Чому датчик вашої камери вловлює спотворені джерела світла

💡 Розуміння датчиків камери

В основі кожної цифрової камери лежить датчик зображення, компонент, який відповідає за перетворення світла в електричний сигнал, який камера може обробляти та зберігати як зображення. Є два основних типи датчиків зображення: CCD (пристрій із зарядовим зв’язком) і CMOS (комплементарний металооксид-напівпровідник). Кожен тип має свій власний метод захоплення світла та перетворення його в цифрові дані. Те, як ці датчики працюють, суттєво впливає на запис рухомих джерел світла.

ПЗЗ-сенсори традиційно знімали зображення за допомогою глобального затвора. Це означає, що весь датчик піддається дії світла одночасно. Усі пікселі експонуються та зчитуються одночасно. Цей метод дозволяє уникнути спотворення об’єктів, що швидко рухаються. З іншого боку, сенсори CMOS часто використовують рухомий затвор, що може призвести до цікавих візуальних ефектів під час захоплення світла.

🎞️ Ефект рухомих затворів

Рулонний затвор – це метод захоплення зображення, коли сенсор не експонується весь одразу. Замість цього він сканує всю сцену, зазвичай зверху вниз. Кожен рядок пікселів експонується послідовно. Ця послідовна експозиція може спричинити спотворення під час зйомки рухомих об’єктів або джерел світла.

Уявіть, що автомобіль рухається горизонтально в полі вашого зору. Коли камера сканує зверху вниз, автомобіль трохи зміщується між експозицією кожного рядка пікселів. Коли нижня частина датчика відкрита, автомобіль змінив положення. Це призводить до того, що остаточне зображення автомобіля виглядає перекошеним або спотвореним. Цей ефект особливо помітний на об’єктах, що швидко рухаються, або джерелах світла, що швидко змінюються. Чим швидше об’єкт рухається відносно швидкості сканування датчика, тим більш вираженим буде спотворення.

Ефект рухомого затвора більш поширений у датчиках CMOS завдяки їхній архітектурі, яка забезпечує більшу швидкість зчитування. Хоча CMOS-сенсори глобального затвора існують, вони, як правило, дорожчі та зустрічаються в камерах вищого класу. Більшість смартфонів і багато камер споживчого класу використовують датчики CMOS з рухомими затворами.

⏱️ Швидкість сканування та спотворення

Швидкість сканування або швидкість зчитування датчика камери – це час, потрібний датчику для сканування та запису всього кадру. Нижча швидкість сканування означає більшу затримку між експозицією верхньої та нижньої частин сенсора. Ця збільшена затримка посилює ефект рухомих затворів. І навпаки, більша швидкість сканування зменшує затримку та мінімізує спотворення.

Камери високого класу часто можуть похвалитися вищою швидкістю зчитування датчиків, спеціально для боротьби з ефектом рухомого затвора. Ці вищі швидкості дозволяють камері знімати рухомі об’єкти з більшою точністю. Компромісом, однак, може бути збільшення шуму або зменшення динамічного діапазону, залежно від конструкції датчика.

Розглянемо сценарій, де ви знімаєте обертовий гвинт. При повільній швидкості сканування лопаті гвинта можуть виглядати зігнутими або деформованими, оскільки вони значно перемістилися під час сканування датчика. Швидша швидкість сканування захопить лопаті гвинта з меншими спотвореннями, забезпечуючи більш точне представлення їх фактичної форми.

✨ Характеристики джерела світла

Характеристики самого джерела світла також відіграють важливу роль у спотворенні, яке сприймається. Яскраві, інтенсивні джерела світла, такі як фари або світлодіодні вивіски, швидше за все, виявлятимуть помітні спотворення через свою концентровану енергію. Швидке вмикання та вимикання деяких джерел світла, особливо тих, що використовують ШІМ (широтно-імпульсну модуляцію), може ще більше посилити ефект.

ШІМ – це техніка, яка використовується для керування яскравістю світлодіодів шляхом їх швидкого вмикання та вимикання. Якщо частота цього перемикання близька до швидкості сканування камери, це може створити смуги або миготливі артефакти на зображенні. Це пояснюється тим, що деякі лінії датчика можуть бути відкриті, коли світлодіод увімкнено, а інші – коли він вимкнений, що призводить до нерівномірної яскравості зображення.

Крім того, колірна температура та спектральний розподіл джерела світла можуть впливати на те, як датчик інтерпретує та записує світло. Певні кольори можуть бути більш схильними до спотворення або артефактів залежно від чутливості сенсора та алгоритмів обробки.

⚙️ Налаштування камери та методи пом’якшення

Незважаючи на те, що ефект рухомої шторки властивий певним сенсорним технологіям, існує кілька налаштувань камери та методів, які можуть допомогти зменшити спотворення джерел світла.

• Швидкість затвора: використання більшої швидкості затвора зменшує кількість часу, протягом якого датчик піддається впливу світла, мінімізуючи ефект руху під час експозиції. Це може допомогти заморозити рух джерела світла та зменшити спотворення.
• Частота кадрів: збільшення частоти кадрів (для запису відео) також може допомогти, оскільки це ефективно збільшує частоту сканування датчика. Вища частота кадрів означає, що кожен кадр знімається швидше, зменшуючи часове вікно для виникнення спотворень.
• Синхронізація: у контрольованому середовищі синхронізація затвора камери з частотою джерела світла може усунути мерехтіння або артефакти смуг, спричинені ШІМ.
• Програмне виправлення: деякі камери та програмне забезпечення для постобробки пропонують вбудовані інструменти для виправлення спотворень із рухомим затвором. Ці інструменти аналізують зображення та намагаються компенсувати перекіс або деформацію, спричинені послідовним експонуванням.

Експериментування з різними налаштуваннями камери та методами постобробки може значно покращити якість зображень, отриманих за допомогою датчиків рухомих затворів, особливо при роботі з рухомими джерелами світла.

📸 Глобальні затворні камери

Для застосувань, де спотворення є неприпустимим, камери з датчиками глобального затвора пропонують рішення. Як згадувалося раніше, глобальні датчики затвора видають весь датчик одночасно, усуваючи ефект рухомих затворів. Це призводить до більш точного представлення рухомих об’єктів і джерел світла.

Глобальні затворні камери зазвичай використовуються в таких програмах, як машинне зір, промислова автоматизація та високошвидкісна фотографія, де точний час і мінімальне спотворення є критичними. Однак вони зазвичай дорожчі та можуть мати обмеження щодо чутливості або динамічного діапазону порівняно з датчиками рольставень.

Вибір між камерою з рухомим затвором і камерою з глобальним затвором залежить від конкретного застосування та компромісу між вартістю, продуктивністю та якістю зображення.

🧪 Удосконалення сенсорних технологій

Постійний прогрес у сенсорних технологіях постійно покращує продуктивність як рулонних, так і глобальних датчиків віконниць. Виробники розробляють нові конструкції датчиків і алгоритми обробки, щоб мінімізувати спотворення, підвищити чутливість і покращити якість зображення.

Для датчиків рольставень такі методи, як построковий HDR (розширений динамічний діапазон) і покращена швидкість зчитування, допомагають зменшити ефект рухомих шторок і покращити динамічний діапазон. Для глобальних датчиків затвора досліджуються нові матеріали та архітектури для підвищення чутливості та зменшення шуму.

Оскільки сенсорна технологія продовжує розвиватися, ми можемо очікувати подальших покращень у точності та достовірності цифрових зображень, навіть під час зйомки складних сцен із об’єктами, що швидко рухаються, або джерелами світла, що швидко змінюються.

💡 Висновок

Спотворення джерел світла на зображеннях камери пов’язане насамперед із ефектом рухомого затвора, що є наслідком методу послідовної експозиції, який використовується в багатьох сенсорах CMOS. Розуміння механіки сенсорної технології, швидкості сканування та характеристик джерел світла може допомогти фотографам пом’якшити цей ефект і отримати точніші зображення. У той час як глобальні затворні камери пропонують рішення для застосувань, де спотворення є неприйнятними, прогрес у сенсорних технологіях постійно покращує продуктивність датчиків рухомих затворів. Розуміючи обмеження та можливості датчиків камери, фотографи можуть приймати обґрунтовані рішення та робити приголомшливі зображення в різноманітних складних ситуаціях.

❓ FAQ – Часті запитання