شاتر الکترونیکی دوربین

بررسی روش های اسکن سنسور در شاتر های الکترونیکی Rolling Shutter  و Global Shutter

بسیاری از اوقات هنگامی که در حال تصویربرداری توسط دوربین های دیجیتالی و DSLR ها هستیم بویژه هنگامی که دوربین حرکت می کند و یا سوژه ای به سرعت از مقابل دوربین عبور می کند شاهد کج شدن و مورب شدن خطوط عمودی در آنها می شویم که در این مقاله سعی داریم ضمن بررسی علل پیدایش آن راه حل هایی را برای برطرف نمودن آن ارائه دهیم.

سنسورهای دوربین های دیجیتالی برای اسکن تصاویر خود از دور روش Rolling shutter و Global shutter  استفاده می کنند که هریک را جدا گانه شرح می دهیم و به مقایسه آن ها می پردازیم:

1) Rolling shutter(شاتر الکترونیکی دوربین ):

بسیاری از دوربین های دیجیتال و دوربین های دیجیتال سینمایی که از شاترالکترونیکی بهره می برند با این روش به اسکن سطح سنسور می پردازند که در آن کلیه اطلاعات قبل از آن که آماده ی نوردهی فریم بعدی شود به صورت سطر به سطر از روی سطح سنسور خوانده می شود.در این روش در صورتی که دوربین ویا سوژه حرکتی سریع داشته باشند خطوط عمودی درون تصویر به صورت مورب ثبت می شوند که این موجب جلوه ای ناخوشایند در تصاویر متحرک می شود.

بسیاری از دوربین های دیجیتالی که از سنسورهای نوع CMOS  استفاده می کنند دارای این اعوجاج می باشند . البته گفتن این نکته ضروری به نظر می رسد که این نوع سنسور عامل بروز این پدیده نیست و نحوه اسکن سنسور دلیل اصلی برای این اعوجاج می باشد به طور مثال بسیاری از دوربین های دیجیتال سینمایی از جمله sony pmw-F55،Black Magic Design ،Ursa4k,Ursa mini 4k  اگرچه دارای سنسور از نوع CMOS می باشند ولی ازاین روش برای اسکن تصاویر استفاده نمی کنند واسکن تصاویر را با روش Global Shutter انجام می دهند.

بسیاری از برندهای مشهور در ساخت دوربین های تصویربرداری سینمایی همچون ARRI,RED با به حداقل رساندن زمان اسکن خطوط برروی سنسور موفق به کاهش اثرات این نوع از اعوجاج در تصویر شده اند که در نمودار زیر چند مدل از دوربین های دیجیتالی به لحاظ مدت زمان اسکن خطوط مقایسه شده اند.

به عقیده بسیاری از فیلمسازان بهره گیری از این نوع سنسورها که در آن ها سرعت اسکن خطوط کاهش یافته سبب شده تا تصاویر جلوه ای سینماگونه به خود بگیرند.

در دوربین هایی که دارای نرخ فریم فوق العاده بالایی می باشند همچون دوربین دیجیتال سینمایی Phantom نیز از روش اسکن رولینگ شاتر بهره گرفته شده که برای کاهش اعوجاج تصویر در آن اسکن خطوط بازمان یک میلی ثانیه صورت می گیرد که در مقایسه با اعداد ذکر شده در نمودار فوق کاملا خیره کننده می باشد.

باید به این نکته نیز اشاره نماییم دو عامل ابعاد سنسور و رزولوشن آن می تواند زمان اسکن خطوط را افزایش دهد که این سبب تشدید اعوجاج مذکور میشود به عنوان نمونه دوربین کانن5D به لحاظ بهره گیری از یک سنسور فول فریم و نیز استفاده از روش رولینگ شاتر برای اسکن تصاویر دارای این اعوجاج به صورت مشهود در تصاویر خود می باشد و تکان های دوربین باعث ثبت تصاویر و سوژه ها به اصطلاح ژله ای می شود.

اما لازم می دانم که به دوربین هایی نظیر ARRI ALEXA/ALEXA mini/ AMIRA اشاره کنم که به دلیل سرعت بالا در اسکن خطوط با این که از سنسورهای بزرگ و حتی از نوع CMOS استفاده می کنند اما اثر رولینگ شاتر در تصاویر آنها به سختی مشاهده میشود.

به طور کلی اثر رولینگ شاتر را می توان بیشتردر تصاویری از سوژه های چرخان ونیز سوژه هایی که به صورت افقی واز مقابل دوربین حرکت می کنند مشاهده کرد که برخی اوقات ممکن است سبب تغییر شدید شکل ظاهری آنها شود.

2)Global Shutter(شاتر الکترونیکی دوربین ):

این روش که به روش شاتر یکپارچه نیز معروف است به این گونه عمل می نماید که خواندن اطلاعات از کلیه سطرهای سنسور به صورت یکپارچه و همزمان صورت می گیرد وبعد از آن آماده خواندن اطلاعات نوردهی و فریم بعدی می شود.

در این نوع از اسکن کلیه خطوط عمودی موجود درسوژه های موجود در  صحنه از آنجا که به صورت یک دفعه خوانده می شود به صورت صاف و منطبق با واقعیت ثبت می شود.و اثری از اعوجاج در آن دیده نمی شود.

هنگامی که بین روش رولینگ شاتر و گلوبال شاتر مقایسه ای انجام می دهیم نتایج جالبی آشکار می شود از جمله آن که سنسور با روش رولینگ شاتر دارای نویز کمتر ، دامنه پویایی یا داینامیک رنج گسترده تر و نیز تولید حرارت کمتر می باشد واگر سنسورهای گلوبال شاتر بخواهند دارای این ویژگی باشند قیمت ساخت و تولید آنها به طرز چشمگیری افزایش می یابدو این مزیت ها و قیمت پایین سنسورهای رولینگ شاتر منجر به استفاده وسیع آنها در دوربین های تصویربرداری گردیده است.

حال سوال این است که با این اعوجاج رولینگ شاتر ناشی از شاتر الکترونیکی در تصاویر چگونه کنار بیاییم و راه حل کنترل و کاهش آن چیست؟

خیلی ساده حال که متوجه شدیم دوربین ما مستعد تولید این اعوجاج است می توانیم در انتخاب نما ها و تصویربرداری از سوژه هایی  که سبب بروز این اعوجاج می شوند دقت بیشتری نماییم ولی اگر چاره ای جز ثبت آنها نداشتیم سه راه زیر برای کاهش این اثرات در تصویر توصیه می شود.

اول اینکه می توانیم برای ثبت سوژه های متحرک درون صحنه از سرعت های شاتر پایین تر استفاده کنیم که این امر موجب محوی درآنها می شودو اثر رولینگ شاتر را تا حدودی کاهش می دهد.دوم این که در صورت استفاده از دوربین روی دست و برای جلوگیری ازاحتمال بروز لرزش در تصاویر و اصطلاحا ژله ای شدن آن می توانیم از لنز های تثبیت کننده تصاویر Stablizer ویا از ابزارهای حرکتی لرزش گیر همچون استدی کم ها استفاده نماییم.

درنهایت اگر بازهم شاهد پدیده رولینگ شاتر در تصاویر بودیم می توانیم با استفاده از نرم افزارهای ویرایش تصویر نظیر افترافکت و استفاده از افکت Rolling shutter در آن تا حدودی نیز این اعوجاج را کاهش دهیم البته لازم به توضیح است که در برخی موارد حذف کامل این پدیده امکان پذیر نمی باشد.

به عنوان توصیه آخر پیشنهاد می کنم اگر قرار است از صحنه های پرتحرک و سوژه های متحرک به صورت مداوم در فیلم یا برنامه خود تصویربرداری نمایید و به هیچ عنوان نمی خواهید شاهد این پدیده در تصاویر خود باشیدبهتر است قبل از مرحله تصویربرداری اقدام به بررسی دوربین مناسب برای آن پروژه نمایید تا هم به لحاظ کیفیت تصاویر آسوده خاطر باشید و هم نیاز به صرف وقت در مرحله پس تولید نداشته باشید.