Науката за камерата Rolling Shutter и нейните ограничения

Разбиране на основите на Rolling Shutter

За разлика от глобалния затвор, който улавя цялото изображение наведнъж, ролетният затвор сканира изображението последователно, обикновено отгоре надолу. Този процес на сканиране отнема ограничено време, известно като време за четене. През това време обектът или самата камера може да се движат, което да доведе до изкривявания в крайното изображение.

Ядрото на проблема се крие в последователното отчитане на сензора за изображения. Вместо да се експонира целият сензор едновременно, всеки ред от пиксели се експонира и се прочита един след друг. Това създава времева разлика между горната и долната част на изображението, причинявайки изкривяванията, свързани с ролетния затвор.

CMOS сензорите, широко използвани в смартфони, DSLR фотоапарати и много видеокамери, често се свързват с ефектите на ролката поради тяхната рентабилност и ефикасност. Камерите от висок клас обаче често използват глобални затвори, за да избегнат тези изкривявания, макар и на по-висока цена и сложност.

Как работи Rolling Shutter

Процесът на заснемане на изображение с ролетен затвор може да бъде разделен на следните стъпки:

• Първият ред от пиксели на сензора е изложен на светлина.
• След това този ред се прочита и данните се съхраняват.
• Процесът се повтаря за всеки следващ ред от пиксели, докато целият сензор бъде сканиран.

Това последователно сканиране въвежда забавяне във времето между заснемането на първия ред и последния. Ако камерата или обектът се движат по време на това време за четене, полученото изображение ще бъде изкривено. Тежестта на изкривяването зависи от скоростта на четене и скоростта на движение.

По-бързите скорости на четене могат да сведат до минимум ефекта на ролетния затвор, но също така изискват повече процесорна мощност и могат да увеличат нивата на шум. Следователно производителите на фотоапарати трябва да намерят баланс между минимизиране на изкривяването и поддържане на качеството на изображението.

Често срещани ефекти на Rolling Shutter

Няколко различни визуални артефакта са свързани с ролетната щора:

• Ефект на трептене или желе: Това се случва, когато камерата се завърта или вибрира бързо. Изглежда, че вертикалните линии се огъват или се клатят, придавайки на изображението вид на „желе“.
• Изкривяване: Бързо движещите се обекти изглеждат наклонени или изкривени. Например, лопатките на въртящо се витло може да изглеждат огънати.
• Частична експозиция: При много бързо движещи се обекти или светлинни светлини, части от изображението може да са преекспонирани или недоекспонирани поради последователната експозиция.

Тези ефекти са по-изразени при заснемане на бързо движещи се обекти или когато камерата е подложена на бързи движения. Разбирането на тези артефакти помага за идентифициране и смекчаване на въздействието на ролетните щори.

Ефектът на желето е особено забележим при заснемане от ръка или при заснемане от движещи се превозни средства. Изкривяването обикновено се наблюдава при заснемане на бързо въртящи се обекти, като витла или колела.

Фактори, влияещи върху ролетните щори

Няколко фактора могат да влошат или смекчат ефекта на ролетните щори:

• Скорост на четене на сензора: По-бързите скорости на четене намаляват разликата във времето между горната и долната част на изображението, минимизирайки изкривяването.
• Движение на камерата: Бързото панорамиране, накланяне или вибрации усилват ефекта на подвижния затвор.
• Скорост на обекта: По-бързо движещите се обекти е по-вероятно да проявят артефакти на подвижния затвор.
• Фокусно разстояние: По-големите фокусни разстояния могат да увеличат ефекта на ролетния затвор.

Оптимизирането на тези фактори може да помогне за минимизиране на въздействието на ролетния затвор върху видеозаписите. Използването на камера с по-висока скорост на отчитане на сензора често е най-ефективното решение, но това може да не винаги е възможно.

Стабилизирането на камерата чрез използване на статив или технология за стабилизиране на изображението също може значително да намали ефекта на желето. Забавянето на движенията на камерата и използването на по-къси фокусни разстояния са други стратегии, които трябва да обмислите.

Global Shutter срещу Rolling Shutter

Глобалният затвор излага на показ целия сензор едновременно, елиминирайки забавянето във времето, присъщо на ролетните щори. Това води до по-точно представяне на движението, без изкривявания, свързани с ролетния затвор.

Глобалните затвори обикновено се срещат в камери от висок клас и специализирани приложения, където точното улавяне на движение е от решаващо значение. Те обаче са по-скъпи и могат да страдат от други ограничения, като по-ниска светлочувствителност и повишен шум.

Изборът между глобална и ролетна врата зависи от конкретните изисквания на приложението. За ситуации, в които точното улавяне на движение е от първостепенно значение, глобалният затвор е предпочитаният избор. Въпреки това, за много приложения с общо предназначение, рентабилността и ефективността на сензорите за ролетни щори ги правят жизнеспособна опция.

Намаляване на ефектите на ролетните щори

Въпреки че е невъзможно напълно да се елиминират ефектите на ролетния затвор с камери, които използват тази технология, няколко техники могат да помогнат за минимизиране на тяхното въздействие:

• Използвайте статив или стабилизатор: Стабилизирането на камерата намалява нежеланото движение и минимизира ефекта на желето.
• Намалете скоростта на панорамиране: По-бавните скорости на панорамиране дават на сензора повече време за сканиране на изображението, намалявайки изкривяването.
• Използвайте по-широк обектив: По-широките лещи намаляват увеличението на артефактите на затвора.
• Софтуерна корекция: Някои софтуери за редактиране на видео включват инструменти за коригиране на изкривяването на ролетния капак в постпродукцията.

Софтуерът за постпродукция често може да коригира незначителни изкривявания, но винаги е по-добре ефектът да се минимизира по време на заснемане. Прекаленото разчитане на софтуерна корекция може да доведе до загуба на детайлност и цялостно качество на изображението.

Експериментирането с различни техники на заснемане и настройки на фотоапарата може да ви помогне да намерите оптималния баланс между минимизиране на подвижния затвор и постигане на желаната естетика.

Приложения, засегнати от Rolling Shutter

Ролетните щори могат значително да повлияят на различни приложения:

• Екшън Спорт: Заснемането на бързо движещи се спортисти или превозни средства може да доведе до изкривени изображения.
• Виртуална реалност (VR): В приложенията на VR ролетният затвор може да причини болест на движението поради несъответствието между визуалното въвеждане и възприеманото движение.
• Въздушна видеозаснемане: Дроновете са податливи на вибрации и бързи движения, което ги прави податливи на артефакти на ролетни затвори.
• Машинно зрение: В индустриални приложения ролетните щори могат да компрометират точността на измерванията и проверките.

Разбирането на ограниченията на ролетния затвор е от решаващо значение за избора на подходяща камера и техники за снимане за тези приложения. В някои случаи може да е необходима камера с глобален затвор, за да се постигне желаното ниво на точност и качество на изображението.

За приложения, при които ролетните щори са неизбежни, внимателното планиране и корекцията след производството могат да помогнат за смекчаване на тяхното въздействие.

Бъдещето на технологията на щорите

Напредъкът в сензорната технология непрекъснато подобрява работата на сензорите за ролетни щори. По-бързите скорости на четене и по-сложните алгоритми помагат за минимизиране на изкривяването и подобряване на качеството на изображението.

Изследователите също изследват нови сензорни архитектури, които съчетават предимствата както на глобалните, така и на ролетните щори. Тези хибридни дизайни имат за цел да осигурят точно улавяне на движение, като същевременно поддържат рентабилността и ефективността на CMOS сензорите.

Бъдещето на технологията на щорите вероятно ще включва комбинация от подобрен дизайн на ролетни щори и разработването на по-достъпни и ефективни глобални решения за щори. Това ще предостави на създателите на филми и видеооператорите по-широка гама от възможности за улавяне на движение с по-голяма точност и яснота.

Заключение

Rolling shutter е присъщо ограничение на много цифрови фотоапарати, особено тези, които използват CMOS сензори. Разбирането на науката зад ролетния затвор, неговите ефекти и факторите, които му влияят, е от решаващо значение за заснемането на висококачествено видео. Чрез използване на подходящи техники за снимане и корекция след продукцията е възможно да се смекчи въздействието на ролетния затвор и да се постигнат професионално изглеждащи резултати. С напредването на технологиите можем да очакваме по-нататъшни подобрения в производителността на ролетните щори и разработването на по-гъвкави технологии за щори.

Изборът между ролетна и глобална щора зависи до голяма степен от конкретното приложение и бюджет. Докато глобалните щори предлагат превъзходна производителност при улавяне на бързо движение, ролетните щори остават рентабилна и жизнеспособна опция за много сценарии. Непрекъснатият напредък в сензорната технология обещава допълнително да сведе до минимум недостатъците на ролетните щори в бъдеще.

ЧЗВ

Какво е ролетна щора и как се различава от глобалната щора?

Rolling shutter е метод за заснемане на изображение, при който сензорът се сканира последователно, обикновено отгоре надолу. Глобалният затвор улавя цялото изображение наведнъж, елиминирайки забавянето във времето, присъщо на ролетните щори.

Какви са често срещаните ефекти от ролетните щори?

Често срещаните ефекти включват желе ефект (клатене), изкривяване (накланяне) и частично излагане.

Какви фактори влияят върху тежестта на ефектите на ролетните щори?

Факторите включват скорост на отчитане на сензора, движение на камерата, скорост на обекта и фокусно разстояние.

Как мога да смекча ефектите на ролетните щори?

Използвайте статив или стабилизатор, намалете скоростта на панорамиране, използвайте по-широк обектив и приложете софтуерна корекция в постпродукцията.

В кои приложения ролетните врати са най-проблемни?

Това е най-проблематично при екшън спортове, виртуална реалност, въздушно видео и машинно зрение.

Има ли камери, които не използват ролетен затвор?

Да, фотоапаратите с глобални затвори улавят цялото изображение наведнъж, като избягват ефектите на подвижния затвор.

Ролетните щори винаги ли са нещо лошо?

Не е задължително. Въпреки че може да причини изкривявания, това често е рентабилно решение за много приложения и неговите ефекти могат да бъдат смекчени.

Може ли софтуерът напълно да поправи изкривяването на затвора?

Софтуерът може да коригира незначителни изкривявания, но винаги е по-добре да сведете до минимум ефекта по време на заснемане. Прекаленото разчитане на софтуер може да доведе до загуба на детайли.

Как размерът на сензора влияе върху ролетната врата?

По-големите сензори често изискват по-дълги времена за отчитане, което може да влоши ефекта на ролетните щори.

Какъв напредък се прави за подобряване на технологията на ролетните щори?

Напредъкът включва по-бързи скорости на четене, по-сложни алгоритми и разработването на хибридни сензорни архитектури.