Rolling Shutter vs Global Shutter: Le principali differenze

Se hai mai scattato una foto o un video di un’elica in rotazione, probabilmente sai cos’è un “effetto tapparella” o anche detto Rolling Shutter. L’elica potrebbe essere sembrata “distorta”-

Il problema deriva dal modo in cui le fotocamere digitali inviano i dati dal sensore al motore di elaborazione delle immagini in modalità otturatore elettronico. Per scoprire perché succede e cosa puoi fare al riguardo, parliamo un po’ di più di otturatori.

Cos’è l’otturatore globale?

Prima di tutto, devo essere chiaro su una cosa. Sto parlando di otturatori elettronici piuttosto che di otturatori meccanici.

Gli otturatori meccanici sono diversi. Hanno i loro problemi, come il limite alla velocità di sincronizzazione del flash . Questo di solito è solo 1/200 s o 1/250 s.

Anche i problemi con l’otturatore rotante e l’otturatore globale non hanno nulla a che fare con i tempi di posa lunghi. Anche in questo caso, i tempi di posa lunghi hanno i loro problemi, incluso il motion blur.

Una tapparella e una tapparella globale sono diversi tipi di tapparelle elettroniche. Questo articolo cercherà di spiegare i vantaggi e gli svantaggi di entrambi.

Rolling Shutter

La modalità Rolling Shutter nelle fotocamere digitali espone i pixel alla luce riga per riga, come uno scanner. Le telecamere accendono prima quelle nella parte superiore del sensore e poi rotolano verso il basso. Oppure due “onde” sparse dal centro del sensore.

Funziona bene nella maggior parte delle situazioni. Ma si ottiene un effetto Rolling Shutter se i soggetti si muovono rapidamente nell’inquadratura o se si sposta la fotocamera da un lato all’altro.

I produttori di fotocamere lavorano duramente per migliorare la velocità di lettura dei loro sensori. Ma il problema delle tapparelle rimarrà sempre.

Questo perché la luce colpisce i pixel in momenti diversi. Quelli nella parte superiore del sensore vengono esposti e spenti per primi. Ma quelli in basso sono esposti per ultimi e spenti per ultimi.

Se nulla si muove sulla scena, non è un problema. Ma se qualcosa si muove, diverse righe di pixel registrano la sua posizione in momenti e luoghi diversi. Questo porta all’effetto tapparella, l’inclinazione dell’immagine da un lato all’altro.

Tapparella durante la panoramica

Lo stesso accade se si sposta la fotocamera. È solo la fotocamera che si muove piuttosto che il soggetto.

Immagina di scattare una foto di un rettangolo che si sposta rapidamente da sinistra a destra con una fotocamera utilizzando una tapparella. Quando si preme il pulsante di scatto, l’esposizione inizia.

Il sensore della fotocamera registra la parte superiore del rettangolo utilizzando la riga superiore di pixel. Quei pixel rimangono attivi per la durata della velocità dell’otturatore (o valore temporale). Diciamo che è 1/1000 s.

La riga di pixel successiva non viene attivata finché non è stata attivata la prima riga. Questo ritardo è il “tempo di linea”. Potrebbe essere qualcosa come 10 ms (10 microsecondi o 10 milionesimi di secondo).

Quando la prima fila è spenta, si ottiene lo stesso leggero ritardo fino allo spegnimento della seconda fila. Se moltiplichi il tempo di linea per il numero di righe di pixel sul sensore, ottieni il “tempo di frame”.

Otturatore globale

Modalità otturatore globale significa esporre tutti i pixel del sensore contemporaneamente (o “globalmente”). Ciò significa che non c’è distorsione nell’immagine finale quando si scattano foto di oggetti in movimento.

È una tecnologia più costosa. E significa che un’enorme quantità di dati viene lanciata contemporaneamente al motore di elaborazione delle immagini.

Una fotocamera con otturatore globale necessita anche di elettronica aggiuntiva. Ciò rende difficile l’utilizzo di un sensore retroilluminato (BSI).

È un peccato perché questi sensori sono molto migliori per la fotografia in condizioni di scarsa illuminazione . Posizionare lo strato di silicio sensibile alla luce più vicino alla sorgente luminosa consente loro di raggiungere un’efficienza quantistica (QE) del 95%. Ciò significa perdere solo il 5% del segnale originale.

Gli otturatori globali devono utilizzare sensori con illuminazione frontale. Devono avere microlenti e altri circuiti elettronici sopra la regione fotosensibile. Ciò limita il loro QE dal 70-80%. Ciò significa che il 20-30% del segnale scompare.

Non puoi avere un sensore dell’otturatore globale e un sensore BSI. Quindi le tapparelle globali non sono ancora diventate mainstream.

Rolling Shutter vs Global Shutter: qual è il migliore?

Ogni tipo di otturatore elettronico presenta vantaggi e svantaggi. Il vantaggio relativo dipende dall’applicazione.

Vantaggi dell’otturatore:

• Frame rate più elevati
• Sensori BSI ad alta risoluzione
• Livelli di rumore più bassi
• Sensibilità nativa più alta
• Gamma dinamica più alta

Svantaggi dell’otturatore:

• Artefatti della tapparella con soggetti in rapido movimento
• Velocità di sincronizzazione flash limitate

Vantaggi dell’otturatore globale:

• Nessuna distorsione delle linee rette con soggetti in rapido movimento
• Nessun limite alla velocità di sincronizzazione del flash

Svantaggi dell’otturatore globale:

• Più rumore
• Minore sensibilità nativa
• Gamma dinamica più bassa
• Frequenza fotogrammi inferiore
• Costoso da produrre

La maggior parte delle moderne fotocamere DSLR e mirrorless sono dotate di sensori con tapparella elettronica. Questo perché i produttori pensano che sopporteremo l’effetto rolling shutter purché otteniamo una risoluzione migliore e frame rate più elevati. E probabilmente hanno ragione!

Anche la gamma dinamica è un fattore. Blackmagic Design ha recentemente scelto di sostituire l’otturatore globale con un avvolgibile nella sua action cam URSA Pro Mini 4.6K  per spingere la gamma dinamica fino a 15 stop.

L’unica nicchia in cui i produttori utilizzano gli otturatori globali è con le telecamere con sensore Interline CCD o EMCCD. Questo perché i frame rate non sono così importanti. Il compromesso è diverso.

Conclusione

In un mondo ideale, le fotocamere avrebbero tutte gli otturatori globali. Ha senso che accendano e spengano ogni pixel contemporaneamente. E rimuoverebbe la distorsione della modalità tapparella.

Ciò potrebbe accadere in futuro con tutte fotocamere con otturatore globale? O finirà nel mucchio di rottami tecnologici?

Dovremo aspettare e vedere. Altri produttori di fotocamere come Andor potrebbero iniziare a offrire la modalità otturatore globale come impostazione opzionale. I fotografi potrebbero quindi scegliere di sopportare un frame rate inferiore per evitare effetti di tapparella.