Правили ли сте някога снимка на движещ се източник на светлина, като например фаровете на автомобил през нощта, и забелязали ли сте, че светлината изглежда огъната, счупена или по друг начин изкривена? Това явление, често неочаквано, е често срещано явление в цифровата фотография. Разбирането защо сензорът на вашата камера улавя изкривени източници на светлина включва задълбочаване в механиката на сензорната технология и начина, по който камерите записват изображения. Тази статия ще изследва причините за това изкривяване, изследвайки технологията, която прави възможна съвременната фотография.
💡 Разбиране на сензорите на камерата
В сърцето на всеки цифров фотоапарат се намира сензорът за изображения, компонент, отговорен за преобразуването на светлината в електрически сигнал, който фотоапаратът може да обработва и съхранява като изображение. Има два основни типа сензори за изображения: CCD (устройство със зарядна връзка) и CMOS (комплементарни металооксидни полупроводници). Всеки тип има свой собствен метод за улавяне на светлина и преобразуването й в цифрови данни. Начинът, по който тези сензори работят, оказва значително влияние върху начина, по който се записват движещи се източници на светлина.
CCD сензорите традиционно заснемат изображения с помощта на глобален затвор. Това означава, че целият сензор е изложен на светлина едновременно. Всички пиксели се експонират и четат едновременно. Този метод избягва изкривяването на бързо движещи се обекти. CMOS сензорите, от друга страна, често използват ролетен затвор, което може да доведе до интересни визуални ефекти при улавяне на светлина.
🎞️ Ефектът Rolling Shutter
Ролетният затвор е метод за заснемане на изображение, при който сензорът не се експонира наведнъж. Вместо това сканира цялата сцена, обикновено отгоре надолу. Всеки ред от пиксели се експонира последователно. Тази последователна експозиция може да причини изкривяване при заснемане на движещи се обекти или източници на светлина.
Представете си кола, която се движи хоризонтално през вашето зрително поле. Докато камерата сканира отгоре надолу, колата се движи леко между експозицията на всеки ред от пиксели. Докато долната част на сензора е изложена, колата е променила позицията си. Това води до това, че автомобилът изглежда изкривен или изкривен в крайното изображение. Този ефект е особено забележим при бързо движещи се обекти или бързо променящи се източници на светлина. Колкото по-бързо се движи обектът спрямо скоростта на сканиране на сензора, толкова по-изразено ще бъде изкривяването.
Ефектът на подвижния затвор е по-често срещан при CMOS сензорите поради тяхната архитектура, която позволява по-високи скорости на четене. Въпреки че съществуват CMOS сензори с глобален затвор, те обикновено са по-скъпи и се намират в камери от по-висок клас. Повечето смартфони и много потребителски фотоапарати използват ролетни CMOS сензори.
⏱️ Скорост на сканиране и изкривяване
Скоростта на сканиране или скоростта на четене на сензор на камера е времето, необходимо на сензора да сканира и запише цял кадър. По-бавната скорост на сканиране означава, че има по-голямо забавяне между експозицията на горната и долната част на сензора. Това увеличено забавяне изостря ефекта на ролетната щора. Обратно, по-бързата скорост на сканиране намалява забавянето и свежда до минимум изкривяването.
Камерите от висок клас често могат да се похвалят с по-бързи скорости на отчитане на сензора, специално за борба с ефекта на подвижния затвор. Тези по-високи скорости позволяват на камерата да заснема движещи се обекти с по-голяма точност. Компромисът обаче може да бъде увеличен шум или намален динамичен обхват, в зависимост от дизайна на сензора.
Помислете за сценарий, при който заснемате въртящо се витло. При ниска скорост на сканиране лопатките на витлото може да изглеждат огънати или изкривени, защото са се преместили значително по време на сканирането на сензора. По-бързата скорост на сканиране ще улови лопатките на витлото с по-малко изкривяване, осигурявайки по-точно представяне на действителната им форма.
✨ Характеристики на източника на светлина
Характеристиките на самия източник на светлина също играят роля за възприеманото изкривяване. Ярки, интензивни източници на светлина, като фарове или LED знаци, е по-вероятно да проявят забележимо изкривяване поради тяхната концентрирана енергия. Бързите цикли на включване и изключване на някои източници на светлина, особено тези, които използват PWM (широчинно-импулсна модулация), може допълнително да усили ефекта.
PWM е техника, използвана за контролиране на яркостта на светодиодите чрез бързото им включване и изключване. Ако честотата на това превключване е близка до скоростта на сканиране на камерата, това може да създаде ленти или мигащи артефакти в изображението. Това е така, защото някои линии на сензора може да са изложени, когато светодиодът е включен, докато други са изложени, когато е изключен, което води до неравномерна яркост в изображението.
Освен това цветната температура и спектралното разпределение на светлинния източник могат да повлияят на начина, по който сензорът интерпретира и записва светлината. Някои цветове може да са по-податливи на изкривяване или артефакти в зависимост от чувствителността на сензора и алгоритмите за обработка.
⚙️ Настройки на камерата и техники за смекчаване
Въпреки че ефектът на подвижния затвор е присъщ на определени сензорни технологии, има няколко настройки и техники на камерата, които могат да помогнат за смекчаване на изкривяването на светлинните източници.
- Скорост на затвора: Използването на по-висока скорост на затвора намалява времето, през което сензорът е изложен на светлина, минимизирайки ефекта от движение по време на експозицията. Това може да помогне за замразяване на движението на светлинния източник и намаляване на изкривяването.
- Скорост на кадрите: Увеличаването на скоростта на кадрите (за видеозапис) също може да помогне, тъй като ефективно увеличава честотата на сканиране на сензора. По-високата честота на кадрите означава, че всеки кадър се заснема по-бързо, намалявайки времевия прозорец за поява на изкривяване.
- Синхронизация: В контролирани среди, синхронизирането на затвора на фотоапарата с честотата на светлинния източник може да елиминира трептенето или ивичните артефакти, причинени от ШИМ.
- Софтуерна корекция: Някои фотоапарати и софтуер за последваща обработка предлагат вградени инструменти за коригиране на изкривяването на затвора. Тези инструменти анализират изображението и се опитват да компенсират изкривяването или изкривяването, причинено от последователната експозиция.
Експериментирането с различни настройки на камерата и техники за последваща обработка може значително да подобри качеството на изображенията, заснети със сензори за ролетни затвори, особено когато се работи с движещи се източници на светлина.
📸 Глобални затворени камери
За приложения, при които изкривяването е неприемливо, решение предлагат камерите с глобални сензори на затвора. Както споменахме по-рано, глобалните сензори на затвора излагат целия сензор едновременно, елиминирайки ефекта на ролетния затвор. Това води до по-точно представяне на движещи се обекти и източници на светлина.
Камерите с глобален затвор обикновено се използват в приложения като машинно зрение, промишлена автоматизация и високоскоростна фотография, където точното време и минималното изкривяване са критични. Въпреки това, те обикновено са по-скъпи и може да имат ограничения по отношение на чувствителността или динамичния обхват в сравнение със сензорите за ролетни щори.
Изборът между ролетен затвор и камера с глобален затвор зависи от конкретното приложение и компромисите между цена, производителност и качество на изображението.
🧪 Напредък в сензорната технология
Текущият напредък в сензорната технология непрекъснато подобрява работата както на сензорите за ролетни щори, така и на глобалните сензори за щори. Производителите разработват нови дизайни на сензори и алгоритми за обработка, за да минимизират изкривяването, да увеличат чувствителността и да подобрят качеството на изображението.
За сензорите за ролетни щори техники като HDR (висок динамичен обхват) линия по линия и подобрени скорости на четене помагат за намаляване на ефекта на ролетни щори и подобряване на динамичния обхват. За глобалните сензори за затвори се изследват нови материали и архитектури за увеличаване на чувствителността и намаляване на шума.
Тъй като сензорната технология продължава да се развива, можем да очакваме да видим допълнителни подобрения в точността и прецизността на цифровите изображения, дори когато заснемаме предизвикателни сцени с бързо движещи се обекти или бързо променящи се източници на светлина.
💡 Заключение
Изкривяването на източниците на светлина в изображенията на камерата се дължи главно на ефекта на подвижния затвор, следствие от метода на последователно експониране, използван в много CMOS сензори. Разбирането на механиката на сензорната технология, скоростта на сканиране и характеристиките на светлинните източници може да помогне на фотографите да смекчат този ефект и да заснемат по-точни изображения. Докато камерите с глобален затвор предлагат решение за приложения, при които изкривяването е неприемливо, напредъкът в сензорната технология непрекъснато подобрява работата на сензорите за ролетни затвори. Като разбират ограниченията и възможностите на своите сензори на камерата, фотографите могат да вземат информирани решения и да заснемат зашеметяващи изображения в различни трудни ситуации.
❓ ЧЗВ – Често задавани въпроси
Огъването или изкривяването на автомобилните фарове на снимките често се дължи на ефекта на ролката. Това се случва, когато сензорът на камерата заснема различни части от изображението в малко по-различно време, което кара движещи се обекти или източници на светлина да изглеждат изкривени или изкривени.
Ролетният затвор е вид заснемане на изображение, при което сензорът сканира сцената последователно, обикновено отгоре надолу. Това означава, че различни части от изображението са експонирани по различно време, което може да доведе до изкривяване при заснемане на движещи се обекти или източници на светлина.
Глобалният затвор е вид заснемане на изображение, при което целият сензор е изложен на светлина едновременно. Това елиминира ефекта на ролката и позволява по-точно улавяне на движещи се обекти и източници на светлина.
Можете да намалите изкривяването, като използвате по-висока скорост на затвора, увеличите кадровата честота (за видео) или използвате камера с глобален затвор. Някои фотоапарати и софтуер също предлагат вградени инструменти за коригиране на изкривяването на затвора.
Ярки, интензивни източници на светлина, като фарове или LED знаци, е по-вероятно да проявят забележимо изкривяване поради тяхната концентрирана енергия. Освен това източниците на светлина, които използват PWM (широчинно-импулсна модулация), могат да създадат артефакти на ивици или трептене, ако честотата на превключване е близка до скоростта на сканиране на камерата.
