Czym jest „rolling shutter„?
By zrozumieć, czym jest „global shutter” (możemy się też spotkać z określeniami „globalna migawka” lub bardziej opisowo — „jednoczesny odczyt matrycy”) musimy najpierw zdefiniować jego przeciwieństwo, z którym w większości mieliśmy do czynienia do tej pory. Tym przeciwieństwem jest „rolling shutter”, czyli odczyt niejednoczesny.
W pierwszej dekadzie XXI wieku w świecie sprzętu fotograficznego i filmowego nastąpiło przejście od matryc typu CCD na matryce typu CMOS. Te ostatnie, w porównaniu z poprzedzającą je technologią, oferowały mniejszy pobór mocy, większe prędkości odczytu, a po udoskonaleniu technologii także niższy poziom szumów i lepszy zakres tonalny. Jednym słowem – same zalety. Z jednym wyjątkiem. Tym wyjątkiem był właśnie sposób odczytu.
W przypadku sensorów CCD z samej ich budowy wynikała konieczność zastosowania czegoś w rodzaju „pamięci” umieszczonej obok każdego pojedynczego piksela, do której zrzucany był wygenerowany przez padające światło ładunek elektryczny, który następnie był zamieniany na napięcie i odczytywany. Zrzut ładunku do tejże „pamięci” następował w tym samym momencie dla całego sensora, ale sama jej obecność była dużym utrudnieniem konstrukcyjnym, między innymi przyczyniającym się do wielu wad matryc CCD. W sensorach typu CMOS taki układ „pamięci” nie był potrzebny, bo zgromadzony przez światłoczułe elementy piksela ładunek elektryczny był zamieniany na napięcie od razu i mógł być odczytany w każdej chwili. Tyle tylko, że odczyt ten nie odbywał się, jak w przypadku zrzutu do „pamięci”, jednocześnie, tylko linia po linii.
To właśnie ten odczyt matryc CMOS linia po linii (najczęściej z góry do dołu obrazu, choć są też sensory, gdzie odbywa się on np. od lewej do prawej) stał się, w dobie bezlusterkowców, problemem, który zbiorczo zwykło się nazywać „rolling shutter”. Zjawisko to omówiliśmy już zresztą w osobnym, poświęconym mu artykule.
W pierwszych latach rozwoju aparatów z matrycami typu CMOS problem ich niejednoczesnego odczytu nie był specjalnie doskwierający, gdyż sensor na czas odczytu i tak zasłaniany był mechaniczną migawką aparatu, taką samą jak ta zasłaniająca klatkę negatywu w aparatach analogowych. Sytuacja uległa natomiast zmianie, gdy lustrzanki zaczęły filmować i oferować tryb live view z migawką elektroniczną oraz gdy na rynku pojawiły się bezlusterkowce.
W sytuacji gdy matryca nie jest zakrywana migawką mechaniczną na czas odczytu (czyli podczas filmowania oraz przy korzystaniu z tzw. migawki elektronicznej), to, że jest ona odczytywana z góry do dołu, staje się widoczne i potrafi mocno doskwierać. Typowe objawy takiego niejednoczesnego odczytu (nazywane często „efektem rolling shutter”) obejmują:
- pochylanie się pionowych linii podczas wykonywania szybkich panoram, czyli obracania aparatu czy kamery w poziomie (tak, w kamerach ten problem też występuje),
- telepanie się obrazu w sposób przypominający galaretę, jeśli urządzenie nagrywające się trzęsie,
- widoczne zniekształcenia szybko poruszających się obiektów, takich jak skrzydła ptaków czy śmigło samolotu bądź helikoptera,
- obecność pasów w obrazie, gdy mamy do czynienia z błyskającymi źródłami światła lub też światłem sterowanym impulsowo (np. oświetlenie LED o regulowanej mocy).
Wielu fotografów mogłoby w tym miejscu spytać – to po co w ogóle się tym przejmować? Można przecież nie filmować („aparat służy do robienia zdjęć”) i korzystać po prostu z migawki mechanicznej. Ta ostatnia ma jednak swoje ograniczenia. Jako element mechaniczny ma ona swoją określoną żywotność i jest podatna na uszkodzenia. Ma też ograniczenia związane z szybkością – przy korzystaniu z niej zazwyczaj nie da się przekroczyć prędkości zdjęć seryjnych na poziomie ok. 15 kl./s. Dla wielu te 10 czy 15 kl./s to i tak za dużo, ale przy fotografowaniu szybkich, drobnych zwierząt lub sportu o wyjątkowo dynamicznej akcji może to nie wystarczyć. A współczesne matryce nie mają problemu z wykonywaniem zdjęć seryjnych z prędkościami takimi jak 30, 60 czy nawet 120 kl./s.
Najczęściej stosowana w aparatach szczelinowa migawka mechaniczna ogranicza też czas synchronizacji z lampami błyskowymi, typowo do około 1/200 s. Gdy chcemy pracować z krótszymi czasami naświetlania, musimy stosować różnego rodzaju obejścia i utrudniające życie sztuczki (filtry szare, HSS, hypersync itd.). Wadą migawki mechanicznej jest też jej głośność, która może przeszkadzać, gdy wykonujemy zdjęcia na planie filmowym, podczas kameralnych uroczystości, czy w miejscach takich jak teatr, opera czy filharmonia.
Globalna migawka rozwiązuje wiele problemów
Wprowadzenie jednoczesnego cyfrowego odczytu, czyli tytułowej globalnej migawki („global shutter”) rozwiązuje wszystkie te problemy. Gdy cała matryca odczytywana jest cyfrowo w dokładnie tym samym momencie, żaden pochył w kadrze nie występuje. Nie pojawią się też pasy wynikające z różnic w oświetleniu, jakie przy odczycie niejednoczesnym mogły się pojawić między odczytem górnej a dolnej części kadru.
Globalna migawka oznacza też, że ta mechaniczna nie jest już do niczego potrzebna – co najwyżej można ją zastąpić jakąś formą zasłony zabezpieczającej sensor przed kurzem podczas wymiany obiektywu. A brak migawki mechanicznej to z kolei możliwość absolutnie bezszelestnego fotografowania oraz, przy cyfrowej globalnej migawce, koniec jakichkolwiek problemów z synchronizacją lamp błyskowych. Wspomniany Sony A9 III umożliwia zresztą wspomnianą synchronizację dla czasów migawki sięgających nawet 1/80000 s.
Wady, a w zasadzie to wada globalnej migawki
Skoro to rozwiązanie ma, jak się wydaje, same zalety, to dlaczego wprowadzono je dopiero w 2023 roku? Stało się tak, ponieważ ma ono też jedną dość istotną wadę. W dużym uproszczeniu umożliwienie jednoczesnego odczytu całego sensora typu CMOS wymaga dodania pewnej liczby komponentów elektronicznych do każdego piksela. Powoduje to, że w rzeczonym pikselu zostaje mniej miejsca na aktywną powierzchnię światłoczułą (rejestrującą światło). Większa ilość grzejącej się podczas pracy elektroniki może także oznaczać większą ilość cyfrowego szumu oraz gorszy zakres tonalny matrycy.
Historia pamięta już kilka prób wdrażania globalnej migawki, na przykład w kamerze Blackmagic Design Production Camera 4K, gdzie ceną za jednoczesny odczyt był szum, którego ilość powodowała, że najwyższą użyteczną czułością w tym urządzeniu było mało imponujące ISO 400. Z drugiej strony, sensory z jednoczesnym odczytem są od lat używane w obrazowaniu przemysłowym czy fotogrametrii, gdzie prawidłowe odwzorowanie odległości podczas fotografowania ruchomych obiektów jest ważniejsze niż trochę większy szum czy gorszy zakres tonalny.
Oczywiście na odpowiedź, czy w przypadku rzeczonego Sony A9 III faktycznie ów wzrost szumu i pogorszenie zakresu tonalnego zobaczymy, będzie trzeba poczekać do momentu pełnego testu tego urządzenia. Wtedy też osądzimy, czy technologia ta jest już wystarczająco „dojrzała”, by zaczęła coraz szerszym strumieniem trafiać do naszych aparatów i kamer. Ze swojej strony szczerze na to liczymy.
