8 pasos esenciales para entender el Global Shutter(*) contra el Rolling Shutter y la grabación a velocidad alta de fotogramas

kuulapaa-500

Admitámoslo, la cámara lenta es cojonuda. No conseguirás algo más cojonudo que la imagen de este disparo de un Magnum 500 S&W realizada por Herr Kuulapaa (kuulappa.com). Aunque esta imagen pueda ser un ejemplo extremo, y sea una imagen fija, y no sea una imagen robada de la película, nada despierta tanto la imaginación cómo la posibilidad de grabar a alta velocidad.Date un margen de tiempo para entender los fundamentos del Rolling shutter respecto del Global Shutter.

Hace unas semanas escribí el artículo “8 pasos esenciales para la perfecta exposición del fotograma – el conocimiento que todo cámara debe tener”. Si aún no lo has leído, ahora sería un buen momento para hacerlo y después vuelve para leer esto.

1.Shutter Mecánico

Moviecam_shutter

En una cámara de cine el Shutter es un espejo mecánico que gira sobre sí mismo. Mientras rota los 360 grados por cada exposición, se alterna cubriendo y descubriendo la ventanilla por la que se expone la película durante un tiempo delimitado. Las RPM (revoluciones por minuto) del shutter se fijan mecánicamente y se determinan en función de los fotogramas por minuto que vas a grabar, y el tiempo de exposición se decide en función del ángulo que tenga el shutter.

2. Rolling Shutter

Muchos obturadores electrónicos en las cámaras de cine digital utilizan el Rolling Shutter, donde los datos se leen desde la parte de arriba del sensor a la parte de debajo antes de ser reseteado para la próxima exposición del fotograma.

El rolling shutter puede mostrar una inclinación notable con las lineas verticales que aparecen dentro de la imagen tanto si la cámara se mueve como si el sujeto se mueve rápido dentro del encuadre. Esto puede crear artefactos de movimiento no deseados y deformar toda la imagen si el sensor de lectura es particularmente lento y hay un movimiento muy rápido dentro de la imagen. La mayoría de los obturadores son increíblemente rápidos, minimizando los posibles problemas. Los productores de la cámara Red y Arri, entre otros muchos., utilizan este tipo de obturadores, y los resultados pueden dar una sensación más parecida al cine que los que utilizan el global shutter.

Incluso en las cámaras que graban a velocidades altísimas de fotogramas como la cámara Phantom fabricada por Vision Research también se utiliza el rolling shutter, pero en este caso sólo tarda 1 milisegundo para leer todo el sensor.

En esta carta puedes comparar los tiempos de lectura del sensor completo en diferentes modelos de cámaras que hemos testado en nuestro laboratorio:

Rolling shutter (menos es mejor)

Probado con una carta giratoria desarrollada por cinema5D valores aproximados en milisegundos.

Probado con una carta giratoria desarrollada por cinema5D valores aproximados en milisegundos.

3. Global shutter

Un obturador global difiere de un rolling shutter en que al final de la exposición completa del fotograma, la luz es bloqueada completamente a lo largo del sensor. De una vez, los datos son leídos, y después se resetea para la próxima exposición.

Un shutter global preserva la perfecta alineación vertical de las líneas verticales o de objetos moviendose horizontalmente dentro del encuadre. Sin embargo, la sensación de movimiento puede ser realmente distinta.

Dependiendo de cómo se implementa un shutter global, puede haber un pequeño coste en la luz (factor de relleno) y también un rango dinámico cuando se compara con un rolling shutter.

4. Ángulo del shutter

shuttersEl ángulo de obturación es un término que se refiere al ángulo físico. Este ángulo indica, durante cuanto tiempo está abierto un obturador mecánico que gira. El ángulo de apertura, determina la duración de la exposición; al tiempo que el obturador gira.

Los shutters mecánicos en su mayor parte han desaparecido de las cámaras de cine digital, pero a menudo la terminología se ha mezclado.

El ángulo de obturación controla también el nivel de borrosidad que tenga el movimiento. Cuanto mayor sea la exposición, más desenfoque de movimiento, y cuanto más corta sea la exposición, más nítidos aparecerán los objetos en movimiento.

Imagen movimiento congelado, movimiento borroso.

Puede ser calculado fácilmente como fracciones de segundo en tiempo de exposición.

Tiempo de exposición (1/x segundos)= cuadros por segundo x (360/ ángulo de obturación)

Por ejemplo, en una grabación a 24fps y usando un ángulo de obturación de 180º (180º es lo normal)(*)

180º: 24x(360/180)=1/48 avo de segundo.

Aquí una tabla calculada para 24fps con ángulos de obturación por encima de 220º:

15º:1/576 segundos.

20º:1/432 segundos.

40º:1/216 segundos.

60º:1/144 segundos

80º:1/108 segundos

100º:1/86 segundos

120º:1/72 segundos

140º: 1/62 segundos

160º: 1/54 segundos

180º: 1/48 segundos

200º: 1/43 segundos

220º: 1/39 segundos.

Cualquier cambio en el ángulo de obturación cambia también el tiempo de exposición, y necesita ser compensado con un cambio en la apertura del diafragma que afectará a la profundidad de campo. Pero si no quieres que la profundidad de campo se vea afectada, la única opción que te quedaría es añadir filtros ND (si reduces la luz para compensar un tiempo de larga exposición) o incrementas los actuales niveles de luz que tiene la escena (si quieres compensar que tienes un tiempo de exposición más corto).

Si consideramos los 180º como el ángulo básico (normal) como “Una exposición correcta” la siguiente tabla de compensación se aplica.

197-200 cierra 1/4

166-196 exposición correcta

148-165 abre 1/4

135-147 abre 1/3

121-134 abre 1/2

111-120 abre 2/3

99-110 abre 3/4

83-98 abre 1pt

74-82 abre 11/4

68-73 abre 11/3

61-67 abre 11/2

56-60 abre 12/3

50-55 abre 13/4

42-49 abre 2 pts

37-41 abre 2 1/4

34-36 abre 2 1/3

31-33 abre 2 1/2

28-30 abre 2 2/3

25-27 abre 2 3/4

22.5-24 abre 3 ptos.

5. Grabación a un número alto de fotogramas

Glock_HS

highspeed-sea

En la era del cine digital, ahora más que nunca, hay una demanda para grabar a velocidades altas de fotogramas con nuestras cámaras. Esto, antes, solía ser un requisito especial pero ahora es algo mucho más común.

Capturando la espuma de las olas del mar, congelando el detalle, grabando el cambio de líquidos de un vaso a otro o simplemente la belleza de la cámara lenta ya no está fuera de nuestro alcance. Muchas cámaras de cine pueden ahora rodar cómo mínimo a 60fps sino es a una velocidad mayor…

Durante un tiempo Vision Research ha sido el número uno en el desarrollo de cámara para la grabación a una velocidad alta de fotogramas. Mientras los 1000-2000fps está aún lejos de nuestro alcance para la mayoría de nosotros, las cámaras como la phantom flex 4K están empujando los límites de lo que puede ser registrado.

Ten en cuenta cómo las altas velocidades de fotogramas influyen en la exposición (y en las luces que necesitarás)

Alexa-Menu

Para muchas cámaras, independientemente del sensor que tengan, o de quien las fabrique, se cumplen las mismas reglas, ya que es una simple cuestión de matemáticas.

Cada vez que duplicas el número de fotogramas por segundo, estás reduciendo a la mitad el tiempo de exposición para cada uno de los cuadros… y dividiendo a la mitad la cantidad de luz que llega al sensor.

Por ejemplo, asumamos un ángulo de obturación “normal” de 180º.

A 24fps (fotogramas por segundo), con el ángulo de obturación a 180º nos da un tiempo de exposición de 1/48 avo de segundo.

Si doblamos los fotogramas por segundo hasta 48, con el mismo ángulo de obturación, estamos dividendo por la mitad el tiempo de exposición hasta 1/96avo de segundo. Conclusión: Hemos perdido 1 punto de luz y eso que sólo son 48 fps.

Extrapolemos estos datos utilizando como base los 25 fps ya que si uso los 24, no me salen números tan redondos:

25fps @ 180º = 1/50avo seg

50fps @ 180º = 1/100avo seg (1 stop de pérdida)

100fps @ 180º = 1/200avo seg (2 stop de pérdida)

200fps @ 180º = 1/400avo seg (3 stop de pérdida)

400fps @ 180º = 1/800avo seg (4 stop de pérdida)

Por supuesto, se pueden utilizar cualquier otra cantidad intermedia de fotogramas por segundo pero simplemente los he duplicado entre una y otra cantidad para el ejemplo.

Así que se puede observar que estamos perdiendo un punto de luz cada vez que doblamos la velocidad de fotogramas.

Perder un punto de luz no es una pequeña cantidad de luz. Cada punto de luz que se pierde es la mitad de luz.

1stop perdido= 1/2 de luz

2stop perdido= 1/4 de luz

3stop perdido= 1/8 de luz

4stop perdido= 1/16 de luz

Así como un cambio en el ángulo de obturación a una velocidad normal, afecta al tiempo de exposición y requiere de una compensación que se hará con la abertura del diafragma del objetivo o con un aumento de la iluminación, las velocidades altas de fotogramas requieren aún una mayor compensación, más allá de la apertura del diafragma de la lente.

Esto significa que si tienes suficiente luz para una correcta exposición con 25 fps y no quieres que la profundidad de campo cambie (abriendo el diafragma), tendrás que doblar la cantidad de luz usada en la escena o en el sujeto para conseguir la correcta exposición a 50fps.

Tendrás que cuadruplicar la cantidad de luz en el sujeto cuando ruedes a 100fps. Esto se duplica cada vez; de tal manera que a 200fps necesitarás 8 veces más luz respecto de si lo grabas a 25fps.

El sol nos da la luz suficiente para esto, así que en exteriores, a la luz del sol, la compensación de los tiempos de exposición más cortos cuando se rueda a altas velocidades de fotogramas es un problema mucho menor.

De cualquier manera, en interiores usando luz artificial… tienes que aumentar la cantidad de luz seriamente (doblándola) cada vez que dobles el número de fotogramas.

Es normal que las velocidades altas de fotogramas que aparecen en la tabla anterior necesiten mucha luz. Si estás en un set cuando estás rodando un producto en el que hay un movimiento de líquidos (de un vaso a otro) y tienen una phantom rodando a 1000fps. El producto tiene que estar recibiendo una cantidad de luz muy importante.

6. Sensibilidad nominal del sensor (ISO nominal)

Cuando se trata de una velocidad alta de fotogramas, el índice ISO nominal o la exposición “nativa” más alta (EI) siempre es algo beneficioso. Tenga esto en cuenta al comparar las cámaras. Cada sensor es diferente y cada cámara llevará a cabo la captura de manera distinta a velocidades altas de fotogramas.

Si una cámara en particular da imágenes más brillantes a velocidades altas de grabación, ya sea porque el sensor tiene un mayor ISO nominal o porque tiene un ruido aceptable con un ISO mayor.

La sensibilidad ISO de un sensor se debe a muchas cosas, no es una cuestión tan sencilla como el tamaño de los fotolitos (decir esto sería una enorme simplificación), ésto está determinado por la forma en que muchos de ellos están implementados en el sensor. Si se aumenta la resolución (o número de fotolitos) y se mantiene el tamaño del sensor, los fotolitos tienen que ser más pequeños y en general, la sensibilidad nominal disminuirá, lo cual genera que la cámara necesite más luz. La cantidad de espacio entre los fotolitos es también un factor, junto con la cantidad de espacio necesario para los circuitos en cada fotolito.

7. Ruido

Al final, independientemente de todo esto, siempre hay “ruido”, un nivel mínimo de “ruido” al contar o detectar un pequeño número de fotones, que se debe a las variaciones en la probabilidad cuántica. Si se lanza un sólo fotón a una superficie con un 50% de reflectancia, hay una probabilidad de un 50% de que ese fotón sea reflejado o absorbido. Así que la superficie podría mostrar si el fotón se refleja y se detecta en un fotolito, o podría ser negro si el fotón es absorbido en lugar de reflejarse.

La mayoría de los fotones que son lanzados sobre la superficie, tienen una probabilidad de un 50% de ser reflejado y un 50% de ser absorbido. Si lanzas una moneda, cuando caiga puede aparecer la cara, o la cruz, pero sólo puede haber un resultado posible y la probabilidad de que se muestre una u otra es la misma. Si lanzas 1.000 monedas, la mitad de ellas deberían caer en cara y la otra mitad en cruz.

No quiero exagerar este tema del “ruido”, ya que sólo es un factor importante en niveles extremadamente bajos de luz, pero sólo quiero señalar que incluso si un sensor de imagen es de alguna manera perfecto (que no lo son), se define un nivel de ruido mínimo impenetrable que simplemente está por debajo de la física cuántica. Otros tipos de ruido también entran en juego, como el Patrón fijo de Ruido (FPN) que es causado por la falta de uniformidad del sensor en el proceso de fabricación. Este patrón es fijo y se puede ser trazado, sin embargo otros tipos de ruido temporal son más difíciles de reducir.

8. Luz

Un sensor de imagen siempre obtiene los mejores resultados cuando hay mucha luz, y cuando se tiene tiempos de exposición muy cortos para cada fotograma (como cuando aumentas la velocidad de fotogramas). La única solución es utilizar más luz.

Como he explicado antes en “8 pasos esenciales para la perfecta exposición del fotograma – el conocimiento que todo cámara debe tener” exponer el sensor adecuadamente es la clave más importante para lograr que la imagen que estás grabando se vea hermosamente equilibrada y terminada después de la post-producción.

Escrito por Richard Lackey del blog www.cinema5d.com traducido por Jorge Rio. Video realizado por Irene Terron de la web casanovafoto.

(*)1obturador

(*)2este dato sale de que la luz en Europa funciona a 50Hz que se consideran 180º.

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