Русский
Ограничения роллинг-затвора в высокоскоростной съемке: что вам нужно знать
Создано 09.26
В мире высокоскоростной съемки захват быстро движущихся объектов с четкостью является как искусством, так и наукой. От спортивной фотографии, замораживающей последний шаг спринтера, до промышленных камер, контролирующих быстрые сборочные линии, спрос на резкие, точные высокоскоростные изображения никогда не был таким высоким. Тем не менее, под поверхностью многих современныхкамерылежит технология, которая может подорвать даже самый тщательный снимок: сканирующий затвор.
В то время как рулонные шторы распространены в смартфонах, потребителькамеры, и даже некоторого профессионального оборудования, их дизайн создает уникальные проблемы в сценариях с высокой скоростью. В этом руководстве мы разберем, как работают рулонные затворы, их ключевые ограничения в высокоскоростной съемке и почему понимание этих недостатков имеет значение для всех, кто стремится к точности в быстром фотографировании или видеосъемке.
Что такое роликовая затворка и чем она отличается от глобальной затворки?
Чтобы понять ограничения роллингового затвора, сначала необходимо понять, как он функционирует — особенно по сравнению с его более надежным аналогом, глобальным затвором.
Глобальный затвор экспонирует весь сенсор изображения одновременно. Когда вы нажимаете кнопку затвора, каждый пиксель на сенсоре захватывает свет одновременно в течение одного и того же времени, а затем останавливает запись в тот же момент. Этот подход "всё сразу" идеален для объектов с высокой скоростью: он равномерно замораживает движение, без искажений, что делает его золотым стандартом для научной визуализации, спортивного вещания и робототехники.
Сравнительно, сканирующий затвор последовательно открывает сенсор. Вместо того чтобы захватывать весь кадр сразу, он сканирует сенсор строка за строкой (или ряд за рядом) сверху вниз (или сбоку). Каждая строка пикселей начинает и останавливает запись света в немного разное время — часто всего лишь с микросекундной разницей, но этого достаточно, чтобы создать видимые артефакты, когда объекты (или сама камера) быстро движутся.
Этот дизайн дешевле в производстве и потребляет меньше энергии, именно поэтому он широко распространен в смартфонах, цифровых зеркальных камерах и беззеркальных камерах, ориентированных на обычных потребителей. Для статичных или медленно движущихся сцен роликовые затворы работают хорошо — вы, вероятно, никогда не заметите разницы. Но в высокоскоростной съемке их последовательный характер становится критической слабостью.
Ключевые ограничения сканирующей затворки в сценариях с высокой скоростью
В высокоскоростных условиях — где объекты движутся быстрее, чем затвор может сканировать сенсор — сканирующие затворы вводят предсказуемые, но проблематичные искажения. Давайте рассмотрим самые распространенные проблемы и причины их возникновения.
1. Эффект «Джелло»: Искажение от движения камеры или объекта
Наиболее узнаваемым артефактом роликовых затворов является эффект желе (или эффект джелло), названный так из-за того, как он искажает прямые линии в волнистые, похожие на желе формы. Это происходит, когда либо камера, либо объект значительно движется во время сканирования сенсора.
Пожалуйста, предоставьте текст для перевода.
• Пользователь смартфона, быстро поворачивающий камеру, чтобы снять гоночный автомобиль, заметит, как кузов автомобиля или фон горизонта изгибаются, как волна.
• Дрон, захватывающий быстро движущуюся толпу, может показывать головы или плечи людей, растянутыми или искаженными, так как движение камеры опережает сканирование сенсора.
Почему это происходит? Когда затвор движется сверху вниз, каждая строка захватывает объект немного позже. Если камера или объект изменяют положение во время этого сканирования, верхняя строка фиксирует объект в одном месте, в то время как нижняя строка фиксирует его в другом. Результатом является искаженное, неровное изображение, которое разрушает иллюзию единого, замороженного момента.
2. Искажение и наклон в быстро движущихся объектах
Когда объект движется горизонтально (перпендикулярно направлению сканирования роликового затвора), роликовые затворы часто создают искажение наклона — из-за чего прямые вертикальные линии выглядят наклоненными.
Представьте себе фотографирование мчащегося скоростного поезда фронтально с помощью камеры с роликовым затвором. Поезд движется слева направо, в то время как затвор сканирует сверху вниз. К моменту, когда затвор достигает нижнего ряда сенсора, поезд немного сместился вправо. Верхняя часть поезда выравнивается с его положением в начале сканирования, в то время как нижняя часть выравнивается с его положением в конце — в результате получается поезд, который выглядит наклоненным, как будто он наклоняется в поворот.
Этот эффект особенно проблематичен в промышленных условиях, где инженеры используют высокоскоростные камеры для измерения положения или угла быстро движущихся частей (например, конвейерных лент, вращающихся шестерен). Искривленное изображение может привести к неточным измерениям, что ставит под угрозу контроль качества или проверки безопасности.
3. Частичное экспонирование и размытие движения
В высокоскоростной съемке даже небольшие задержки имеют значение. Роликовые затворы экспонируют каждую строку на одинаковую общую продолжительность (например, 1/1000 секунды), но поскольку они начинают последовательно, быстро движущийся объект может выйти из кадра до завершения сканирования. Это создает частичные экспозиции, когда части объекта обрезаны или размыты.
Рассмотрим птицу, летящую мимо камеры на высокой скорости. Верхние ряды сенсора захватывают птицу целиком, но к моменту, когда затвор достигает нижних рядов, птица уже вылетела из кадра — оставляя нижнюю часть изображения пустой или показывая только размытое перо хвоста.
В научных исследованиях — таких как изучение полета насекомых или движения снарядов — частичные экспозиции могут сделать данные бесполезными. Исследователи полагаются на полные, четкие изображения для анализа паттернов движения, а артефакты сканирующего затвора вводят переменные, которые искажают результаты.
4. Непоследовательное освещение в быстро меняющихся условиях
Рулонные жалюзи испытывают трудности с быстро меняющимися источниками света, такими как мерцающие светодиоды, стробоскопы или солнечный свет, проходящий сквозь движущиеся листву. Поскольку каждая строка подвергается воздействию в разное время, некоторые строки могут захватывать яркую вспышку, в то время как другие фиксируют сцену в более тусклом свете, что создает полосы или неравномерную яркость по всему кадру.
Это распространенная проблема в фотографии спортивных мероприятий в помещениях, где освещение стадионов часто мерцает с частотой 50-60 Гц (соответствующей частоте электрической сети). Камера с роллинг-шаттером, сканирующая баскетбольную площадку, может зафиксировать чередующиеся яркие и темные полосы, так как ряды, экспонированные во время фазы "включения" света, выглядят ярче, чем те, которые экспонированы во время фазы "выключения".
Для создателей контента эта несогласованность разрушает визуальный поток видео или серии фотографий. Для инженеров, использующих высокоскоростные камеры для мониторинга машин под стробоскопическим освещением, это может скрыть критически важные детали (например, неправильно выровненный зуб шестерни) в темных полосах.
5. Роллинг-шаттер против синхронизации вспышки
Фотовспышка зависит от точного времени: вспышка должна сработать, пока сенсор полностью открыт, чтобы запечатлеть четкое изображение. С глобальными затворами это просто — весь сенсор активен одновременно, поэтому вспышка может сработать один раз для равномерной экспозиции.
Однако рулонные шторы не могут синхронизироваться с вспышками так же чисто. Если вспышка срабатывает во время сканирования, только строки, подвергшиеся воздействию в этот точный момент, захватят свет вспышки. Строки, отсканированные до или после, будут темнее, что приведет к частичному воздействию вспышки — яркой полосе на изображении, остальная часть будет недоэкспонирована.
Это ограничение является головной болью для фотографов на мероприятиях, снимающих быстро развивающиеся моменты (например, первый танец на свадьбе, мош-пит на концерте) с использованием вспышки. Даже высокоскоростные вспышки испытывают трудности с соответствием скорости сканирования роликового затвора, оставляя изображения с неравномерным освещением.
Когда эти ограничения имеют наибольшее значение?
Артефакты роликовых затворов не всегда являются проблемой — контекст имеет ключевое значение. Они становятся наиболее заметными (и дорогостоящими) в сценариях, когда:
• Объекты движутся с экстремальными скоростями: подумайте о гоночных автомобилях, пулях или падающих предметах.
• Камеры быстро перемещаются: Примеры включают в себя кадры с дронов, ручные экшн-съемки или установленные камеры на движущихся транспортных средствах.
• Точность имеет решающее значение: Научные исследования, промышленная инспекция или анализ движений зависят от точных, недеформированных данных.
• Освещение нестабильно: Среды с мерцающими огнями или быстрыми изменениями света усиливают полосы.
В отличие от этого, для статичных портретов, пейзажной фотографии или медленно движущихся видео (например, кулинарного урока) механизмы с роликовыми затворами работают прекрасно — их ограничения почти незаметны.
Смягчение ограничений сканирующего затвора: обходные пути и решения
Хотя рулонные шторы не могут соперничать с глобальными шторами по высокой скорости точности, существуют способы уменьшить их влияние:
• Используйте более быстрые скорости затвора: Более короткие времена экспозиции минимизируют окно для движения во время сканирования, уменьшая искажения. Например, экспозиция 1/4000 секунды оставляет меньше времени для смещения объекта, чем экспозиция 1/500 секунды.
• Стабилизируйте камеру: Штативы, стабилизаторы или фиксированные крепления уменьшают движение камеры, что является основной причиной эффекта желе.
• Избегайте панорамирования с быстрыми объектами: вместо того чтобы перемещать камеру для отслеживания объекта, позвольте объекту двигаться через статичную рамку.
• Инструменты постобработки: Программное обеспечение, такое как Adobe Premiere Pro или DaVinci Resolve, предлагает фильтры коррекции эффекта сканирующего затвора, которые могут уменьшить искажения или эффекты "желе" (хотя результаты могут варьироваться и могут привести к незначительному размытия).
• Переход на камеру с глобальным затвором: Для профессионального или научного использования инвестиции в камеру с глобальным затвором полностью устраняют эти проблемы — хотя они имеют более высокую цену.
Будущее роликового затвора в высокоскоростной съемке
С развитием технологий производители ищут способы минимизировать недостатки сканирования с эффектом "роллинг шаттер". Новые конструкции сенсоров, такие как электронные сканеры с более быстрыми скоростями сканирования, уменьшают время между экспозициями строк, делая артефакты менее заметными. Некоторые смартфоны теперь рекламируют "глобальные режимы затвора" для видео, хотя они часто используют программные приемы, а не настоящее оборудование с глобальным затвором.
Для большинства потребителей рулонные жалюзи останутся нормой — их стоимость и энергоэффективность слишком ценны, чтобы полностью заменить их. Но для отраслей, где важна точность, глобальные затворы (и новые альтернативы, такие как стековые датчики) будут продолжать набирать популярность.
Заключение: Знайте свою диафрагму для лучших результатов при высокой скорости
Рулонные шторы — это палка о двух концах: они делают качественные камеры доступными и недорогими, но их последовательное сканирование создает уникальные проблемы в быстро движущихся сценариях. От эффекта желе до искаженных измерений, эти ограничения могут подорвать все, от спортивной фотографии до критически важных научных данных.
Понимая, как работают скользящие затворы и когда их недостатки становятся проблематичными, вы можете принимать более разумные решения — будь то выбор камеры, настройка вашей техники съемки или инвестиции в инструменты постобработки. Для случайного использования скользящие затворы более чем достаточны. Но когда скорость и точность имеют решающее значение, признание их ограничений является первым шагом к получению четких и надежных изображений, которые вам нужны.
Контакт
Оставьте свои контактные данные, и мы свяжемся с вами.
WhatsApp
WeChat