Découvrez les principales différences entre le système Rolling Shutter ou Global Shutter et leurs avantages et inconvénients.
Si vous avez déjà pris une photo ou une vidéo d’une hélice en rotation, vous savez probablement ce qu’est un “effet volet roulant” ou également appelé rolling shutter. L’hélice peut apparaître “déformée”.
Le problème provient de la manière dont les appareils photo numériques envoient les données du capteur au moteur de traitement de l’image en mode obturateur électronique. Pour savoir pourquoi cela se produit et ce que vous pouvez faire pour y remédier, parlons un peu plus des obturateurs.
Qu’est-ce que l’obturateur global ?
Tout d’abord, je dois être clair sur un point. Je parle d’obturateurs électroniques et non d’obturateurs mécaniques.
Les obturateurs mécaniques sont différents. Ils ont leurs propres problèmes, comme la limite de la vitesse de synchronisation du flash. Celle-ci n’est généralement que de 1/200 s ou 1/250 s.
Les problèmes liés à l’obturateur rotatif et à l’obturateur global n’ont rien à voir non plus avec les longues vitesses d’obturation. Là encore, les longues vitesses d’obturation ont leurs propres problèmes, notamment le motion blur.
L’obturateur rotatif et l’obturateur global sont des types différents d’obturateurs électroniques. Cet article tente d’expliquer les avantages et les inconvénients de ces deux types d’obturateurs.
Rolling Shutter
Le mode “Rolling Shutter” des appareils photo numériques expose les pixels à la lumière ligne par ligne, à la manière d’un scanner. Les appareils photo allument d’abord ceux qui se trouvent en haut du capteur, puis roulent vers le bas. Ou bien deux ” ondes ” s’étendent à partir du centre du capteur.
Cela fonctionne bien dans la plupart des situations. Mais vous obtenez un effet rolling shutter si les sujets se déplacent rapidement dans le cadre ou si vous déplacez l’appareil photo d’un côté à l’autre.
Les fabricants d’appareils photo travaillent d’arrache-pied pour améliorer la vitesse de lecture de leurs capteurs. Mais le problème de volet roulant subsistera toujours.
En effet, la lumière frappe les pixels à des moments différents. Ceux situés en haut du capteur sont exposés et éteints en premier. Les pixels situés en bas du capteur sont exposés en dernier et éteints en dernier.
Si rien ne bouge dans la scène, cela ne pose pas de problème. Mais si quelque chose bouge, différentes rangées de pixels enregistrent sa position à différents moments et à différents endroits. C’est ce qui provoque l’effet de volet roulant, c’est-à-dire le basculement de l’image d’un côté à l’autre.
Rolling lors d’un panoramique
Le même phénomène se produit lorsque vous déplacez l’appareil photo. C’est uniquement l’appareil photo qui bouge et non le sujet.
Imaginez que vous preniez une photo d’un rectangle se déplaçant rapidement de gauche à droite avec un appareil photo muni d’un obturateur. Lorsque l’on appuie sur le déclencheur, l’exposition commence.
Le capteur de l’appareil photo enregistre la partie supérieure du rectangle à l’aide de la rangée supérieure de pixels. Ces pixels restent actifs pendant la durée de la vitesse de l’obturateur (ou valeur temporelle). Disons qu’il s’agit de 1/1000 s.
La rangée de pixels suivante n’est pas activée tant que la première ne l’a pas été. Ce délai est le “temps de ligne”. Il peut être de l’ordre de 10 ms (10 microsecondes ou 10 millionièmes de seconde).
Lorsque la première rangée est désactivée, vous obtenez le même léger retard jusqu’à ce que la deuxième rangée soit désactivée. Si vous multipliez le temps de ligne par le nombre de rangées de pixels sur le capteur, vous obtenez le “temps de frame”.
Obturateur global
Le mode obturateur global consiste à exposer tous les pixels du capteur en même temps (ou “globalement”). Cela signifie qu’il n’y a pas de distorsion dans l’image finale lorsque l’on prend des photos d’objets en mouvement.
Il s’agit d’une technologie plus coûteuse. Elle implique également qu’une énorme quantité de données soit envoyée simultanément au moteur de traitement de l’image.
Un appareil photo à obturateur global nécessite également des composants électroniques supplémentaires. Il est donc difficile d’utiliser un capteur rétroéclairé (BSI).
C’est dommage, parce que ces capteurs sont bien meilleurs pour la photographie en basse lumière. Le fait de placer la couche de silicium sensible à la lumière plus près de la source lumineuse leur permet d’atteindre une efficacité quantique (QE) de 95 %. Cela signifie qu’ils ne perdent que 5 % du signal original.
Les obturateurs globaux doivent utiliser des capteurs à éclairage frontal. Ils doivent comporter des micro-lentilles et d’autres circuits électroniques au-dessus de la zone photosensible. Cela limite leur QE à 70-80 %. Cela signifie que 20 à 30 % du signal disparaît.
Il n’est pas possible d’avoir un capteur à obturateur global et un capteur BSI. Les obturateurs globaux ne sont donc pas encore devenus courants.
Rolling Shutter ou Global Shutter : quel est le meilleur ?
Chaque type d’obturateur électronique présente des avantages et des inconvénients. L’avantage relatif dépend de l’application.
Avantages de l’obturateur :
- Fréquences d’images plus élevées
- Capteurs BSI haute résolution
- Niveaux de bruit plus faibles
- Sensibilité native plus élevée
- Gamme dynamique plus élevée
Inconvénients de l’obturateur
- Artéfacts du volet avec des sujets en mouvement rapide
- Vitesse de synchronisation du flash limitée
Avantages de l’obturateur global :
- Pas de distorsion de la ligne droite avec les sujets en mouvement rapide
- Pas de limitation de la vitesse de synchronisation du flash
Inconvénients de l’obturateur global :
- Plus de bruit
- Sensibilité native plus faible
- Gamme dynamique plus faible
- Fréquence d’images plus faible
- Coût de production élevé
La plupart des appareils photo DSLR modernes, qu’ils soient reflex ou sans miroir, sont équipés de capteurs à obturateur électronique. Les fabricants pensent en effet que nous supporterons l’effet de rolling shutter tant que nous obtiendrons une meilleure résolution et des fréquences d’images plus élevées. Et ils ont probablement raison !
La gamme dynamique est également un facteur. Blackmagic Design a récemment choisi de remplacer l’obturateur global par un obturateur roulant dans sa caméra d’action URSA Pro Mini 4,6K afin de pousser la gamme dynamique jusqu’à 15 arrêts.
Le seul créneau dans lequel les fabricants utilisent des obturateurs globaux est celui des caméras dotées d’un capteur CCD interligne ou EMCCD. Cela s’explique par le fait que les fréquences d’images ne sont pas si importantes. Le compromis est différent.
Conclusion
Dans un monde idéal, tous les appareils photo seraient équipés d’obturateurs globaux. Il est logique qu’ils activent et désactivent chaque pixel en même temps. Et cela supprimerait la distorsion du mode volet.
Cela pourrait-il se produire à l’avenir avec tous les appareils photo dotés d’un obturateur global ? Ou cela finira-t-il dans les oubliettes de la technologie ?
Nous devrons attendre et voir. D’autres fabricants d’appareils photo, tels qu’Andor, pourraient commencer à proposer le mode obturateur global en option. Les photographes pourraient alors choisir d’accepter une fréquence d’images plus faible pour éviter les effets de volet.
