Сканирующий затвор

Сканирующий затвор, (англ. rolling shutter, роллинг-шаттер) — схема считывания данных с цифровой фотоматрицы[1], в целом — тип фотозатвора, основанный на асинхронной технике регистрации изображения по всей площади экспонируемого кадра, предполагающей построчное сканирование объекта.

«Эффект роллинг-шаттера» (нем. Rolling-Shutter-Effekt) обусловлен неодновременностью регистрации разных частей одного и того же изображения щелевыми фокальными затворами, дисковыми обтюраторами и строчной развёрткой телевидения. Регистрируя на одном кадре разные положения отдельных фрагментов снимаемого объекта, светоприёмник искажает его форму[2].

Центральный затвор (англ. global shutter, «глобальный» затвор), в противоположность сканирующему, регистрирует всё изображение одновременно, перекрывая осевой и наклонные пучки объектива синхронно. Реализация техники центрального затвора при электронных способах регистрации предполагает особые типы полупроводниковых ПЗС-матриц[3].

Искажение формы быстро движущегося автомобиля фокальным затвором с вертикальным ходом экспонирующей щели

Искажение изображений при сканирующем затворе
Роллинг-шаттер при построчном переносе
Искажение формы вращающегося винта из-за роллинг-шаттера

Сканирующий затвор может быть как механическим (шторно-щелевые фокальные затворы), так и электронным[2][3]. В отличие от центральных, шторно-щелевые фокальные затворы экспонируют кадр не одновременно, а последовательно, при помощи перемещающейся вдоль кадрового окна щели. При съёмке движущихся объектов, угловая скорость которых сопоставима со скоростью движения щели затвора, их форма может искажаться. Это почти незаметно при длинных выдержках, когда изображение смазывается, но отчётливо видимо при коротких экспозициях. При совпадении направлений объект растягивается, а при встречном движении затвора и изображения, последнее сжимается[4]. Объекты, движущиеся перпендикулярно направлению шторок, отображаются наклонными[5]. Эффект может наблюдаться и в киносъёмочных аппаратах при небольших углах раскрытия дискового обтюратора[6].

При электронных способах регистрации изображения возникает эффект, аналогичный проявляющемуся при построчном считывании передающими трубками или полупроводниковой матрицей. Из-за построчного переноса на изображении могут возникнуть сильные искажения и даже фрагментация снятых объектов[7]. Однако технология всё равно используется в большинстве бытовых устройств, так как считается что преимущества КМОП-матриц с построчным переносом перекрывают этот недостаток.

Искажение возникает, когда скорость движения изображения снимаемых объектов сопоставима со скоростью построчного сканирования. В результате разные участки одного кадра отображают разные моменты времени. Движущийся объект (или его части) может попасть в кадр несколько раз, либо не попасть совсем. Движущиеся объекты на снимках камер с построчным переносом деформируются. Чем быстрее движется объект, тем сильнее заметна деформация. Особенно необычные эффекты получаются при съёмке вращающихся объектов, например лопастей самолётного или вертолётного винта, когда они не смазываются из-за длинной выдержки. Искажения возникают и при перемещениях самой камеры, например, при панорамировании: изображение неприятно «плывёт», возникает «эффект желе».

Также искажение заметно, когда в кадр попадают быстрые изменения яркости или цвета (например импульсные вспышки света). На изображении появляются полосы. Можно наблюдать, если сфотографировать LCD, в котором для регулирования яркости подсветки используется ШИМ (то есть большинство современных LCD).

В камерах на ПЗС-матрицах используется полнокадровый перенос, поэтому при их использовании описанные эффекты не наблюдаются. КМОП-матрицы с полнокадровым переносом дороже, и поэтому производители ради повышения прибыли ориентируют покупателя на изделия, в которых установлены сенсоры с построчным переносом.

В августе 2016 года компания Canon выпустила КМОП-матрицу с центральным затвором, способную отрабатывать экспозицию без перекрытия светового потока какими-либо устройствами[8]. Использование таких матриц позволит получать изображения быстродвижущихся объектов, лишённые каких-либо искажений, и полностью избавиться от эффекта[7].

См. также

Примечания
  1. Глобальный затвор или роллинг-шаттер?
  2. Global vs Rolling shutter.
  3. Shutter Operations for CCD and CMOS Image Sensors Kodak
  4. Учебная книга по фотографии, 1976, с. 50.
  5. Краткий справочник фотолюбителя, 1985, с. 53.
  6. Как разобраться в киноплёнках, 2007, с. 102.
  7. MICHAEL ZHANG. Canon Unveils a CMOS Sensor with a Global Shutter (англ.). News. PetaPixel (31 августа 2016). Дата обращения: 1 сентября 2016.
  8. Canon develops global shutter-equipped CMOS sensor that achieves expanded dynamic range through new drive method (англ.). Newsroom. Canon (31 августа 2016). Дата обращения: 1 сентября 2016.

Литература
  • Э. Д. Тамицкий, В. А. Горбатов. Учебная книга по фотографии / Фомин А. В., Фивенский Ю. И.. — М.: «Лёгкая индустрия», 1976. — С. 46—51. — 320 с. — 130 000 экз.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.