Global shutter камеры что это

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.

Читайте также:  Картридж q2610a к каким принтерам подходит

Сравнительная таблица плюсов и минусов

Режим Rolling Shutter Global Shutter
Снимок
экспозиции
нет да
Порядок считывания Нет — очень разная
«временная»
последовательность воздействия
Да — чрезвычайно
похожая
последовательность воздействия
Временная
задержка
между различными
регионами изображения
области
Нет —
разница до 10 мс (560 МГц)
между центром
и верхом или низом
изображения
Да — все пиксели
представляют
одинаковое время
экспозиции.
Возможность синхронизации Комплекс для синхронизации.
Требуется источник стробоскопического света.
Более длительное время цикла.
Просто синхронизировать.
Любой источник света.
Более короткое время цикла.
Быстрая двойная экспозиция нет да
Максимальная частота кадров Максимально доступно (не синхронизировано). Максимальная частота кадров уменьшается вдвое.
Шум Низкий уровень в районе 1 е — до 1,3 е — Более высокий уровень в районе 2,3 е — до 2,6 е —
Искажения,артефакты Возможны Нет
Эффективность рабочего цикла Уменьшено, например, если требуется отключить подсветку во время «переходных» фаз считывания Как правило, намного больше, так как не требуется переходной фазы считывания.

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

Когда глобальный затвор доберется до фотоаппаратов?

Электронный глобальный затвор позволяет считывать сигнал с каждого пикселя на сенсоре независимо и одновременно со всеми остальными. В первую очередь глобальный затвор позволяет избавиться от эффекта Rolling Shutter.

Про глобальный затвор

Глобальный затвор уже есть у некоторых кинокамер:

Самый большой сенсор с электронным глобальным затвором использует кинокамера Canon C700 FF GS PL, у которой физический размер матрицы составляет 38.1 Х 20.1 мм, что по площади всего чуть меньше классического узкого формата для фотосъемки размером 36 Х 24 мм.

Рано или поздно электронный глобальный затвор доберется и до фотоаппаратов. Пока что его не внедряют в массовый сегмент фотоаппаратов из-за определенных ограничений, связанных с производством. А также, считается, что современные сенсоры с глобальным затвором уступают по динамическому диапазону и диапазону ISO подобным классическим решениям.

Глобальный затвор для беззеркальных камер – одно из последних внедрений будущего, которое еще как-то существенно может улучшить качество, удобство и надежность современных камер с механическим или электронно-механическим затвором.

Комментарии к этой заметке не требуют регистрации. Комментарий может оставить каждый. Много разнообразной фототехники можно найти на Aliexpress, Amazon и B&H Photo.

Источник

Global shutter камеры что это

Современные CMOS-сенсоры практически полностью захватили рынок, вытеснив из массового применения CCD-матрицы. Основная причина — удешевление производства и некоторые улучшения качества изображения. Но один неприятный эффект так и преследует при цифровой съемке. Он называется роллинг-шаттер. Что же это такое и как от него можно избавиться?

Читайте также:  Что такое модем на айфоне 8 плюс

Роллинг-шаттер, построчный перенос (англ. Rolling shutter, раскатывающийся затвор) — это визуальный эффект, возникающий на фотографиях и видеозаписи из-за особенностей способа регистрации изображения матрицами камеры, при котором происходит не моментальная фиксация изображения, а построчное считывание. Из-за чего на изображении могут возникнуть сильные искажения и нестыковки, как показано ниже:

Как мы видим, участки одного кадра отображают разные моменты времен, движущиеся объекты на снимках камер с построчным переносом деформируются. Чем быстрее движется объект, тем сильнее заметна деформация. Особенно заметны эффекты получаются при съёмке вращающихся объектов.

Причиной роллинг-шаттера является то, что при «скользящем» считывании происходит построчное сканирование матрицы, получая кадр по частям, строка за строкой:

Как же избавится от этого эффекта? Новейшие разработки позволят решить проблему. Они получили название глобального затвора, в котором считывание данных с каждого пикселя матрицы происходит в один и то же момент времени, при этом движущийся объект на изображении как бы «замирает» на месте. Иногда, в ранних публикациях, можно встретить название «кадровый затвор».

Благодаря этому предотвращаются искажения, что делает глобальный затвор идеальным выбором для съемки движущихся объектов или быстрых движений, включая, например, автоматическое распознавание номерных знаков в сфере контроля дорожного движения. Внедрение сенсоров с глобальным затвором только начинается.

Преимущества сенсоров с глобальным затвором:

  • высокая частота кадров
  • высокое разрешение
  • четкие изображения, даже в случае очень короткой экспозиции
  • высокие шумовые характеристики, даже в условиях недостаточного освещения
  • широкий динамический диапазон
  • высокая квантовая эффективность: более 70%

Недостатки сенсоров с глобальным затвором:

  • высокая стоимость
  • большая потребляемая мощность
  • требование в наличии мощного процессора

Источник

Фотоблог 365

29 августа 2016 г.

Глобальный затвор или роллинг-шаттер?

Есть три вещи в жизни видеорежиссера: работа до глубокой ночи, налоги и CMOS-сенсоры.

СMOS, по-русски называется КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник. Все равно понятнее не стало.

Сенсоры сделанные по технологии CMOS являются неотъемлемой частью жизни оператора и режиссера, которые работают с цифровыми камерами. Некоторое время назад фотовидеоиндустрия перешла от массового использования CCD-матриц на CMOS. Основная причина — удешевление производства. Но есть и некоторые улучшения в плане качества, которые появились в результате инженерных изысканий, когда промышленность сосредоточилась на CMOS. Однако один неприятный эффект так и преследует любителей и профессионалов цифровой съемки. Он называется «роллинг-шаттер», что в можно перевести как «скользящий затвор».

Нужно обязательно сказать, то этот эффект есть не во всех CMOS-сенсорах, хотя может показаться, что он везде. В дорогих профессиональных камерах используются CMOS-сенсоры с глобальным затвором. Например Sony PMW-F55, Blackmagic Production Camera 4K, URSA 4K, URSA Mini 4K, AJA CION, все они используют сенсоры выполненные по технологии CMOS, но без роллинг-шаттера.

Что же означает «роллинг-шаттер» на практике? Технический термин «rolling shutter» относится с схеме считывания данных с цифровой фотоматрицы. То есть он не связан с фиксацией изображения, а только с его получением. Система «скользящего» считывания построчно «сканирует» матрицу, получая кадр по частям строка за строкой. Обычно процесс происходит сверху-вниз, но в редких случаях можно встретить горизонтальное считывание (просто поверните телефон вертикально. хотя нет, не стоит так снимать). Подавляющее большинство CMOS-сенсоров устроенны именно так, ведь они используют роллинг-шаттер. Но, нужно сказать спасибо инженерам, что существуют сенсоры, в которых считывание кадра организовано иначе. CMOS-сенсоры с глобальным затворов сканируют всю область изображения за один раз. При этом практически все CCD-сенсоры тоже имеют глобальный затвор, но там есть другие проблемы, из-за которых отчасти и произошел переход на CMOS. В матрицах CCD сразу считываются все «столбцы» изображения. Поэтому, если в одном месте есть яркая точка, то она может дать вертикальную полосу на всю высоту кадра. Один пиксел как бы забивает максимальной яркостью весь столбец изображения. Такие эффекты были хорошо заметны на старых аналоговых видеозаписях.

Читайте также:  Принтер с вайфаем инструкция

Но в данный момент подавляющее большинство фото- и видеокамер использует CMOS-сенсоры с роллинг-шаттером, из-за чего очень часто встречается эффект наклонных вертикальных линий. В самых дешевых камерах ситуация настолько плоха, что вертикальные линии превращаются в «желе» — множественные изгибы изображения в одном кадре. То есть скорость построчного считывания в таких матрицах еще ниже.

Считывание изображения происходит построчно сверху вниз

Заметные дефекты изображения в современных камерах не так сильно заметны как раньше. Артефакты появляются в сценах с быстрыми объектами, или при быстром панорамировании. Наиболее заметен роллинг-шаттер в маленьких легких камерах без оптического стабилизатора, т.к. использование штативов с такими камерами явление очень редкое, а съемка производится с рук. Очень заметен эффект при съемки транспортных средств типа автобусов или поездов, когда они проезжают мимо оператора. Интересные эффекты можно обнаружить при съемке вращающихся объектов. Они могут очень причудливо изгибаться и даже прерываться, в зависимости от скорости вращения. В целом, чем быстрее движение в кадре, тем более заметен эффект.

Эффект от роллинг-шаттера имеет достаточно большой разброс в разных сенсорах. По большому счету верно, что чем выше разрешение сенсора, тем более заметен эффект. Но, очевидно, что работа над решением этой проблемы ведется, и есть масса камер с серьезным разрешением, но очень незначительным роллинг-шаттером. Например сенсор ALEV III CMOS в камерах ARRI Alexa и Amira, имеет настолько незначительные эффект, что обнаружить его можно только в самых быстрых съемках. Некоторые кинематографисты даже считают, что очень быстрый роллинг-шаттер дает более эстетичную и кинематографичную картинку по сравнению с камерами, в которых используются сенсоры с глобальным затвором. Возможно это как-то связано с традиционными киносъемочными аппаратами, в которых, можно сказать, используется технология экспонирования кадра, больше похожая на роллинг-шаттер.

Остается открытым вопрос, по какой причине массовые сенсоры не перевели на глобальный затвор? Как и везде в мире, такое положение вещей стало результатом компромисса. 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. 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. Поскольку сенсоры с роллинг-шаттером обеспечивают хорошие характеристики и позволяют снизить бюджет производителя, они в данный момент доминируют на рынке. Технология отработана и массово используется в самых различных устройствах.

Каким способом можно бороться с артефактами современных массовых CMOS-сенсоров? Если вы понимаете проблему и знаете ограничения вашей техники, то можно попробовать избежать некоторых видов съемок, с которыми могут быть проблемы. Либо проводить их используя дополнительные приспособления и правильную пост-обработку. Например попробовать решить проблему с вращающимися объектами можно с помощью увеличения выдержки, чтобы объект оказался размытым. Использование стабилизаторов типа Steadicam или MōVI, в некоторых случаях поможет избавиться от эффекта «желе» либо значительно его уменьшить.

Источник

Поделиться с друзьями
СервисКлимат