Глобальный затвор 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.

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

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. Для подбора разнообразной фототехники я рекомендую E-Katalog и Aliexpress.

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?

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.

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

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

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, они используют роллинг-шаттер. Но, нужно сказать спасибо инженерам, существую 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 кадра 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.

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 правильно, что чем выше разрешение сенсора, тем более заметен эффект. Но, очевидно, что работа над решением этой проблемы ведется и есть масса камер с серьезными 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

КМОП-камеры с глобальным затвором

Технология глобального затвора идеально подходит для съемки движущихся объектов. Современные КМОП-сенсоры уже на протяжении некоторого времени оснащаются глобальным затвором. Узнайте больше о преимуществах КМОП-сенсоров с глобальным затвором и выясните, какие КМОП-камеры Basler оснащены этой технологией.

Для съемки движущихся объектов или быстрых движений, тип затвора наряду с типом сенсора являются ключевыми с точки зрения качества изображения. С появлением КМОП-сенсоров с технологией глобального затвора стало возможным еще более индивидуально подобрать сенсор в соответствии с задачами, стоящими перед вашей системой машинного зрения.

Принцип работы сенсора с глобальным затвором

Глобальный затвор предполагает одновременную экспозицию всех строк пикселей, за счет чего движущийся объект на изображении как бы «замирает» на месте. 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.

Преимущества современных КМОП-сенсоров с технологией глобального затвора:

Камеры Basler с КМОП-сенсорами с глобальным затвором

В следующих сериях матричных камер Basler присутствуют модели, оснащенные КМОП-сенсором с глобальным затвором:

В следующих сериях линейных камер Basler присутствуют модели, оснащенные КМОП-сенсором с глобальным затвором:

КМОП-сенсор с глобальным затвором также устанавливается в некоторые модели стационарных корпусных и купольных IP-камер Basler.

Источник