Consulta: Obturador mecánico vs obturador electrónico
¿Qué diferencia hay entre la forma que tienen las cámaras con obturador mecánico para recibir la luz en el sensor y la forma que tienen las cámaras sin obturador mecánico para recibir la luz?.
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Tengo una duda que hasta ahora no he podido resolver, en ningún sitio encuentro la respuesta y creo que tú podrías resolvermela.
¿Qué diferencia hay entre la forma que tienen las cámaras con obturador mecánico para recibir la luz en el sensor y la forma que tienen las cámaras sin obturador mecánico para recibir la luz?
¿Por qué el sensor de una cámara con obturador mecánico puede sincronizar con un flash sin problema pero las cámaras sin obturador mecánico tienen grandes dificultades? ¿Por qué en general cada sistema tiene unas particularidades tan diferentes?
¿Tanta diferencia hay a la hora de ‘almacenar’ la luz en sus fotodiodos?
Mi ignorancia sólo me ha hecho llegar a una simple conclusión: Las cámaras con obturador mecánico tienen sensores que están activados antes de disparar, el sensor está a la espera de que le llegue la luz ya antes de pulsar el disparador y en el momento en el que se sispara y el obturador mecánico se mueve los fotositos captan la luz hasta que la cortinilla vuelven a dejarlos a oscuras y después esa captación de luz es gestionada por el procesador, esto tú lo explicas muy bien, lo que no he visto explicado es como lo hacen las cámaras sin obturador mecánico ¿Van activando los fotositos en barrido lineal de arriba a abajo?
¿Si es así a qué velocidad lo hacen? ¿No podrían activarse todos a la vez y desactivarse todos a la vez?
Resumiendo, me gustaría encontrar la respuesta a la diferencia que hay entre la forma y tiempo en que se estimulan los fotositos en una cámara con obturador mecánico y en una sin obturador mecánico. Te agradezco la respuesta de antemano. …
Respuesta
Hola …,
Sí, lo que comentas es correcto.
En la inmensa mayoría de los sensores CMOS se lee (y se borra) la información línea a línea (de arriba a abajo por ejemplo) y ese proceso lleva cierto tiempo.
No hay diferencia entre cámaras con obturador mecánico y obturador electrónico.
La mayoría de las cámaras con sensor CMOS funcionan básicamente de la misma forma (son sensores de tipo rolling shutter), la única diferencia entre unos modelos y otros sería la velocidad de lectura del sensor (tecnología del sensor, velocidad del procesador, etc).
Las cámaras que no tienen disponible obturador electrónico en fotografía (silent shutter) es por una decisión del fabricante, pero en vídeo todas las cámaras con sensor CMOS están utilizando obturación electrónica todo el tiempo.
Y cuando se usa la pantalla trasera en réflex o el visor electrónico / pantalla en cámaras sin espejo, móviles, etc. se está utilizando el modo de obturación electrónica igualmente todo el tiempo.
Es decir, todas las cámaras digitales utilizan obturación electrónica. El obturador mecánico es un ‘extra’, por decirlo de alguna forma, que tiene ciertas ventajas en fotografía.
La cuestión es que el proceso de lectura del sensor es lento (si comparamos con los tiempos que intervienen en las velocidades de obturación más altas).
Con la técnica de rolling shutter: primero se tienen que vaciar las celdas fila por fila (primer barrido de arriba a abajo) y el procesador tiene que calcular para hacer el barrido de lectura de tal forma que la exposición de cada fila sea la deseada.
Esta técnica de lectura, rolling shutter la podemos imaginar como si el obturador fuera una ranura que va barriendo el sensor (muy similar a como funciona el obturador mecánico con velocidades de obturación altas).
En vídeo, o cuando vemos la escena en pantalla, o en las cámaras sin espejo, o en los móviles, etc… el proceso es continuo y cíclico, el sensor está siempre expuesto a la luz: barrido para vaciar las filas, exposición, barrido para leer las filas (de forma que el tiempo de exposición para cada fila sea correcto)… y se repite el ciclo.
Cuando no se utiliza obturador mecánico: todas las celdas del sensor están expuestas todo el tiempo a la luz de la escena, pero el intervalo entre la puesta a cero (vaciar las celdas de una fila) y la lectura de esa fila es lo que determina la exposición de la imagen final.
Y como es un proceso lento, hay un retardo entre la exposición de la primera fila con respecto a la última. Es un barrido. Y si hay cosas que cambian en la escena (luz, movimiento) durante ese barrido… esos elementos aparecerán en la imagen movidos o como efectos no deseados.
Los sensores de tipo global shutter recopilan toda la información de la escena a la vez (todas sus celdas reciben la señal de borrado y de ‘guardado’ a la vez). El proceso de lectura se lleva a cabo después.
La ventaja de un sensor global shutter es que no hay efectos secundarios como los que aparecen con sensores rolling shutter. La desventaja es que en general el proceso completo, desde que comienza una foto hasta que se completa, es más lento (ya que el tiempo de lectura se suma al tiempo de exposición). También hay otras desventajas desde el punto de vista técnico, más complejidad de diseño, etc.
Cuando se trabaja con flash, el destello tiene una duración muy corta.
Con el obturador mecánico se minimiza o se eliminan los efectos negativos de rolling shutter porque la exposición, la luz, la controla el obturador mecánico.
Con el obturador electrónico, los tiempos de lectura suelen ser muy lentos comparados con la duración del destello de flash. Sólo se podría usar flash con velocidades de obturación muy lentas en la mayoría de los casos (velocidad de sincronización muy lenta), de lo contrario aparecería una imagen iluminada de forma no homogénea (banding). Por eso en la mayoría de las cámaras comerciales no es práctico usar obturador electrónico con flash (en algunos modelos ni siquiera es posible, lo desactiva el fabricante).
En los sensores de tipo rolling shutter, cuando funcionan con el obturador electrónico (foto con silent shutter o vídeo), pueden aparecer efectos como banding o flickering que tienen que ver con el tipo de iluminación (cambios en la iluminación durante el barrido), o el efecto conocido como ’rolling shutter’ (verticales inclinadas o efecto gelatina en vídeo) cuando hay elementos en movimiento en la escena o se mueve la propia cámara.
Pero es una cuestión de velocidad de lectura.
La Sony A1, la A9, la Nikon Z9, etc. utilizan sensores muy rápidos (stacked sensors) que permiten tiempos de lectura muy cortos y prácticamente no hay efectos negativos relacionados con rolling shutter. A efectos prácticos funcionan como sensores de tipo global shutter.
Puedes echar un vistazo por ejemplo a estos vídeos, porque se entiende mejor visualmente:
Un saludo!
Felipe
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Sólo me quedan unas pequeñas dudas…
¿Dónde está la dificultad técnica para que tenga que todas las lineas a la vez dejen de procesar información?
Por ejemplo un móvil utiliza un obturador digital y puede hacer saltar un flash que hará que la imagen que capta esté perfectamente expuesta pero, por ejemplo, la Sony A7III no puede hacer saltar el flash en modo silencio, es decir, en modo obturador digital hay que cambiar al modo obturador electeónico ¿por qué el móvil sí puede y la Sony no?
Si para disparar un flash en una cámara digital con obturador mecánico hay que esperar el momento en que la cortina superior e inferior tenga la máxima separación que permita que entre a la vez toda la luz en el sensor, 1/200 de media, (como ocurre en las cámaras analógicas de carrete) eso quiere decir que durante esa fracción de segundo todas las líneas del sensor están receptivas a la luz, durante 0,005 segundos todos los “píxeles” del sensor están funcionando pero ¿Por qué pueden ponerse a funcionar todos juntos y en cambio no pueden dejar de funcionar todos juntos? esa es la principal duda que tengo. ¿Dónde está la dificultad para que esto ocurra?
Resumiendo: ¿Dónde está la dificultad para que todas las lineas del sensor pueda estar receptivo a la luz al mismo tiempo? ¿A que velocidad se mueve el barrido del sensor? ¿En las cámaras con shutter global se puede sincronizar el flash a cualquier velocidad de apertura más allá del 1/250? ¿Por qué no incorporan ya la tecnología de shutter global a todas las cámaras mirrorless?
Respuesta
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Creo que es más sencillo.
Piensa que no hay ninguna diferencia en el funcionamiento del sensor con obturador mecánico y sin él. Creo que es más fácil entenderlo así.
Con el obturador mecánico no hay efectos secundarios debidos a la duración del barrido, porque es el obturador físico (las cortinillas) el que decide si la celda recibe luz o no.
Pero tiene lugar el mismo retardo en el sensor siempre.
Lo que ocurre es que el retardo de la puesta a cero de todas las celdas (fila a fila) ocurre con el obturador cerrado, luego tiene lugar la exposición (obturador abierto) y posteriormente, con el obturador cerrado, tiene lugar el barrido de lectura de las celdas (fila a fila). No hay cambios de luz durante esos barridos. Es la única diferencia.
El proceso es exactamente el mismo con obturador mecánico o sin él. Cuando no hay obturador mecánico, el sensor tiene que sincronizar el barrido de puesta a cero con el barrido de lectura, para conseguir la exposición deseada en cada celda, en cada fila, que corresponde con la exposición en la imagen final.
Analogía
Una analogía: imagina a un fotógrafo con 100 cámaras de película, todas ellas preparadas para la misma exposición, todas en fila, una al lado de la otra (cada cámara simboliza una fila del sensor).
El fotógrafo no puede dar al botón de todas a la vez, tiene que ir corriendo por la fila pulsando los botones de disparo uno a uno. Todas las fotos tienen la misma exposición y podrá juntarlas todas para hacer una panorámica por ejemplo (imagen final), pero entre la exposición de la primera y la exposición de la última hay un retardo.
Eso sería la técnica rolling shutter aplicada es este ejemplo analógico. Si durante todo ese proceso no cambia nada de la escena (iluminación o movimiento) perfecto, pero si cambia algo, aparecería como efecto no deseado (banding, etc.)
La ventaja de rolling shutter en esta analogía sería por ejemplo que cada vez que el fotógrafo se para en una cámara para pulsar el botón de disparo, recoge la foto de esa cámara (lectura) y la deja preparada para la siguiente exposición.
La analogía con global shutter sería que el fotógrafo tiene 100 cables (uno para cada cámara) que le permiten disparar todas a la vez. Pero luego tendría que ir cámara por cámara recogiendo la foto correspondiente y preparándola para la siguiente exposición.
Es difícil imaginarlo con estas analogías, pero digamos que rolling shutter es normalmente más eficiente en cuanto a tiempos y en cuanto a simplicidad de diseño.
Flash en móvil y cámara
En el móvil, si te refieres al flash integrado, el flash del móvil es luz continua, no hay ningún problema, no tiene que sincronizar porque la luz se emite durante todo el tiempo que dura el barrido.
Si te refieres a móviles más avanzados que puedan disparar un flash normal fotográfico mediante algún accesorio, lo desconozco. Pero al final todo depende de la velocidad de lectura del sensor. La Z9 por ejemplo no tiene obturador mecánico y puede sincronizar perfectamente con cualquier flash.
Y con obturador electrónico, cualquier cámara podría hacer fotos con flash, pero necesitaría velocidades de sincronización muy lentas para asegurar que no hay ningún barrido (de puesta a cero ni de lectura) durante el tiempo que dura el destello del flash.
La velocidad de barrido depende de cada modelo de sensor. Probablemente también del procesador. No tengo los datos. Quizás se puede inferir a partir de los efectos de rolling shutter, pero no sé si sería fácil calcularlo.
Los sensores con global shutter pueden sincronizar a velocidades más altas, aunque siempre hay un límite físico.
Con la nueva tecnología de sensores (stacked) los tiempos de operación del sensor se reducen bastante (Z9, las Sony A1,A9, la OM1, etc.). A efectos prácticos es un global shutter. De aquí a unos años probablemente todas las cámaras prescindirán de obturador mecánico.
Al final es siempre una cuestión de coste-beneficio.
Rolling shutter vs global shutter, resumen
Simplificando mucho, en un CMOS típico podemos imaginar que la celda siempre está ‘activa’, en el sentido de que está captando luz todo el tiempo y acumulando.
Comenzar a captar una imagen (una exposición) correspondería con poner a cero la celda en cuestión (poner el contador a cero como comentas). Esto sí se podría hacer de forma global imagino. Pero no imagino una forma de ‘desactivar’ (parar el efecto fotoeléctrico) de cada celda.
En un CMOS típico, la exposición efectiva termina cuando se hace la lectura de lo que ha almacenado la celda hasta ese momento (porque la celda en sí, la parte fotosensible, sigue ‘activa’ antes y después de la lectura).
Digamos que un CMOS típico está pensado como sensor rolling shutter. No porque sea algo que está limitado por la tecnología, sino más bien porque es la solución más eficiente, simple y barata (a día de hoy).
Por poner un ejemplo, un sensor CCD típico sí es de tipo global shutter. Se le da la orden de comenzar la exposición y se le da la orden de detener la exposición de forma global, pero es otra tecnología y arquitectura diferente. Como desventaja: los tiempos de lectura son muchísimo más lentos que en CMOS, tienen más consumo, son más caros de fabricar, etc.
Pero el principio de funcionamiento es exactamente lo que comentas. Un CCD puede almacenar temporalmente la información de cada celda, de tal forma que aunque el material fotosensible siga captando fotones, la ‘lectura’ de la exposición queda a salvo. Eso sí, luego hay que extraer esos valores y el proceso de lectura real sigue siendo secuencial y bastante lento en el caso de los CCD. Pero la exposición propiamente dicha es global.
Es decir, no es cuestión de que no se pueda hacer, porque CCD es una tecnología más antigua que CMOS, sino que global shutter implica más complejidad o menos eficiencia, limitaciones por otro lado, coste, etc.
Imagino que en los CMOS de tipo global shutter también se utiliza esa misma idea, añadir a cada celda una especie de memoria o depósito temporal, pero no conozco los detalles de ese tipo de sensores. Sé que son mucho más complejos y caros. Otra opción es seguir por la línea de CMOS de tipo rolling shutter pero haciéndolos más rápidos (A1, Z9, etc.)
Un saludo!
Felipe
