Jak działa migawka globalna - wszystko, co musisz wiedzieć

Autor: Maciej Luśtyk

15 Listopad 2023
Artykuł na: 6-9 minut

Niedawna premiera Sony A9 III wprowadza na rynek aparatów rewolucję w postaci migawki globalnej. To szereg nowych możliwości, ale i kilka problemów. W tym artykule przybliżamy sposób działania oraz wady i zalety tego rodzaju matrycy fotograficznej.

Dyskusje o migawce globalnej są tak stare, jak fotografia cyfrowa. Również jej implementacja w aparatach nie jest bynajmniej zjawiskiem tak rewolucyjnym i bezprecedensowym jak mogłoby się wydawać po niedawnej premierze modelu Sony A9 III. Warto przypomnieć, że sensory CCD, stosowane w pierwszych kompaktach i starych aparatach systemowych sczytywały obraz właśnie na zasadzie migawki globalnej. Problemem było jedynie to, że ówczesna technologia nie pozwalała na pełne wykorzystanie zalet tego rozwiązania.

Dziś, wraz z rozwojem mocy obliczeniowej procesorów i architektury matryc warstwowych wreszcie się to zmienia, a temat użytecznej migawki globalnej w aparacie systemowym na nowo rozpala internetowe fora.

Czym jest migawka globalna?

Aby poznać konsekwencje zastosowania migawki globalnej, należy zrozumieć sposób jej działania. Wszystko sprowadza się tu do procesu próbkowania, lub inaczej sczytywania informacji z sensora. W przypadku używanej dziś powszechnie technologii zwykłych matryc CMOS, próbkowanie obrazu przebiega etapowo. Ładunek przenoszony jest do konwerterów sygnału A/D (konwersja sygnału analogowego na cyfrowy) osobno dla każdego rzędu pikseli, które sczytywane są jeden po drugim. Ogranicza to liczbę obwodów na matrycy i pozwala na lepsze przechwytywanie światła, ale konsekwencją tego działania jest czas potrzebny na sczytanie wszystkich rzędów pikseli (czas próbkowania sensora), który niestety nie jest równoznaczny z czasem ekspozycji (czasem migawki), co rodzi cały wachlarz problemów.

Różnice w sposobie próbkowania standardowej matrycy CMOS i matrycy z migawką globalną

Z racji tego, że cały proces trwa zazwyczaj relatywnie długo (dziesiętne sekundy), w przypadku krótkich czasów migawki z zakresu tysięcznych części sekundy zaczynamy mieć do czynienia z tzw. problemem rolling shutter, czyli m.in. zniekształceniem obrazu wynikającym z tego, że ruch na zdjęciu lub ruch samego aparatu jest szybszy niż czas próbkowania sensora (każdy z pikseli naświetlany jest odpowiednio dla czasu migawki, ale czas potrzebny na sczytanie wszystkich rzędów jest odpowiednio dłuższy).

Problemy wynikające z takiej, a nie innej architektury sensora dają się we znaki także podczas pracy ze sztucznym oświetleniem. W przypadku powszechnego obecnie migającego oświetlenia LED, korzystając z migawki elektronicznej aparatu mamy do czynienia z tzw. bandingiem czyli widocznymi na zdjęciu kolorowymi liniami, będącymi efektem braku synchronizacji częstotliwości migotania z częstotliwością próbkowania poszczególnych rzędów pikseli. Podobnie w przypadku lamp błyskowych nie jesteśmy w stanie odpowiednio naświetlić zdjęcia w czasie krótszym niż czas potrzebny na sczytanie całej matrycy. Zarówno w jednym, jak i drugim przypadku z pomocą przychodzi tradycyjna migawka mechaniczna, która eksponuje sensor tylko w określonym okresie czasu, ale jej konstrukcja ogranicza nas w zakresie możliwych do użycia czasów naświetlania (zwykle 1/8000 lub 1/4000 s) i uniemożliwia bezgłośne fotografowanie.

Przykładowe zniekształcenie obrazu podczas fotografowania z krótkim czasem naświetlania z tradycyjną migawką elektroniczną

W przypadku migawki globalnej, proces próbkowania matrycy jest zgoła odmienny. Zamiast sczytywać obraz rząd po rzędzie, ładunek ze wszystkich pikseli magazynowany jest jednocześnie i dopiero później przekazywany do obwodów odpowiedzialnych za konwersję sygnału cyfrowego. Aby jednak było to możliwe, odpowiednio zmienić musi się także architektura sensora.

W przypadku matrycy takiej, jak w nowym Sony A9 III, każdy z pikseli otrzymał dodatkową fotodiodę odpowiedzialną za czasowe magazynowanie ładunku zebranego przez główna fotodiodę wystawioną na działania światła. Konieczność „upchania” większej ilości obwodów na matrycy ogranicza pojemność głównej fotodiody i obok niewątpliwych zalet tego rozwiązania, ma też swoje konsekwencje.

Wady i zalety migawki globalnej

Zalety zastosowania migawki globalnej bezpośrednio wiążą się z ograniczeniami tradycyjnych matryc CMOS. Jednoczesne próbkowanie całej powierzchni sensora uwalnia więc nas od problemów charakterystycznych dla tradycyjnych sensorów. Znika problem czasu próbkowania (obraz z matrycy Sony A9 III może być sczytywany w czasie jedynej 1/80 000 s) a wraz z nim wszelkie zniekształcenia obrazu czy artefakty wynikające z braku synchronizacji ze światłem sztucznym. Wykładniczo rosną też możliwości synchronizacji z błyskiem - ograniczeniem staje się jedynie to jak mocno w tym krótkim ułamku sekundy jest w stanie błysnąć flash.

Przykład braku synchronizacji czasu naświetlania z częstotliwością migotania światła. W przypadku migawki globalnej taki problem nie występuje  

Wszystko to stwarza wprost fantastyczne możliwości w zakresie plenerowej pracy z błyskiem, szybkiej fotografii sportowej czy też bezgłośnego fotografowania na różnego rodzaju wydarzeniach. Cały ten potencjał ma jednak swoją cenę.

Wspomniane wcześniej zastosowanie dodatkowego magazynu dla ładunku i ograniczenie pojemności głównej fotodiody odpowiedzialnej za przechwytywanie światła odbija się negatywnie na zakresie dynamicznym matrycy. To przede wszystkim dlatego rozwiązania tego typu nie widzieliśmy wcześniej we współczesnych aparatach fotograficznych. Podczas premiery Sony A9 III, producent zapewniał, że dzięki zastosowaniu najnowszych technologii matryc warstwowych (stacked) problem ten udało się znacznie zminimalizować, ale jego odbicie i tak widzimy w zakresie czułości oferowanych przez aparat (ISO 250-25000).

Choć to niewielka różnica względem ISO 100 oferowanego przez większość współczesnych aparatów, to jednak szum odczytu przy bazowej czułości będzie większy, ograniczając w pewnym stopniu nasze możliwości na etapie edycji. I choć różnice te prawdopodobnie nie będą wielkie (na razie nie ma jeszcze jednak testów porównujących możliwości nowego sensora ze standardowymi matrycami CMOS) to jednak aparat raczej na pewno nie będzie oferował tak wyśrubowanych osiągów w zakresie pracy na niskich czułościach jak np. model A7R V czy nawet poprzedni Sony A9 II.

Przeczytaj także:
Sony A9 III - pierwsza pełna klatka z migawką globalną

Sony przypieczętowuje 10. rocznicę istnienia systemu E premierą modelu A9 III. To najszybsza pełna klatka na rynku i pierwszy aparat tego segmentu oferujący funkcję migawki globalnej, co eliminuje szereg ograniczeń z jakimi musieli mierzyć się fotografowie i filmujący. [Czytaj więcej]
Sony A9 III – pierwsze wrażenia

Na światowej premierze przyjrzeliśmy się bliżej zaprezentowanemu właśnie modelowi Sony A9 III. W trakcie krótkiej sesji testowej w Centrum Olimpijskim sprawdziliśmy na co go stać. Oto szybkie wnioski. [Czytaj więcej]
Sony A9 III i FE 300 mm f/2.8 GM OSS - zdjęcia przykładowe

Sony zaprezentowało przełomowy korpus i jasny obiektyw reporterski. Oto pierwsze zdjęcia wykonane aparatem A9 III i teleobiektywem FE 300 mm f/2.8 GM OSS. [Czytaj więcej]

Również na wysokich czułościach aparat może radzić sobie gorzej niż wiele ze współczesnych pełnych klatek, które w swoich matrycach stosują architekturę Dual Gain (osobne konwertery A/D dla niskich i wysokich czułości) zmniejszając szum odczytu na wysokich wartościach ISO. Na matrycy A9 III zwyczajnie nie ma dla nich miejsca.

Jak na razie to oczywiście tylko teoria. O tym jak Sony A9 III wypada na tle konkurentów i poprzedników przekonamy się dopiero przy okazji pierwszych testów. Może się okazać, że i pod tym względem producent nas zaskoczy.

Czy warto zawracać sobie głowę migawką globalną?

Jeśli wymienione powyżej zalety są dla nas ważniejsze niż ewentualne kompromisy w zakresie szumu czy zakresu dynamicznego - z pewnością tak. Sony A9 III to przede wszystkim potwór w zakresie wydajności oraz szybkości pracy i tak właśnie należy na niego spoglądać. Jeśli jednak szukamy rozwiązań jak najbardziej uniwersalnych, nasze zapotrzebowania prawdopodobnie w całości pokryją inne modele z segmentu pełnoklatkowych bezlusterkowców. Warto bowiem pamiętać, że superszybkie matryce warstwowe modeli takich jak Sony A9 II czy Sony A1 i tak znacznie ograniczają problemy wynikające z użycia standardowej technologii CMOS.

Zastosowanie migawki globalnej w modelu A9 III z pewnością wyznacza jednak nowy kierunek rozwoju i choćby z tego tylko powodu warto mieć na uwadze konstrukcje, które będą ją w przyszłości wykorzystywać. Z każdą kolejną generacją sensory tego typu będą udoskonalane, a w końcu zapewne wyprą z rynku tradycyjne matryce.

Skopiuj link

Autor: Maciej Luśtyk

Redaktor prowadzący serwisu Fotopolis.pl. Zafascynowany nowymi technologiami, choć woli fotografować analogiem.

Komentarze
Więcej w kategorii: Analizy
Wszystko co chcieliście wiedzieć o marce Quadralite, ale baliście się zapytać [WYWIAD]
Wszystko co chcieliście wiedzieć o marce Quadralite, ale baliście się zapytać [WYWIAD]
O początkach i rozwoju marki Quadralite, obecnych wyzwaniach w branży i przyszłości  rynku oświetlenia foto-wideo, rozmawiamy z Karolem Piętką, menadżerem produktu w firmie Next77
16
Postęp, przełom, Pura. Nowa seria smartfonów Huawei to rekordowe aparaty i unikalny design
Postęp, przełom, Pura. Nowa seria smartfonów Huawei to rekordowe aparaty i unikalny design
Na Polskim rynku zadebiutowały smartfony z linii Huawei Pura 70. Kontynuacja flagowej serii P ma być przełomem na kilku płaszczyznach - od obrazowania, poprzez wykonanie, aż po...
12
Walizki transportowe dla fotografów i filmujących - przegląd oferty ThinkTank [2024]
Walizki transportowe dla fotografów i filmujących - przegląd oferty ThinkTank [2024]
Zapewniają wygodny i bezpieczny transport oraz pomagają utrzymać porządek. Walizki foto na kółkach to idealne rozwiązanie nie tylko dla fotografów, którzy mają dość dźwigania sprzętu na plecach....
14
Powiązane artykuły