Rolling shutter a global shutter: rozdíly, které poznáte v praxi

Rolling shutter znamená, že snímač čte obraz postupně po řádcích, takže horní okraj fotografie vznikne o zlomek sekundy dřív než spodní. Global shutter zaznamená všechny pixely v jediném okamžiku. V praxi se rozdíl projeví třemi způsoby: zkosením rychle se pohybujících předmětů, pruhy pod blikajícím umělým světlem a omezeními při práci s bleskem.

Proč se snímač čte po řádcích

Běžný čip má zesilovač v každém pixelu, ale analogově-digitální převodníky jen po jednom na sloupec. Všechny řádky tedy nelze převést naráz a musí přijít na řadu jeden po druhém. Každý řádek se nejprve vynuluje, po uplynutí expozičního času se přečte a mezitím už běží expozice řádků pod ním. Podrobněji tuto stavbu popisuje článek o tom, jak funguje snímač CMOS.

Expoziční čas je pro všechny řádky stejný, liší se jen okamžik, kdy expozice začala. Doba mezi přečtením prvního a posledního řádku se nazývá doba vyčítání a právě ona určuje, jak silně se rolling shutter projeví. U vrstvených snímačů jde o několik milisekund, u běžných o desítky milisekund. S nastaveným časem závěrky nesouvisí: i při expozici 1/8000 s trvá průchod přes celý obraz stejně dlouho.

Zkosené svislice a vlnící se video

Pohne-li se během vyčítání motiv nebo fotoaparát, každý řádek zachytí scénu v trochu jiné poloze. Při vodorovném pohybu se svislé linie nakloní. Sloupy za oknem vlaku padají na stranu, projíždějící auto je zešikmené a jeho kola oválná. Golfová hůl ve švihu se prohne do oblouku a listy vrtule se rozpadnou na oddělené srpky, protože se stihnou pootočit mezi čtením sousedních řádků.

Ve videu se k tomu přidává vlnění. Drobné otřesy při chůzi posouvají každý řádek jinam a obraz se chvěje jako želé. Stabilizace tento jev nenapraví, protože posouvá snímek jako celek a nerovnoměrné zkreslení uvnitř něj srovnat neumí.

Za důležitější než rychlost samotného motivu považuji to, jak velkou část obrazu během vyčítání urazí. Pomalu jdoucí člověk zabraný zblízka teleobjektivem se zkosí víc než vzdálené auto, protože se v obrazovém poli posune o větší kus.

Pruhy pod zářivkami a LED

Umělé světlo napájené ze sítě s kmitočtem 50 Hz stokrát za sekundu zesílí a zeslábne. Zrak to nezaznamená, snímač ano. Při krátkém čase zachytí některé řádky světlo v maximu a jiné v minimu, a přes fotografii se táhnou vodorovné pruhy různého jasu, někdy i s barevným nádechem.

Pomáhá čas, který je násobkem periody blikání, tedy 1/100 s nebo 1/50 s. Každý řádek pak nasbírá celou vlnu světla a pruhy zmizí. V hale nebo tělocvičně bych proto zkusil nejdřív 1/100 s a ke kratším časům se vracel teprve tehdy, když na zmrazení pohybu nestačí. Řada fotoaparátů má i funkci potlačení blikání, která spoušť načasuje na vrchol jasu; zpravidla ale pracuje jen s mechanickou závěrkou. Velkoplošné LED obrazovky a reflektory se stmíváním blikají na mnohem vyšších kmitočtech, tam je třeba čas doladit po malých krocích podle náhledu.

Synchronizace blesku a mechanická závěrka

Záblesk trvá tisíciny sekundy i méně. Aby osvítil celý snímek, musí být v tu chvíli exponovány všechny řádky současně. Elektronická závěrka s postupným čtením to splní jen při delších časech, kdy poslední řádek začne expozici dřív, než ji první skončí. Většina fotoaparátů proto blesk s elektronickou závěrkou buď nepovolí, nebo jen s pomalým synchronizačním časem.

Štěrbinová mechanická závěrka pracuje také postupně. Dvě lamely přeběhnou přes snímač a při krátkých časech mezi nimi zůstává jen úzká mezera. Přeběh ale trvá jen několik milisekund, takže zkreslení pohybu je malé a nejkratší čas, při kterém je odkryté celé políčko, vychází kolem 1/200 až 1/250 s. To je známý synchronizační čas blesku. Mechanika má i své nevýhody: hluk, chvění při některých časech a postupné opotřebení.

Pro cokoli s bleskem tedy doporučuji mechanickou závěrku, pokud ji fotoaparát má. Tichý režim se hodí pro stálé světlo.

Co global shutter řeší a čím se za to platí

Snímač s globální závěrkou ukončí expozici ve všech pixelech najednou a náboj odloží do paměťového prvku vedle fotodiody. Odtud se hodnoty vyčítají postupně, na obraze se to však neprojeví, protože jsou už zmrazené. Mizí zkosení i želé, blesk se synchronizuje při libovolném čase a pruhy od blikajícího světla se nevytvoří, i když celý snímek může vyjít světlejší nebo tmavší podle toho, do které fáze blikání se expozice trefila.

Paměťový prvek ovšem zabírá místo, které jinak slouží fotodiodě. Pixel pojme méně náboje, a snímač tak má vyšší základní citlivost a o něco menší dynamický rozsah než srovnatelný čip s postupným čtením. V průmyslových a filmových kamerách se globální závěrka používá dlouho, do fotoaparátu s výměnnými objektivy a snímačem full frame se dostala až koncem roku 2023.

Podle mě dává global shutter smysl hlavně při sportu v halách a reportáži s bleskem, tedy tam, kde se potkává rychlý pohyb s umělým světlem. Pro krajinu ze stativu bych dal přednost většímu dynamickému rozsahu. A protože zkreslení závisí na době vyčítání a ne na rozměru čipu, nelze ho odhadnout z formátu; velikost snímače ovlivňuje jiné vlastnosti obrazu.

Jak je na tom váš fotoaparát, zjistíte za minutu. Zapněte elektronickou závěrku, namiřte na zárubeň dveří a při expozici přístrojem rychle švihněte do strany. Totéž zopakujte s mechanickou závěrkou a oba snímky porovnejte. Čím víc se svislá hrana na prvním z nich naklonila, tím opatrněji s tichým režimem zacházejte u všeho, co se hýbe.

Zdroje

• Sony Semiconductor Solutions – technická dokumentace k CMOS snímačům s globální závěrkou (Pregius)
• Canon – uživatelské příručky k fotoaparátům EOS R, kapitoly o elektronické závěrce a potlačení blikání
• Nikon – referenční příručky k fotoaparátům řady Z, kapitoly o typu závěrky a synchronizaci blesku
• DPReview – metodika měření doby vyčítání snímače