Электронный затвор фотоаппарата что это
Понятие электронного затвора
Большинство понятий, характерных для классического (механического) фотоаппарата, перекочевало и в мир цифровых камер. Для того чтобы не усложнять жизнь простых обывателей, производители современных девайсов пошли по принципу сохранения, уже привычных и понятных, характеристик съемочного процесса. Выдержка («Shutter Speed»), чувствительность («ISO»), затвор («Shutter») и т.д. сейчас, по сути, это все электронные процессы.
В отличие от первых пленочных моделей фотоаппаратов, где затвор являлся механическим устройством, то сейчас практически всегда представлен электронной схемой, которая управляет процессом считывания информации с матрицы. Для простоты понимания условимся, что электронный затвор — это электронная схема, которая в течении определенного времени (выдержки) подает напряжение на матрицу, при этом все остальное время — матрица обесточена.
Виды электронных затворов
В зависимости от метода считывания информации с CMOS-матрицы, выделяют два вида электронных затворов: кадровый затвор (Global Shutter, глобальный затвор, технология общего/глобального экспонирования) и скользящий затвор (Rolling Shutter, технология построчного экспонирования)
При кадровом затворе изображение формируется мгновенно, точно так, как и при фотографировании, т.е. все пиксели матрицы, отведенные для работы, передают информацию одновременно. Время работы сенсора равно выдержке, которая устанавливается в фотоаппарате заранее.
При скользящем затворе конечное изображение строиться не мгновенным считыванием информации с матрицы, а последовательным ее сканированием. Т.е. информация с сенсора передается не вся сразу, а построчно — сверху вниз, при этом затвор как бы скользит по кадру. Опять же, понятие затвора здесь условно и не имеет никакого отношения к механической реализации.
Упрощенно работу электронных затворов можно представить следующим образом:
В камерах, оснащенных CMOS-матрицей возможно применение как скользящего, так и кадрового затворов, но в силу сложности реализации технологи «Global Shutter», в большинстве современных камер пока используется только «Rolling Shutter».
Проблемы скользящего затвора
В случае скользящего затвора во время съемки панорам или быстро движущихся объектов возникает проблема, так называемого, «запаздывания» изображения. Это означает, что к моменту, когда одна часть матрицы сформировала изображение, объект съемки сдвинулся, другая часть матрицы продолжает фиксировать сдвинутый объект. Вследствие чего, возможно появление таких артефактов:
Сравнение роллинг шаттера на камерах Canon EOS 5D и Canon EOS 7D
Решение проблем скользящего затвора
Первое, что можно посоветовать — избежать резких движений камеры. Для этого используйте различные средства стабилизации: штатив, риг, стедикам и т.д. Особенно губительной для DSLR-кадров является мелкая вибрация, вот наглядная демонстрация проблемы:
Если стабилизировать камеру невозможно или предполагается съемка быстро движущихся объектов, возможно стоит воспользоваться камерой оснащенной CCD-сенсором, или в которой реализована «Global Shutter»-технология.
Частично компенсировать искажение отснятого материала можно при помощи различных плагинов к вашей монтажке/композеру, например, вот этим или этим.
Майк Хьюз предлагает собственный рецепт борьбы со скользящим затвором:
NT1201: Цифровая фотография
Затвор фотоаппарата — это специальный механизм, который нужен для пропускания света на матрицу фотоаппарата в течение нужного промежутка времени (выдержки).
Конструкции затворов многочисленны и разнообразны. Наиболее распространен шторный затвор, состоящий из двух тканевых или металлических шторок, которые в момент съемки образуют между собой щель разной ширины (в зависимости от величины выдержки), которая “бежит” вдоль кадра, давая нужному количеству света попасть на матрицу.
Работа затвора пленочного фотоаппарата
Работа затвора цифрового фотоаппарата
Выдержка — это время, в течение которого матрица фотоаппарата подвергается воздействию света, проходящего через объектив.
Пример работы затвора фотоаппарата
Выдержка обозначается в секундах, при этом они обозначаются числом с двойным штрихом (») вместо десятичной запятой, символизирующим секунду (2»5, 0»8), либо, гораздо чаще, в долях секунды, причем указывется только знаменатель, а числитель принимается равным 1, то есть выдержка 60 означает время 1/60 секунды. Символ “В” (от английского слова “Bulb”) означает, что матрица фотоаппарата будет открыта для попадания света неограниченое время. Когда фотограф нажимает кнопку спуска, затвор открывается. Когда кнопка нажимается второй раз, затвор закрывается. С помощью этой функции можно получить выдержку в несколько часов, что может пригодиться при фотографировании звездного неба.
Электронный затвор
В первых пленочных фотоаппаратах затвор был механическим устройством. В современных цифровых камерах затвор выполнен в виде электронной схемы, которая управляет процессом считывания информации с матрицы. Для простоты понимания электронный затвор можно представить в виде специальной электронной схемы, которая в течение определенного времени (выдержки) подает напряжение на матрицу, при этом все остальное время матрица обесточена.
Электронным часто называют электронно управляемый механический затвор.
В зависимости от метода считывания информации с матрицы выделяют два вида электронных затворов: кадровый затвор (Global Shutter, глобальный затвор, картинка формируется полностью) и скользящий затвор (Rolling Shutter, технология построчного считывания).
При кадровом затворе цифровое изображение формируется мгновенно, так же как и при фотографировании, т.е. все пиксели матрицы, отведенные для работы, передают информацию одновременно. Время работы сенсора равно выдержке, которая устанавливается в фотоаппарате заранее.
При скользящем затворе цифровое изображение строится не мгновенным считыванием информации с матрицы, а последовательным ее сканированием. Т.е. информация с сенсора передается не вся сразу, а построчно — сверху вниз, при этом затвор как бы скользит по кадру. Опять же, понятие затвора здесь условно и не имеет никакого отношения к механической реализации.
Упрощенно работу электронных затворов можно показать на следующих картинках:
Применение электронного затвора позволяет достичь коротких выдержек без использования дорогостоящих высокоскоростных механических затворов.
Виды затворов фотоаппарата
Одним из основных механизмов цифровых фотоаппаратов является затвор, его функциональное предназначение – пропуск, при нажатии на кнопку, световых лучей к матрице, которая является светочувствительным элементом. Световые лучи пропускаются в течение определенного периода времени. Этот период времени, во время которого открывается затвор, носит название «выдержка». Особенностью цифровых аппаратов является установка затворов, которые могут закрываться и открываться с очень большой скоростью, благодаря этому время выдержки (засветки матрицы) регулируется с высокой точностью. Для специалистов очень важно, чтобы фотооборудование обладало такой точностью, а также большим диапазоном. При большой выдержке на матрицу попадает и большее количество света. Затвор современных цифровых фотоаппаратов, особенно для профессионального использования, может качественно управлять выдержкой. В тоже время этот элемент защищает матрицу от засветки, которая может происходить при считывании изображения, в самом начале экспозиции.
Виды затворов
Затворы могут иметь различия в своей конструкции, а также в принципе закрытия. По таким особенностям разделяют данные элементы на электронные и механические. В различных моделях цифровой фотоаппаратуры устанавливается электронный затвор, он встраивается непосредственно в сенсор камеры.
Электронный затвор
В нужный момент включает сенсор на прием светового потока, по команде процессора потом выключает его. Работой такого затвора управляет процессор фотоаппарата, его электронное оборудование. При использовании такого электронного элемента на матрицу световой поток попадает постоянно, благодаря этому изображение с матрицы передается на ЖК-дисплей цифрового аппарата. Считывается такое изображение за определенное время, которое длится между обнулением матрицы и моментом, когда считывается электронная информация. Это время и составляет величину выдержки, которой характеризуется фотоаппарат. Благодаря электронным затворам фотограф может использовать короткие выдержки, даже до 1/15000с. Работа электронного затвора отличается отсутствием шума и вибрации. Единственное, при использовании такого затвора можно наблюдать и низкое качество изображения, так как чтение ячеек матрицы происходит последовательно. Для того чтобы избежать искажения изображения, таких неприятных эффектов, как ореол, блюминг, профессиональное фотооборудование обеспечивается еще и механическим затвором.
Механический затвор
Обеспечивает дополнительную защиту матрицы от попадания мелкой грязи и пыли. Он также выполняет и такую важную функцию, как дозирование попадания света на светочувствительный элемент фотоаппарата, то есть на матрицу. Благодаря механическому затвору дорогостоящая матрица сохраняет свои высокие технические качества. Для такого затвора характерен определенный срок службы.
Механические затворы также подразделяются на две группы – шторные и центральные.
Центральный затвор
Представляет конструкцию из тонких пластинок (лепестков), открывающихся к краям и закрывающихся в обратном направлении, поэтому световой поток распределяется равномерно. Он устанавливается между линзами объектива. Наибольшую ценность для профессионалов имеют те затворы, в которых заслонки открываются очень быстро.
Шторные затворы
Обладают более высокой скоростью и большей моментальной выдержкой. В конструкции шторного затвора используются две части (шторки), которые между собой разделяются щелью. В нее проникает из объектива световой поток. Когда срабатывает щелевой затвор, его первая шторка открывает кадровое окно, вторая закрывает. От ширины щели, которая образовывается между шторками, зависит величина выдержки. Принцип действия шторного затвора, при котором перемещаются шторки, может привести к искажению некоторых объектов снимка. Но данный затвор обеспечивает обработку коротких выдержек и имеет высокий коэффициент действия.
Электронно-оптический затвор
В цифровых фотоаппаратах может использоваться еще и электронно-оптический затвор, который представляет собой жидкий кристалл, расположенный между двумя поляризованными пластинами. Через этот кристалл протекает световой поток, потом он попадает на оптический преобразователь.
Затвор является важным элементом работы любого фотооборудования. Основной принцип работы любого вида затворов – это открытие во время фотографирования, пропуск световых лучей. Когда световой поток попадает на светочувствительный элемент, производится экспонирование кадра. Следующий этап – закрытие затвора, что позволяет приступить к следующему снимку. Затвор играет очень важную роль в конструкции фотоаппарата. О сайте fotomtv.
Механический затвор
Эта статья – продолжение цикла статей о вопросах, поднятых ранее в статьях ‘Шум затвора‘ и ‘Недостатки современных DSLR камер‘.
В современных цифровых камерах используются фокальные затворы шторно-щелевого типа с вертикальным ходом шторок. Это означает, что такой затвор расположен сразу перед матрицей фотоаппарата, состоит из шторок, которые двигаются вертикально (обычно сверху-вниз и обратно).
Ниже наглядно показано, как происходит спуск затвора:
Видео 1.
Обратите внимание на то, как сильно трясет зеркало после его подъема и возврата, а также на то, как чудовищно содрогаются шторки затвора. На видео видно, что шторки затвора состоят из нескольких частей (так называемые ламели или ‘жалюзи’).
Видео 2.
На этом видео можно заметить щель, которая формируется во время движения шторок затвора.
Видео 3.
Полноформатная камера и кропнутая камера.
Видео 4.
Трясет не только зеркало и жалюзи затвора, но и лепестки диафрагмы.
И немножко рассуждений насчет затвора, на примере камеры Nikon D80.
Выдержка синхронизации этой камеры составляет 1/200 секунды. Это означает, что именно такой промежуток времени нужно шторкам затвора для прохождения расстояния, равного высоте матрицы.
Если нужно проводить съемку на выдержках длиннее или равной выдержке синхронизации, то затвор будет работать следующим образом:
На таких выдержках легко синхронизировать вспышку и работу затвора. Обычно вспышка срабатывает после первой шторки (как только затвор полностью открывает матрицу), либо перед началом движения второй шторки (перед закрытием затвора). Например, импульс моей вспышки Nikon SB-910 имеет длительность от 1\800 с до 1\40.000 с в зависимости от мощности. Во время срабатывания вспышки матрица камеры полностью открыта и нет никаких проблем с синхронизацией.
Если нужно проводить съемку на выдержках короче выдержки синхронизации, то затвор будет работать следующим образом:
На таких выдержках синхронизировать работу вспышки с затвором сложно. Если вспышка сработает только в какой-то определенный момент, то на снимке мы получим полосу, которая формируется щелью затвора. Чтобы обойти такое ограничение, применяют вспышки с высокоскоростной синхронизацией, которые “светят” все время движения обеих шторок, для избежания появления полос.
Интересно, но если мы проводим съемку на 1/60 секунды, то на самом деле затвору требуется куда больше времени на свою работу. Так, тратится 1/60 с на спуск первой шторки и ожидание второй, 1/200 с на движение второй шторки и как минимум еще 1/200 с на подъем обеих шторок в изначальное положение (идеальный случай, в реальности времени нужно больше). Итого 1/60 + 1/200 + 1/200 = 2/75 с. Если убрать ограничения на работу зеркала, диафрагмы и процессора камеры, то за одну секунду при идеальных условиях можно будет снять не больше 38 кадров, и это является механическим ограничением серийной съемки.
В то же время, камеры, использующие электронный затвор, которому не нужно тратить время на движения шторок, уже сейчас без проблем позволяет снимать со скоростью 60 кадров в секунду в режиме фото (в качестве примера посмотрите на Nikon 1 J1). Только представьте себе, как полезно было бы для фоторепортеров и фотографов снимающих спорт, фотографировать определенные события с такой огромной скоростью. Для примера, самая быстрая зеркальная камера на 2014 год – Canon 1DX, снимает максимум со скоростью 14 кадров в секунду, что в 4 раза ниже чем 60 к/с у некоторых беззеркальных камер с электронным затвором. Вот только беда, что современные камеры с электронным затвором имеют свои недостатки, например страдают ‘rolling shutter’ и т.д. и пока остается только мечтать про электронный затвор, обладающий положительными качествами механического затвора и огромной скоростью съемки.
Кстати, “реальную” скорость движения шторок затвора легко посчитать. Высота матрица Nikon D80 составляет 15,8 мм, шторка проходит это расстояние за 1/200 секунды, а ее скорость составляет 3,16 м/с или 11,38 км/ч, что совсем немного 🙂
Спасибо за внимание. Аркадий Шаповал.
Мои эксперименты в области фотосъемки, статьи по фототехнике и оптике
Плюсы и минусы электронного затвора фотокамер
В современных фотокамерах часто имеется два затвора — механический и электронный. Электронный позволяет снимать с очень короткой выдержкой, так что почему бы производителю не оставить только электронный затвор.
Плюсы
1. Бесшумная работа т.к. вся работа идёт по считыванию сигнала, нет физически движущихся частей.
2. Высокая скорость съемки. Зависит только от скорости считывания с матрицы и может в будущем быть сколь угодно большой. Механический затвор ограничен возможностями механики, при высоких скоростях быстрее выходит из строя, потому выдержку короче 1/8000 сек обычно не делают (были раньше опыты с 1/16000 sec и они таких значений отказались)
3. Не создаёт вибраций камеры. Нет движущихся механизмов — не сотрясает камеру. Механический же может создавать микросмазы, там физически ходят две металлические шторки.
Минусы
1. Дело в том, что считывание с матрицы в случае электронного затвора происходит постепенно, по строкам и пока не считается всё изображение — картинка будет передаваться по частям на обработку. Если при этом происходило движение в кадре или двигалась сама камера, то картинка может оказаться искажённой.
2. По той же причине при съемке «с проводкой» изображение может наклоняться. Этот эффект называется «роллинг-шаттер» и хорошо известен тем кто снимает видео. Сейчас начинают внедрять «глобальный электронный затвор» где изображение считывается сразу целиком, тогда эффекта данного нет.
3. Снимок с электронным затвором больше подвержен влиянию мерцания освежения (flicker). Снимок может быть неравномерно освещен.
4. Съемка со вспышкой с меньшей скоростью синхронизации, часто характеризуется неравномерной освещенностью кадра. На некоторых камерах при выборе в меню электронного затвора вспышка автоматически становится неактивной.
5. Электронный затвор может вызывать явление блюминга на ярких источниках света в кадре. Например, Солнце может «растекаться» в стороны.