих скорость x-sync камер (обычно 1/250 с), затвор начинает закрываться снизу, прежде чем он полностью открывается сверху. Результатом этого является то, что для действительно быстрых скоростей, таких как 1/4000, вы получаете щель, которая пересекает кадр и дает аналогичный эффект прокручивания затвора для фотографий. Однако, поскольку время прохождения кадра с помощью затвора (1/250 с) в десять раз быстрее, чем время чтения датчика во время видео (1/25 с), вам нужен действительно быстро движущийся объект, чтобы заметить это.

Вот очень старая фотография, которая хорошо демонстрирует эффект:

Эффект также более заметен в видео, если вы перемещаетесь назад и вперед, чего не происходит со стоп-кадрами.

Источник

Вам также может понравиться

Бухгалтерские термины и определения

ПРОЦЕДУРЫ ОТКЛЮЧЕНИЯ Процессы, обеспечивающие изоляцию

Происхождение слова «вокзал»

О том, что представляют собой современные вокзалы

Этимология слова «сланцы»

Сланцы — летняя открытая обувь, особенно популярная