Co wpływa na jakość filmów, które nagrywamy? Rolling shutter [część 4]

Kontynuujemy nasz cykl artykułów poświęconych czynnikom wpływającym na jakość obrazu filmowego. W pierwszej części tej serii omówiliśmy zagadnienia związane ze szczegółowością obrazu, sposobami odczytu matrycy oraz aliasingiem i morą. Tematem drugiej odsłony cyklu był szum i jego usuwanie, a w części trzeciej podjęliśmy temat zakresu tonalnego i tajemniczych „EV”. W niniejszej, ostatniej już części, porozmawiamy o szybkości odczytu matrycy i związanym z nią zjawiskiem znanym jako „rolling shutter”.

W czasach z punktu widzenia postępu technologicznego zamierzchłych, w aparatach i kamerach stosowane były matryce typu CCD. Typowy sensor tego rodzaju posiadał obok każdego piksela zbierającego światło drugi, zasłonięty przed dopływem światła piksel, do którego przesyłany był ładunek elektryczny powstały w pierwszym pikselu w wyniku zbierania światła. Zebrane w „ciemnych pikselach” ładunki były następnie przesyłane do krawędzi matrycy, gdzie były zamieniane na napięcie i odczytywane. Rozwiązanie to powodowało, że jedynie połowa powierzchni sensora była wykorzystywana do rejestracji obrazu. Miało jednak jedną niepodważalną zaletę – transfer ładunku z pikseli zbierających światło do tych „ciemnych” odbywał się jednocześnie we wszystkich pikselach.

Wadą CCD był również czas, jaki potrzebny był na odczyt – ładunki z „ciemnych” pikseli musiały być przemieszczone piksel po pikselu w kierunku krawędzi matrycy, bo dopiero tam odbywał się wspomniany odczyt. By zrobić to szybko, konieczne było sporo energii, co przekładało się na dużą prądożerność matryc CCD.

Sprawdź też:

• Co wpływa na jakość filmów, które nagrywamy? Część 1
• Co wpływa na jakość filmów, które nagrywamy? Część 2
• Co wpływa na jakość filmów, które nagrywamy? Część 3

Współcześnie w kamerach i aparatach sensory CCD zostały zastąpione przez układy typu CMOS, w których konwersja na ładunku na napięcie odbywa się już na poziomie piksela, przez co do odczytu nie są potrzebne „ciemne” piksele. W związku światło może zbierać praktycznie cała powierzchnia matrycy. Przełożyło się to na mniejsze szumy, lepszy zakres tonalny i szybszy odczyt, ale przyniosło też jedną wadę – większość współcześnie stosowanych matryc CMOS nie jest odczytywana jednocześnie. Zamiast tego kolejne wiersze odczytywane są w pewnych odstępach czasu. Powoduje to, że jeśli w filmowanym obrazie coś zmieni się pomiędzy rejestracją pierwszej a ostatniej linii, zmiana ta zostanie zarejestrowana na jednej klatce i będzie to wyglądać nienaturalnie.

W fotografii problem ten jest mocno ograniczony, bo tam odczyt matrycy linia po linii odbywa się, gdy sensor jest zasłonięty przez mechaniczną migawkę. Podobnie jest w przypadku nielicznych profesjonalnych kamer filmowych wyposażonych w obrotowe mechaniczne migawki. W większości sprzętu filmowego oraz w aparatach pracujących w trybie migawki elektronicznej spotkamy się jednak z problemem niejednoczesnego odczytu matrycy, który po angielsku nazywany jest określeniem „rolling shutter”.

Problem ten może objawić się na wiele sposobów. Typowe obejmują:

• „kładzenie się” pionowych linii lub pochylanie całego kadru jeśli zbyt szybko obracamy aparat czy kamerę w poziomie (czyli panoramujemy),

• obraz telepiący się jak galareta jeśli aparat lub kamera trzęsie się w pionie,

• jasne lub ciemne poziome pasy w obrazie, jeśli nagrywamy błyskające światło (np. stroboskop na imprezie czy koncercie, lampa błyskowa).

Intensywność tych efektów zależy od kilku czynników. Pierwszym jest oczywiście szybkość czy intensywność, z jaką obracamy kamerę lub nią trzęsiemy, warto zatem zaopatrzyć się w jakąś formę stabilizacji – statyw, monopod lub gimbal. Drugą zmienną jest pole widzenia – im nasz obiektyw ma dłuższą ogniskową, tym wszystkie niekorzystne efekty związane z pochylaniem się obrazu i „galaretą” będą bardziej widoczne. Trzecim czynnikiem jest szybkość odczytu matrycy w trybie filmowym i to na nim skupimy się w dalszej części tekstu.

Zacznijmy nasze rozważania od ustalenia, o jakich w ogóle zakresach czasów mówimy w przypadku odczytu matrycy CMOS. Oczywiście, jeśli matryca odczytywana jest jednocześnie, to różnica między odczytem pierwszej i ostatniej linii obrazu wynosi 0. Zdarzają się matryce CMOS oferujące jednoczesny odczyt („global shutter” co jest przeciwieństwem „rolling shutter”), ale zazwyczaj mają one spore problemy z zaszumieniem, nie są więc często spotykane.

Jakie z kolei są maksymalne możliwe wartości czasu odczytu matrycy? Jeśli filmujemy z prędkością 25 kl./s to teoretyczne maksimum to 1/25 sekundy, czyli 40 ms. Przy 30 kl./s teoretyczne maksimum to 33.33 ms, a przy 50 kl./s będzie to 20 ms. Jest to dość oczywiste – jeśli mamy nagrać 25 klatek w ciągu sekundy to rejestracja jednej nie może zająć więcej niż 1/25 s, bo czas zwyczajnie nie jest z gumy.

Czy to dużo? Jeśli między odczytem pierwszej a ostatniej linii w obrazie mija 1/25 sekundy, to filmowany kadr nie powinien się w tym czasie specjalnie zmieniać – ani przez ruch tego, co nagrywamy, ani też przez wykonany przez operatora ruch kamery. To trochę jak wykonywanie nieporuszonego zdjęcia z czasem naświetlania 1/25 sekundy. W przypadku budynku jest to możliwe, w przypadku małego dziecka czy ruchliwego zwierzaka – niezbyt.

Jak na tej skali od 0 do 40 ms umiejscawiają się poszczególne aparaty i kamery? Profesjonalne kamery filmowe zazwyczaj oferują czasy odczytu poniżej 10 ms. Podobnie jest w przypadku najlepszych filmujących aparatów. Prym wiodą tu konstrukcje z matrycami warstwowymi, urządzenia o niewielkiej liczbie megapikseli oraz aparaty i kamery korzystające z mniejszych matryc (np. o rozmiarze 4/3”). Przy czasie odczytu typu 5 ms efekty związane z niejednoczesnym odczytem matrycy są w większości praktycznych sytuacji pomijalne.

Niestety, podobnie jak w przypadku omówionego w poprzedniej części tego cyklu zakresu tonalnego, także prędkość odczytu matrycy jest trudna do zmierzenia w domowych warunkach. Amatorskie testy polegające na szybkim panoramowaniu (obracaniu kamerą czy aparatem w lewo i prawo) na statywie są mocno zależne od użytej ogniskowej, nie są powtarzalne i nie dają liczbowych wyników. Najlepiej zatem, po raz kolejny, poszukać profesjonalnych testów przeprowadzonych przez osoby umiejące zmierzyć czasy odczytu matrycy.

W testach studyjnych do pomiaru czasu odczytu matrycy najczęściej używane są różnego rodzaju stroboskopy lub lampy błyskowe posiadające opcję wykonania powtarzalnej serii błysków. Taka seria wyświetla się na nagraniu filmowym w formie poziomych pasów. Jeśli nasza lampa wykonuje błyski z częstotliwością np. 100 Hz, to oznacza to, że pomiędzy kolejnymi widocznymi na ekranie pasami minęła 1/100 sekundy, czyli 10 ms. To wystarczy, by z prostej proporcji wyliczyć czas odczytu całej analizowanej klatki filmu. Niezmiernie ważna jest jednak dokładność działania użytej w teście lampy. Należy też odpowiednio dobrać czas migawki w testowanym urządzeniu, tak by pasy były rozróżnialne.

Współczesne matryce warstwowe oferują bardzo niskie czasy odczytu, ale nie oznacza to, że problemy związane ze zjawiskiem „rolling shutter” już nas nie dotyczą. Wolne niewarstwowe sensory wciąż jeszcze są stosowane, zwłaszcza w aparatach o dużej liczbie megapikseli. Jeśli zatem planujemy nagrywać dużo dynamicznego ruchu lub filmować oświetlane stroboskopami koncerty czy imprezy, warto rozeznać się, czy wybrany przez nas aparat lub kamera poradzi sobie w takich warunkach i nie zepsuje nam ujęć poziomymi pasami, czy nienaturalnie powykrzywianymi kadrami szybko poruszających się obiektów.

Dowiedz się więcej: