Warum gibt es keinen Rollladen bei Verwendung eines mechanischen Rollladens?

Ich weiß, dass dies vielleicht nicht der beste Ort ist, um diese Frage zu stellen, aber vielleicht sind einige von Ihnen mit der Mechanik von spiegellosen Digitalkameras und der Technologie von CMOS-Sensoren vertraut.

Ich verstehe nicht ganz, warum elektronische Bildsensoren, die Rolling-Shutter-Artefakte erzeugen, in Kombination mit einem mechanischen Shutter keine Bilder mit diesem Problem erzeugen. Was ich nicht verstehe, ist Folgendes:

Der Rolling Shutter erfolgt aufgrund der Sensoranzeige von einer Seite zur anderen (normalerweise von oben nach unten), sodass das eigentliche Bild aus den Abtastzeilen verschiedener aufeinanderfolgender Momente zusammengefügt wird. Nach meinem Verständnis ahmt die Abtastzeilenanzeige das mechanische Fenster des Verschlusses über dem Sensor (?) Nach. Wenn nun ein mechanischer Shutter vor dem Sensor verwendet wird, übernimmt der Shutter diese Aufgabe, während der Sensor gleichzeitig global ausgelesen wird (?). Daher werden im endgültigen Bild keine Rolling-Shutter-Artefakte angezeigt. ABER wenn der Sensor auf einmal global ausgelesen werden kann, warum geschieht dies nicht einfach, wenn ein elektronischer Verschluss verwendet wird? Warum kann der Sensor nicht einfach innerhalb von z. B. 1/2000 Sekunden vollständig ein- und ausgeschaltet werden, um Rollläden zu vermeiden? Warum wird die "Scan-Line-Methode" benötigt, um ein Bild aufzunehmen?

Wenn ich eine Kamera habe, die mit einem mechanischen Verschluss Standbilder mit 10 Bildern pro Sekunde aufnehmen kann, bedeutet dies nicht, dass der Sensor Bilder mit 10 Bildern pro Sekunde elektronisch aufnehmen kann, ohne einen Rolling Shutter zu erzeugen?

Ich habe festgestellt , diese Beitrag gefunden, der den allgemeinen Grund für den Rolling Shutter erklärt, aber nicht die spezifische Frage, die ich habe.

Ich weiß nicht einmal, ob meine Annahmen richtig sind, aber ich würde mich freuen, wenn jemand etwas Licht in diese Sache bringen könnte.

— Thomas D.
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Antworten:

Wenn ich eine Kamera habe, die mit einem mechanischen Verschluss Standbilder mit 10 Bildern pro Sekunde aufnehmen kann, bedeutet dies nicht, dass der Sensor Bilder mit 10 Bildern pro Sekunde elektronisch aufnehmen kann, ohne einen Rolling Shutter zu erzeugen?

Um zu verstehen, warum, müssen wir uns ein typisches 3T-Pixel (Ransistor) ansehen:

Dieses 3T-Pixel kann mit Rollläden verwendet werden, jedoch nicht mit (elektronischen) Global-Rollläden. Das RST-Signal setzt die Spannung an der Fotodiode auf eine positive Spannung zurück. Wenn Licht detektiert wird, nimmt diese Spannung proportional zu den detektierten photogenerierten Ladungen ab. Das ärgerliche an der globalen Verschalung ist, dass wir die Fotodiode nicht ausschalten können . Aus praktischen Gründen können nicht alle Pixel gleichzeitig ausgelesen werden (zu viele Drähte, Ausleseschaltungen, Stromversorgung usw.), so dass während des Auslesens Licht in anderen Pixeln gesammelt wird und sich deren Ausgabe ändert. Durch Hinzufügen eines mechanischen Verschlusses kann verhindert werden, dass Licht an die Fotodiode gelangt, wodurch das Problem umgangen wird.

Um globales Shuttering in CMOS zu implementieren, benötigen Sie mindestens 4T Pixel:

4T Pixel

$M_{sf}$

Der Hauptnachteil von Global Shuttering gegenüber Rolling Shutter ist, dass das Zeitfenster für die Erfassung kürzer wird. Dies wird in dem von Ihnen erwähnten Beitrag erklärt. Das folgende Diagramm zeigt auch, dass ich schnell mit Farbe gearbeitet habe.

$<1e^-$

— Sven B
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Verdammt, das ist eine ziemlich genaue Antwort auf das, worüber ich mich gewundert habe! Vielen Dank!

— Thomas D.

Diese Antwort ist etwas verwirrend zu lesen, da sie "Rolling Shutter" bedeutet, was die Frage "mechanischer Shutter" nennt. In der Frage ist "Rolling Shutter" das visuelle Artefakt, das durch den Wechsel des Objekts (oder der Szene) zwischen der Bildbelichtung / -aufnahme auf einer Seite des Sensors und der Bildbelichtung / -aufnahme auf der anderen Seite verursacht wird elektronischer Verschluss; aber in der Antwort scheint es die Methode zu sein , mit der der Sensor belichtet wird.

— Peter Taylor

Mit "Rolling Shutter" meine ich, dass sich das Zeitfenster, in dem das Licht integriert wird, in der Zeit pro Pixel verschiebt. Beim Global Shutter wird dieses Zeitfenster für alle Pixel synchronisiert. Ich meinte damit, dass ein mechanischer Verschluss das Licht eher mechanisch als elektronisch blockiert und das Zeitfenster auf diese Weise steuert.

— Sven B

Ziemlich gut zum Malen!

— Pipe

Dazu gibt es zwei Teile: Erstens kann es bei mechanischen Rollläden immer noch zu Rollläden kommen (siehe Hinweis). Dies ist jedoch nur bei kurzen Belichtungszeiten möglich. Der Verschluss besteht aus zwei Vorhängen. Vor der Belichtung befindet sich der Vorhang 1 vor dem Sensor. Wenn die Belichtung beginnt, bewegt sich Vorhang 1 nach unten (oder nach oben oder was auch immer) und beginnt, den Sensor zu belichten. Am Ende der Belichtung fährt der Vorhang 2 ein und deckt den Sensor ab.

Angenommen, die Vorhänge benötigen 2 Millisekunden, um die gesamte Bewegung auszuführen. Wenn Sie eine Belichtungszeit von beispielsweise 100 Millisekunden haben, bedeutet dies, dass für 98 Millisekunden der gesamte Sensor gleichzeitig belichtet wird. Dadurch gibt es keinen Rollladen.

Irgendwann können sich die Verschlüsse jedoch nicht schnell genug bewegen, und zu keinem Zeitpunkt ist der gesamte Sensor exponiert (dies ist der Punkt, an dem Ihre Kamera keine einfache Blitzsynchronisation verwenden kann). Nehmen wir zum Beispiel an, wir haben eine Belichtungszeit von 1/1000. Dies bedeutet, dass unser Sensor möglicherweise nur 1 Millisekunde lang belichtet wird. Wenn der zweite Vorhang jedoch darauf wartet, dass der erste Vorhang den Sensor vollständig freigelegt hat, wurden Teile des Sensors bereits für 2 Millisekunden freigelegt! Stattdessen beginnt sich der zweite Vorhang zu bewegen, bevor der erste Vorhang fertig ist, und die Belichtung erfolgt als "Linie" des belichteten Sensors. Sieh dir dieses Video von den Slow Mo Guys auf Youtube an, wo du dies deutlich sehen kannst:

https://www.youtube.com/watch?v=CmjeCchGRQo

Warum sehen wir bei diesen Kameras nicht den gleichen Rolling-Shutter-Effekt? Wir tun Wir merken es einfach nicht. Hier sind die Verschlüsse einer DSLR-Kamera so schnell, dass sie selbst bei einer Belichtungszeit von 5 Millisekunden häufig den gesamten Sensor belichten (was bei hohen Bewegungen nur zu einem unscharfen Bild führt und jeden "Rolling Shutter" verbirgt Bei höheren Verschlusszeiten ist der Bewegungsumfang, der für den Rolling-Shutter-Effekt erforderlich ist (z. B. bei 1/1000 einer zweiten Belichtung), sehr hoch und weitaus höher als bei Ihren typischen Video-Belichtungen. Aber wenn wir diese erreichen Geschwindigkeiten, Rollladen ist eine Sache mit mechanischen Rollläden, werfen Sie einen Blick auf dieses Bild von Wikipedia :

Ich bin nicht sicher, wie die Sensorauslesung eines modernen DSLR-Sensors abläuft, aber ich denke, dass sie immer noch eine Art Scanline ausführen. Dies hängt einfach nicht mit der Beleuchtung des Sensors zusammen, die durch einen mechanischen Verschluss erfolgt.

Hinweis: Man könnte vielleicht sagen, dass die in (sehr) teuren Kameras verwendeten Lamellenläden frei von Rollläden sind.

— Joren Vaes
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Vielen Dank für Ihre Antwort! Ich habe mich gefragt, ob Rollläden eine Sache mit mechanischen Rollläden sind. Ich fand Kameras, die einen "rolling shutter free" elektronischen Verschluss zu haben scheinen, indem mehrere CMOS-Sensoren gestapelt wurden. Ich denke, die Idee dahinter ist, die Scanlinien beider Sensoren zu versetzen und die Daten anschließend zusammenzufügen.

— Thomas D.

Es gibt auch Möglichkeiten, Rollläden mit einem elektronischen Rollladen zu vermeiden. Angenommen, neben jedem Pixel befindet sich nur wenig Speicher (obwohl es sich um einen analogen Speicher handelt), in den der Wert auf Befehl geschrieben werden kann. Alle Pixel können dies jetzt gleichzeitig tun, und dann können die Erinnerungen langsam gelesen werden. Da sie sich jedoch nicht mit der Belichtung ändern, führt dies nicht zum Rolling Shutter. (Meines Wissens wird dies so ziemlich nur mit den besten Kinokameras gemacht, aber dies ist nicht mein Gebiet, weshalb ich zitieren muss)

— Joren Vaes

@JorenVaes Es gibt viele Möglichkeiten, Rolling Shutter ohne Global Shuttering zu vermeiden. Das Beste, IMO, ist richtig durchdachte digitale Nachbearbeitung. Das gesamte Konzept der diskreten Bilder ist ohnehin konzeptionell nicht richtig und kann selbst bei einem globalen Verschluss zu Artefakten führen. Eine gute Implementierung sollte immer zwischen Mehrfachbelichtungen interpolieren, um ein Aliasing zu vermeiden, und kann dann einfach die Koeffizienten entlang der y-Achse des Bildes verschieben, um den Rolling-Shutter-Effekt zu vermeiden.

— links um

@leftaroundabout Vermissen Sie beim Verschieben der Scanlinien nicht einige Informationen, die durch den erforderlichen Versatz verursacht werden?

— Thomas D.

@ThomasD. Sie vermissen sowieso Informationen. Das gesamte Video wird erzeugt, indem der unendlich dimensionale Raum von zeitabhängigen Lichtfeldern auf eine begrenzte Menge an Informationen zerlegt wird. Bei jeder Methode zum Anzeigen des Videos werden die Informationen durch eine Art Interpolation „erraten“. Der Rolling-Shutter-Effekt ist eigentlich nur ein Artefakt dafür, dass dies auf unangemessene Weise erfolgt.

— linksum