Rolling shutter vs global shutter

L’otturatore digitale

Nelle telecamere la funzione dell’otturatore è espletata dal sensore, che per ogni fotogramma cattura la luce solo per il tempo stabilito dall’utente attraverso la selezione di un determinato tempo di otturazione. L’acquisizione della luce può essere effettuata dal sensore attivandosi interamente o attivando una dopo l’altra le file di fotositi che lo compongono. Nel primo caso si parla di global shutter, nel secondo caso di rolling shutter.

Come si può notare da queste animazioni, un conto è il tempo di posa, ossia per quanto tempo ogni fotosito del sensore raccoglie luce, un conto è il tempo di otturazione complessivo, ossia il tempo necessario per esporre alla luce tutto il sensore. Nel caso del global shutter i due valori coincidono, ma nel caso del rolling shutter possono essere molto diversi.

Global shutter

Il vantaggio di questo sistema è quello di acquisire ogni parte dell’immagine contemporaneamente, evitando i problemi legati al rolling shutter. I sensori che utilizzano questa tecnologia però non riescono a raggiungere la gamma dinamica dei sensori rolling shutter né possono offrire tempi di scatto altrettanto veloci. È per questi due limiti che la tecnologia global shutter ha sinora trovato una diffusione contenuta sia in campo cinematografico che fotografico. Va inoltre considerato che acquisire i dati di ogni fila di pixel contemporaneamente richiede che la camera disponga di un buffer di memoria molto più veloce di quello esatto da un’acquisizione progressiva dell’immagine.

Rolling shutter

Benché sia la tecnologia più performante e utilizzata, soffre di un grave difetto legato proprio al principio di funzionamento del sistema, ossia al fatto che ogni fotogramma viene acquisito in maniera progressiva dall’alto verso il basso. La conseguenza di questo è che in presenza di soggetti in rapido movimento o di movimenti camera molto veloci le immagini possono risultare distorte.

Immaginiamo di riprendere un palo della luce eseguendo un pan così rapido da far passare il palo, nel tempo di un solo fotogramma, dall’estrema sinistra all’estrema destra dell’inquadratura. Durante l’esposizione di quel fotogramma, a causa dell’acquisizione progressiva, la cima del palo sarà catturata in alto a sinistra dell’inquadratura, mentre la base del palo sarà catturata in basso a destra. In pratica nell’immagine acquisita il palo apparirà in diagonale anziché dritto:

Chiaramente questo è un esempio limite che prende in considerazione un movimento camera rapidissimo e un sensore estremamente lento, ma in misura comunque ben visibile le alterazioni all’immagine causate dal rolling shutter si possono vericare in molte occasioni.

Conseguenza del rolling shutter è anche il cosiddetto jello effect, che si manifesta soprattutto in presenza di movimenti camera oscillatori, come ad esempio nel corso di un inseguimento camera a spalla. L’ondulazione della camera fa si che i soggetti ripresi appaiano come gelatinosi in quanto la loro deformazione si modifica tra un fotogramma e l’altro.

Per ridurre i limiti intrinseci della tecnologia rolling shutter vengono realizzati sensori sempre più veloci, in grado di attivare le varie file di fotositi a distanze di tempo minime l’una dall’altra, così da riprodurre quanto più possibile il comportamento degli otturatori global.

L’otturatore meccanico

Anche gli otturatori meccanici sono a tutti gli effetti dei rolling shutter in quanto espongono una porzione di fotogramma alla volta. Quelli fotografici, a questo scopo, utilizzando due tendine a scorrimento verticale:

Scattare una fotografia a 1/8000″ significa quindi esporre per 1/8000″ ogni porzione del fotogramma, ma l’esposizione dell’intero fotogramma richiede molto più tempo. Infatti le fotocamere indicano sempre il proprio Sincro-x, ossia il tempo di scatto più rapido utilizzabile col flash. Vediamo bene perché.

Affinché l’intero fotogramma venga esposto alla luce del flash è necessario che il lampo trovi le tendine dell’otturatore completamente aperte. Un sincro-x da 1/250″ indica che la prima tendina impiega poco meno di 1/500″ per scendere e scoprire l’intero sensore, affinché poi, nello stesso tempo, la seconda tendina si abbassi e lo copra di nuovo. Solo in quell’attimo tra il movimento della prima e della seconda tendina, in quell’istante in cui l’intero sensore è scoperto, il flash può emettere luce e condizionare l’intero fotogramma. Circa 1/500″, in questo esempio, è quindi il tempo di otturazione complessivo più rapido che la camera possa offrire, facendo partire la seconda tendina subito dopo la prima.

In passato erano diffuse altre due tipologie di otturatore fotografico: l’otturatore a tendina a scorrimento orizzontale, meno performante degli otturatori verticali in quanto le tendine devono compiere un percorso maggiore per coprire e scoprire l’intero fotogramma, e l’otturatore centrale, detto anche a lamelle, che esattamente come un diaframma si apre dal centro verso l’esterno e quindi non permette un’esposizione omogenea dell’intero fotogramma ma lascia i bordi sempre meno esposti dell’area centrale.

Il grande vantaggio dell’otturatore centrale, che talvolta veniva collocato all’interno dell’obiettivo anziché del corpo macchina, è quello di ridurre al minimo le vibrazioni dello scatto e di permettere il sincro flash con qualsiasi tempo. D’altro canto, però, neppure i migliori otturatori a lamelle riuscivano a offrire tempi di scatto superiori a 1/500″.

Oggi la maggior parte delle fotocamere digitali offre la possibilità di affidare la gestione del tempo di posa esclusivamente al sensore o a una collaborazione tra sensore e otturatore verticale. Nel primo caso si ottiene uno scatto silenzioso, nel secondo caso si riduce il tempo di otturazione complessivo e quindi si minimizzano gli effetti collaterali del rolling shutter.

I soli otturatori meccanici ancora oggi in produzione sono quello a scorrimento verticale delle fotocamere e quello rotante delle cineprese. Per un approfondimento sull’otturatore rotante: Angoli e tempi di otturazione, motion blur, fps e ralenti