Rolling shutter: что это и когда он мешает

Быстро едущая машина может получиться резкой, но странно наклонённой. Теннисная ракетка — изогнутой, а ровные столбы за окном — падающими в одну сторону. Если объектив исправен и вы не пытались сделать художественную деформацию, скорее всего, перед вами rolling shutter.

Об этом эффекте часто вспоминают при выборе камеры для спорта и видео. Иногда настолько часто, что электронный затвор начинает казаться непригодным вообще ни для чего. На самом деле важны три вещи: как быстро камера формирует кадр, что движется в сцене и как движется сама камера. В спокойной съёмке ограничение может почти не проявляться, а в другом сюжете испортит геометрию даже при очень короткой выдержке.

Почему разные части кадра получаются разными

При обычном электронном затворе строки изображения фиксируются последовательно. Экспозиция одной строки уже закончилась, когда другая ещё только снимает свою часть сцены. Для неподвижного объекта разница во времени обычно несущественна: здание через несколько миллисекунд всё ещё стоит на том же месте.

Если объект быстро перемещается, камера получает его части в разных положениях. Представьте вертикальную стойку, которую снимают во время резкого поворота камеры. Пока сенсор последовательно формирует изображение, стойка успевает сместиться относительно кадра. В итоге верх и низ оказываются записаны с разным смещением, и прямая линия наклоняется.

То же происходит при движении самого объекта. Ракетка или пропеллер успевают изменить положение, пока формируется весь кадр. Деформация зависит от направления и скорости движения, ориентации камеры и порядка считывания. Поэтому одинаковая камера может показать почти нормальный объект в одном эпизоде и заметно исказить его в следующем.

При rolling shutter движущийся объект может выглядеть перекошенным даже при резких контурах. Искажение на этом примере смоделировано

Короткая выдержка не означает быстрое считывание

Это, пожалуй, главный источник путаницы. Выдержка показывает, как долго экспонируется каждая часть изображения. Время формирования всего кадра показывает, насколько далеко по времени разнесены его разные части. Эти интервалы не обязаны совпадать.

Возьмём условный сенсор, который проходит весь кадр за 1/100 с. Можно установить выдержку 1/2000 с: каждая строка будет экспонироваться очень коротко, но между началом съёмки разных участков всё равно останется временной сдвиг. Мяч получится с чётким контуром, однако его форма может быть неправильной. Цифры здесь приведены для объяснения принципа, а не как характеристика определённой камеры.

Даже при короткой выдержке верхние и нижние строки кадра фиксируются в разные моменты

Поэтому сокращение выдержки помогает против смаза движения, но само по себе не устраняет rolling shutter. Более того, деформация иногда становится заметнее именно на резком кадре: размытая ракетка просто выглядела неудачно, а теперь хорошо видно, что она согнулась.

Почему в видео бывает «желе»

В фотографии мы рассматриваем один результат. В видео деформация меняется от кадра к кадру вместе с движением камеры. При резком панорамировании вертикали наклоняются, а мелкие разнонаправленные колебания способны создать ощущение, будто изображение стало мягким и резиновым. Особенно неприятно это выглядит на архитектуре и других предметах, форму которых зритель хорошо знает.

Плавное ведение камеры уменьшает проблему, потому что сцена меньше смещается за время формирования кадра. Но штатив не решает всё автоматически. Он убирает движение камеры, а быстро вращающиеся лопасти или колёса продолжают двигаться сами. Для них важна скорость фиксации всего изображения.

Стабилизатор тоже не превращает обычный сенсор в глобальный. Он может уменьшить нежелательную тряску, но не заставляет все строки экспонироваться одновременно. Поэтому плавный ролик с искажёнными движущимися предметами вполне возможен.

Механический затвор, электронная передняя шторка и global shutter

Полный механический затвор часто заметно уменьшает геометрические искажения по сравнению с медленным электронным. Поэтому для спорта камера с умеренной механической серией иногда оказывается практичнее, чем можно предположить по её самой большой цифре кадров в секунду.

Однако механический затвор тоже не следует считать глобальным. Шторки проходят по кадру последовательно, а на коротких выдержках экспозицию создаёт движущаяся щель между ними. Очень быстрое движение может искажаться и здесь. Разница в том, что проход шторок во многих камерах быстрее полного электронного считывания сенсора.

При электронной передней шторке начало экспозиции задаётся электронно, а окончание — механически. Это отдельный режим со своими особенностями, а не другое название global shutter. Выбирать его как универсальное лекарство от любых деформаций было бы неправильно.

У глобального затвора все пиксели начинают и заканчивают экспозицию одновременно. Таким образом устраняется временной сдвиг между частями изображения, который и создаёт rolling shutter. При этом данные могут передаваться из сенсора позже: одновременная экспозиция не означает, что вся информация обязательно считывается наружу в один момент. Смаз движущегося объекта от слишком длинной выдержки глобальный затвор, конечно, не отменяет.

Global shutter синхронизирует экспозицию пикселей; передача данных из сенсора может происходить позже

Быстрый сенсор и многослойная матрица

Более быстрое считывание сокращает время, за которое объект успевает изменить положение внутри одного кадра. Поэтому камеры с быстрыми сенсорами особенно интересны для бесшумной съёмки движения и видео с активной работой камерой.

Многослойная конструкция часто используется именно ради высокой скорости, но слово stacked само по себе не означает global shutter. Камера может по-прежнему формировать изображение последовательно, только делать это значительно быстрее. Обратная подсветка, или BSI, описывает другую особенность устройства сенсора и тоже не служит обещанием отсутствия деформаций.

Для примера Nikon заявляет у частично многослойного сенсора Z6 III примерно в 3,5 раза более быстрое считывание по сравнению с Z6 II. Это характеристика, способная уменьшить временной сдвиг в кадре. Из неё не следует, что любой ролик станет «в 3,5 раза лучше» или что искажения исчезнут в каждом режиме. Практический интерес представляет конкретный режим съёмки, а не только название матрицы.

Почему видеорежим тоже имеет значение

Одна камера может по-разному считывать сенсор для фотографии, полного 4K, видео с кропом и замедленной съёмки. Меняются область изображения, объём данных и способ их обработки. Поэтому отзыв о сильном rolling shutter в одном режиме не всегда описывает остальные.

Сужение области считывания иногда помогает, но одновременно меняет угол обзора. Перейдя в режим с кропом, вы можете получить более удобную передачу движения и обнаружить, что нужный интерьер перестал помещаться в кадр. Для практического выбора эти последствия нужно рассматривать вместе.

Высокая частота кадров также не является самостоятельной гарантией. Важно, каким способом камера получает эти кадры и какую часть сенсора использует. Я бы искал примеры именно нужного разрешения и частоты: ролик в 4K25 мало расскажет о поведении камеры в 4K120, и наоборот.

Полосы от света — связанная, но другая проблема

Горизонтальные полосы под LED-освещением часто обсуждают вместе с rolling shutter, потому что последовательная фиксация кадра может сделать их заметными. Но источник проблемы здесь — меняющаяся яркость света. Разные части изображения получают разное освещение, пока лампа мерцает.

Это отличается от геометрического искажения мяча или столба. В кадре может не быть никакого движения, а полосы всё равно появятся. И наоборот: при ровном дневном свете движущийся предмет может изменить форму без единой полосы.

Под искусственным освещением помогают подходящая выдержка и функции подавления мерцания, если они доступны в выбранном режиме. Возможности этих функций различаются, а частота работы LED не всегда совпадает с привычной частотой электросети. Механический затвор тоже не гарантирует идеального результата при любом свете. Для важного мероприятия полезнее короткая пробная серия на самой площадке, чем уверенность, основанная на типе затвора.

Когда электронный затвор удобен

Для пейзажа, предметной съёмки, спокойного портрета или тихого мероприятия электронный режим часто оказывается хорошим решением. Если камера и основные объекты почти неподвижны, геометрии просто нечему заметно изменяться за время формирования кадра. Возможность снимать без звука при этом вполне реальна и полезна.

Сложнее со спортом, быстрыми птицами, пропеллерами и резкими поворотами камеры. Здесь я бы выбирал режим по результату на похожем движении. Иногда достаточно перейти на механический затвор. Иногда важнее плавнее вести камеру. А если бесшумность обязательна и движение постоянно быстрое, скорость сенсора становится серьёзным критерием покупки.

Sony A9 III использует глобальный затвор, однако смаз от длинной выдержки он не устраняет

Большая электронная серия полезна только тогда, когда полученные кадры пригодны для работы. Десятки фотографий с разными фазами удара не помогут, если на каждой ракетка имеет неправильную форму. Поэтому рядом с максимальной частотой серии всегда стоит держать в уме качество самого момента, который камера фиксирует.

Как проверить свою камеру

Для начала выберите ряд вертикальных линий: ограду, оконные рамы или столбы. Снимите их с неподвижной камерой, затем сделайте медленную и более быструю панораму. В фотографии сравните доступные типы затвора при одинаковой выдержке и похожем движении. В видео повторите тест в тех режимах, которыми действительно будете пользоваться.

Посмотрите результат на компьютере. Маленький экран камеры скрывает и небольшой наклон линий, и дрожание геометрии. Для фотографии оценивайте форму, а не только резкость; для видео смотрите и отдельный кадр, и движение в целом. Затем повторите проверку на своём сюжете: именно он определяет допустимый уровень искажений.

Отказываться от хорошей камеры только из-за наличия rolling shutter я бы не советовал. Полезнее понять границы её режимов. Для спокойной съёмки они могут почти не мешать, а для конкретной спортивной задачи стать решающими. Когда вы различаете смаз, деформацию и мерцание света, подобрать решение значительно проще — и далеко не всегда для этого требуется новый корпус.