MEDICIÓN
  DEL
  ROLLING
  SHUTTER


   Creado
   6 Dic 2016


   Actualizado
   18 Ago 2017


   


© Guillermo Luijk 2016



INTRODUCCIÓN

En el artículo Rolling shutter en la Fujifilm X-T1 se explicaba lo que es el rolling shutter y las deformaciones, a menudo curiosas y casi siempre indesesables, que la lectura relativamente lenta del sensor con obturación electrónica puede causar en la imagen final.

Como conclusión esto limitaba mucho la utilidad de este tipo de obturación para congelar sujetos de movimiento rápido, quedando su uso prácticamente restringido al disparo silencioso, y también como sustituto de un filtro ND cuando el exceso de luz provoque problemas de sobreexposición incluso a la mayor velocidad de obturación mecánica soportada por la cámara.

Vamos a ver un procediminto muy sencillo y a la vez preciso para poder medir la velocidad con que cualquier cámara con obturación electrónica lee el sensor (sensor readout), lo que dará una idea de lo útil/peligroso que será tratar de emplear la obturación electrónica en la captura de escenas muy dinámicas (fauna, deportes,...).


MEDICIÓN DEL ROLLING SHUTTER

El cálculo del tiempo de lectura del sensor resulta muy sencillo si se tiene a mano un simple tubo fluorescente convencional (cada vez escasean más, esto es cierto). Al tratarse de una luz oscilante al ritmo de los 50Hz (60Hz en América) de la red eléctrica doméstica, podemos usar sus variaciones de intensidad para medir lo que se tarda en leer el sensor.

Como el tubo emite luz en semiciclos luminosos de duración 1/100s, y siendo ésta una velocidad superior a las actuales velocidades de lectura del sensor con obturación electrónica, bastará contar el número de bandas luminosas que aparecen en cualquier captura hecha en un ambiente iluminado por un tubo fluorescente. Obviamente deberemos activar la obturación electrónica, y elegir un tiempo de exposición bastante más corto que 1/100s (p.ej. 1/500s), o no aparecerán las bandas con claridad.

Mi agradecimiento a Pascual Pérez (laucsap60 en Micro4tercios.com) por molestarse en obtener las siguientes imágenes:


Fig. 1a Captura de tubo fluorescente con Olympus E-M1.



Fig. 1b Captura de tubo fluorescente con Olympus PEN-F.



Fig. 1c Captura de tubo fluorescente con Olympus E-M1 II.


Como puede verse todas ellas generaron bandas, más cuanto más lenta fuera la lectura del sensor. Tomando el primer caso de la Olympus E-M1, con una simple regla de tres podemos decir: si los 5 semiciclos luminosos completos capturados tuvieron una duración total de 5/100s y abarcaron 311 píxeles de la imagen, qué tiempo tardará el sensor en recorrer los 384 píxeles correspondientes al barrido completo?:

Tsensor readout = 5/100 · 384/311 = 0,062s

O expresado en forma de velocidad de obturación: 1/16s. Éste es el tiempo que tarda la E-M1 en recorrer todas las filas de su sensor con obturación electrónica, y no se necesita más que este parámetro para saber qué cámara es más rápida en obturación electrónica que otra. Replicando para las otras cámaras comparadas se tiene:


Fig. 2 Velocidad de lectura del sensor en obturación electrónica.


Esto deja claro la gran mejora que se ha tenido con cada nueva generación de cámaras (Olympus en este caso), y que tiene como inevitable final la obturación electrónica global, donde todas las filas del sensor se lean de manera simultánea evitando cualquier posibile efecto rolling shutter.

Si te animas a hacer la prueba con la obturación electrónica de tu cámara (no todas tienen este modo de disparo), no dudes en hacerme llegar el tiempo de lectura de tu sensor. Varios foreros de Micro4tercios (gracias arfoga, AlbertTRAL, RubL, Gobo, paco2003) y Jesús Ibáñez por Facebook han hecho el cálculo para sus cámaras de distintas marcas, lo que ha permitido obtener la siguiente evolución temporal del parámetro:


Fig. 3 Evolución tiempo de lectura del sensor con obturación electrónica.


Poco después de escribir este tutorial, la Sony A9 destronaba a la E-M1 II como la obturación electrónica más rápida de la galaxia. Medidos por Jim Kasson, los 1/160s de esta Sony están cerca de hacer completamente imperceptible el rolling shutter en cualquier aplicación. De hecho no quedan lejos de la obturación mecánica a 1/300s de esa misma cámara.

Si la progesión lineal se cumpliera podríamos hablar de obturación electrónica global en Photokina 2018. Y uno se pregunta: con la completa digitalización de los cuerpos, y eliminadas todas las partes móviles que golpean, hacen ruido y mueven el polvo dentro de la cámara, permitiendo ahora:
  • Congelar movimiento con velocidades de hasta 1/32000 sin efecto rolling shutter
  • Hacer siempre fotos en completo silencio como modalidad de disparo por defecto
  • Evitar cualquier microtrepidación inducida por movimiento de piezas mecánicas
No será por fin el momento en que una cámara réflex, cuyo visor óptico y mecanismo de espejo son directamente incompatibles con este tipo de obturación, nos empiece a parecer un aparato muy, pero que muy, pero que muy viejuno?. Lo dejo a la reflexión.

Por cierto que a poco que aparezcan cámaras con un rolling shutter algo más rápido que el de la E-M1 II analizada, el truco del tubo de neón dejará de ser apto para evaluarlas ya que será imposible registrar un semiciclo completo (1/100s) en una sola captura.


'CAPTURE PRO' DE LA OLYMPUS E-M1 II

La recién presentada E-M1 II cuenta con un novedoso modo de disparo denominado por Olympus 'Capture Pro'. Cuando se activa, el sensor se pone a capturar continuamente imágenes con obturación electrónica en ráfaga y en completo silencio. En el momento en que el fotógrafo dispara se guardan las 14 capturas previas a la pulsación, lo que debería ser una excelente asistencia para no perder movimientos rápidos e imprevisibles del sujeto.

Pero es lo bastante rápida la cámara para poder usar este modo en escenas muy dinámicas sin sufrir deformaciones?. Mi pronóstico es que pese a la mejora, seguramente la velocidad de lectura aún no sea suficiente como para poder disparar con garantías de que los balones de fútbol no se conviertan en pepinos de rugby, aunque obviamente la distorsión será menor que en modelos de generaciones previas.

A continuación una simulación de la deformación que puede sufrir una raqueta de tenis asumiendo una velocidad de lectura del sensor de 1/60s (el movimiento de la raqueta durante el barrido corresponde solo a la tercera parte del total, 1/180s, ya que la raqueta en esta escena abarca aprox. 1/3 de la dimensión vertical del sensor):


Fig. 4 Simulación de efecto rolling shutter a 1/60s.


Que cada uno juzgue si es una deformación asumible o no. Veamos otro caso de movimiento más rápido: una abeja en vuelo bate sus alas 250 veces por segundo de media, lo que supone un período de aleteo de 1/250s:


Fig. 5 Abeja en vuelo capturada con obturación electrónica.


Haciendo el mismo cálculo que con los tubos de neón podemos estimar el tiempo de lectura de sensor de la cámara usada en la anterior imagen: si 6 aleteos completos de la abeja abarcaron 103 píxeles de la imagen:

Tsensor readout = 6/250 · 384/103 = 0,0895s

O expresado en forma de velocidad de obturación: 1/11s, así que parece que se trataba de una cámara casi 6 veces más lenta que la E-M1 II. Aún con ello en la Olympus a la abeja le habría dado tiempo a hacer un batido completo de alas, con lo que usar 'Capture Pro' para asegurar el instante en que remonta el vuelo habría garantizado que éstas aparecieran curvadas (pasar el ratón por la imagen anterior para hacernos una idea de la forma que habrían adquirido).

Es cierto que en determinados sujetos, pese a que pueda existir distorsión, ésta será indetectable por no tener una referencia no deformada o correcta con la que comparar (ej. la lengua de una rana cazando). Esto hará que ciertas fotos afectadas por rolling shutter no dejen de ser válidas.


APLICACIÓN CURIOSA: CICLO LUMINOSO DE TUBO FLUORESCENTE

Para finalizar una curiosidad sin salir del universo de los tubos de neón: vamos a aprovechar la lenta velocidad de barrido de la E-M1 para analizar la variación de color e intensidad del tubo fluorescente convirtiendo nuestra cámara en un osciloscopio:


Fig. 6 Captura de tubo fluorescente con Olympus E-M1.


Revelando de forma neutra y lineal el archivo RAW con DCRAW, y recorriendo los valores de imagen generados a lo largo del tubo, se tiene la evolución temporal de la señal luminosa con cierta caracterización espectral gracias a las componentes RGB suministradas por la cámara:


Fig. 7 Ciclo luminoso (RGB) de tubo fluorescente.


Puede verse la variación de la composición espectral generada, que llega a ser cálida en los mínimos, si bien lo que percibe nuestra vista es una resultante fría fruto de la integración de todas las tonalidades generadas, donde el predominio es de tonos fríos. Pasando el ratón por la imagen anterior puede verse el tono promedio.

Un modelo típico de luminosidad L = 0,299·R + 0,587·G + 0,114·B nos da una idea más cercana de la intensidad lumínica en función del tiempo:


Fig. 8 Ciclo luminoso (L) de tubo fluorescente.


Se podría pensar que en ningún momento el tubo deja de emitir luz, pero dado que el tiempo de exposición fue de 1/500s (es decir, cada fotocaptor promedió la luz producida durante 1/5 de cada semiciclo lo que supone un filtrado paso bajo de la misma), queda la duda de si realmente los mínimos de emisión pudieron llegar al cero absoluto. Es fácil encontrar estudios de la composición espectral de la luz producida por tubos fluorescentes, pero el eje temporal parece el gran olvidado.

Viendo la progresión del canal R en la Fig. 7, me atrevo a decir que al menos en la zona de baja frecuencia del espectro (colores cálidos) el tubo nunca deja de emitir radiación luminosa.


CONCLUSIONES

En el presente artículo se ha explicado un procedimiento tan sencillo como preciso para medir la velocidad de lectura del sensor (sensor readout), en la obturación electrónica disponible en algunas cámara modernas. Este parámetro define por sí solo la propensión de la cámara a sufrir artefactos derivados del rolling shutter cuando se usa dicho modo de disparo. Calculado el dato para cámaras de distintos fabricantes, nos hemos atrevido a estimar el año de la llegada de la obturación electrónica global: Photokina 2018.

Obtenido para la Olympus E-M1 II el que seguramente es hoy el valor más rápido del mercado, nos hemos preguntado si podría ser usado con éxito en escenas de acción rápida, problemática en concreto aplicable al modo de disparo 'Capture Pro' de Olympus, aportando varios ejemplos prácticos.

Finalmente se ha hecho un experimento curioso en el que hemos convertido la adversidad del rolling shutter en una virtud con la que ser capaces de analizar el ciclo luminoso de un tubo fluorescente.


~~~


Si este contenido te ha resultado útil, considera realizar una contribución para asegurar la continuidad de esta web. Mantenerla supone un importante esfuerzo, así como un espacio y ancho de banda considerables en el servidor. Es una operación sencilla y totalmente segura.




gluijk@hotmail.com
  TUTORIALES

HOME