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.

Большинство, но не все CMOS-сенсоры работают с роллинг-шаттером

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.

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 роллинг-шаттера: здания наклонились в одном направлении

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.

Стабилизаторы помогают снизить артефакты роллинг-шаттера

Стоит ли полностью решать проблему роллинг-шаттера? С одной стороны некоторые качественные параметры могут ухудшиться, но полностью исчезнут наклонные линии и «желе». С другой стороны — возрастет цена решения. Большая часть ответа на вопрос заключается в том, готовы ли мы платить за отсутствие роллинг-шаттера дополнительные деньги. Если у вас есть желание значительно сэкономить, понимание проблемы и знания о путях ее решения, то ничего не важно. Остается только творчество, которому роллинг-шаттер, по правде говоря, не помеха.