INTRODUCCIÓN

A raíz de la aparición en el foro Fujistas de imágenes del forero pixel-depot, obtenidas con la Fujifilm X-T1 a la increíble velocidad de 1/32000 que permite su nuevo firmware cuando se usa la obturación electrónica:


Fig. 1 Imagen de Fujifilm X-T1 con obturación electrónica a 1/32000.

He sentido curiosidad por indagar un poco en el tema de los artefectos derivados del rolling shutter en fotografía, y además por tratar de averiguar partiendo solo de la imagen anterior cuál es la velocidad a la que la cámara lleva a cabo el barrido de captura del sensor.

Por si el lector no lo ha advertido, en la anterior imagen tanto la flecha como la cuerda del arco aparecen deformadas de manera antinatural debido a la particular forma de leer el sensor que implica la obturación electrónica.

OBTURADOR ELECTRÓNICO vs OBTURADOR MECÁNICO

En el artículo Electronic VS mechanical shutter de JuzaPhoto, se explica muy bien la diferencia, pros y contras de los distintos tipos de obturación que podemos encontrar en una cámara digital. Antes de hacer un resumen de lo que allí se expone hay que dejar clara la diferencia entre:

• Velocidad de obturación: tiempo durante el que captura luz cada fotosito del sensor. Es un valor ajustado por el usuario y del que, junto con la apertura, dependerá directamente el nivel de exposición (fotones incidentes) que obtendrá cada fotocaptor


• Velocidad de lectura del sensor (readout speed): tiempo que tarda el sensor en realizar la captura completa de la información luminosa procedente de la escena. Es un parámerto prefijado por el hardware de la cámara y los fabricantes no lo suelen declarar. Nosotros lo vamos a calcular!.

A alguien le podría chocar que ambos tiempos no sean iguales, pero la realidad es que la velocidad de obturación normalmente es mucho mayor a la velocidad de lectura del sensor. Es decir, los fotositos capturan luz de la escena durante un tiempo sensiblemente inferior al tiempo total durante el que el sensor está capturando información.

Para entenderlo entran en juego los distintos tipos de obturación que pueden encontrarse en una cámara digital:

• Obturación mecánica: consiste en 2 cortinillas físicas que descubren y cubren el sensor para que cada fotosito esté expuesto a la luz el tiempo establecido por el fotógrafo. La velocidad de obturación máxima que puede alcanzarse es del orden de 1/8000, y es el tipo de obturación habitual en cámaras réflex y en cámaras sin espejo cuando no se usa la obturación electrónica.


• Obturación electrónica global: en este caso no hay partes mecánicas involucradas sino que la exposición se lleva a cabo de forma electrónica, haciendo que todos los fotositos del sensor capturen información solo durante el tiempo de exposición establecido, y además haciéndolo todos ellos a la vez. Es un tipo de obturación aún muy poco habitual por su alto coste y por tanto solo disponible en un reducido número de cámaras (el autor del enlace de JuzPhoto menciona la Sony F55 a un precio de 30.000 $).


• Obturación electrónica no global: es similar a la anterior pero en este caso los fotositos del sensor no capturan la información de forma simultánea sino que lo hacen siguiendo un barrido vertical, posiblemente por líneas completas. Con este tipo de obturación, disponible en cámaras sin espejo como la X-T1 estudiada, pueden alcanzarse velocidades de obturación de hasta 1/32000, siendo la velocidad de lectura del sensor completo mucho más lenta (típ. 1/10~1/80).

La obturación electrónica global es la ideal en todos los casos: totalmente silenciosa, ultrarrápida, y sin deformaciones debidas al rolling shutter. Las limitaciones técnicas para su implementación están muy bien detalladas en el documento de Aptina: Global Shutter Pixel Technologies and CMOS Image Sensors.

El tercer caso es el que nos interesa en este artículo. Que la captura de información del sensor no se realice de forma simultánea, provocará que si alguno de los elementos de la escena o la propia cámara sufrieran movimientos de velocidad comparable a la de la lectura del sensor, se producirán los artefactos rolling shutter que vamos a estudiar.

EFECTO ROLLING SHUTTER

El efecto o artefactos rolling shutter, a veces referido como "efecto gelatina", consiste en una deformación de las imágenes capturadas propia de la obturación electrónica no global. Se hace notorio especialmente en vídeo digital cuando la cámara y/o el sujeto se mueven a suficiente velocidad, y como hemos apuntado es debido a que en estos dispositivos las distintas líneas del sensor no se capturan de forma simultánea. Esto provoca que lo registrado por las últimas filas de fotocaptores del sensor corresponda a instantes anteriores a lo que capturaron líneas superiores (recordemos que la imagen se proyecta invertida sobre el sensor):


Fig. 2 Efecto rolling shutter sobre sujeto en movimiento.

En la anterior animación vemos cómo un sujeto cuyo movimiento ocurre a una velocidad del mismo orden de magnitud que el barrido del sensor, se captura deformado debido al rolling shutter de la obturación electrónica no global.

El tipo de distorsión producida dependerá de la dirección relativa del movimiento del sujeto o cámara, respecto al barrido siempre vertical de la lectura del sensor. Así para un sujeto que se moviera de izquierda a derecha como en la imagen con que iniciábamos el artículo, se tendrían distintos artefactos según la orientación de la cámara:


Fig. 3 Efecto rolling shutter según orientación de la cámara.

Las deformaciones más curiosas se dan con sujetos cuyo desplazamiento no es en línea recta, como por ejemplo la rotación de la hélice de una avioneta:


Fig. 4 Efecto rolling shutter en movimiento rotatorio.

En el siguiente enlace puede verse un fenomenal desarrollo matemático de un estudiante de doctorado para modelar la geometría del rolling shutter en este tipo de movimientos: Rolling Shutters. Se incluyen interesantes gráficos animados.

VELOCIDAD DE LECTURA DEL SENSOR

Estrictamente hablando, cuando se trabaja con obturación mecánica a velocidades altas también se produce el efecto rolling shutter, pero es en todos los casos inapreciable dada la alta velocidad del movimiento de las cortinillas mecánicas en las cámaras actuales.

El autor del artículo de JuzaPhoto habla de cifras del orden de ~1/1000, aunque gracias a un excelente vídeo de The Slow Mo Guys donde han grabado la obturación de la Canon 7D a alta velocidad (10000 fps): Inside a Camera at 10,000fps, se puede calcular por geometría que las cortinillas de esta réflex son algo más lentas:


Fig. 5 Cálculo de la velocidad de barrido en la Canon 7D.

Si la separación entre las dos cortinillas para un tiempo de exposición de 1/500 abarca 118 píxeles en esa imagen, y el sensor abarca 133 píxeles, las cortinillas tardarán en barrer todo el sensor: 1/500 * 133 / 118 = 1/444. Ésta es la velocidad del rolling shutter de la 7D, suficiente para no dar problemas de deformaciones en situaciones reales.

No obstante no siempre fue así, como puede verse en esta conocida foto de Jacques Henri Lartigue tomada en 1912 con una cámara de gran formato:


Fig. 6 Efecto rolling shutter con obturación mecánica.

La imagen es interesante porque al combinar objetos estáticos y dinámicos, apareciendo unos y otros distorsionados con inclinaciones opuestas, permite deducir que Lartigue hizo un barrido horizontal siguiendo al coche de carreras, pero se quedó corto en la velocidad necesaria si se pretendía evitar distorsión en el vehículo.

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Visto lo anterior, cuando trabajemos con obturación electrónica no global, en qué casos vamos a poder sufrir estos artefactos?. Esto dependerá de cuál sea el tiempo de barrido del sensor. Vamos a aprovechar la imagen de la tiradora para tratar de estimar cuál es esta velocidad:


SUPOSICIONES

He obtenido unos datos estándar de webs y blogs sobre tiro con arco. Su aplicación a nuestro caso no será exacta pero servirá para hacer una estimación de la velocidad real de lectura del sensor y al menos conocer su orden de magnitud:

• Diámetro de la flecha: 8 mm
• Velocidad de la flecha: 200 Km/h
• Imagen original recortada por arriba y/o abajo respecto al formato 3:2, pero no por los laterales

DATOS Y CÁLCULOS

Asumidos los anteriores datos basta aplicar un poco de geometría a la escena capturada:


Fig. 7 Cálculos efecto rolling shutter.


Fig. 8 Detalle cálculos efecto rolling shutter.

• Relación entre velocidad de la flecha y barrido del sensor: 133:60
• Un píxel de la imagen original (1280 píxeles de ancho), corresponde a ~1 mm real
• 200 Km/h = 55556 mm/s, por tanto la flecha va a 55556 px/s en horizontal en la imagen
• Por la relación 133:60 el barrido va a 25063 px/s en vertical en la imagen
• En la imagen original se ha añadido lienzo hasta completar 853 píxeles de alto
• Para recorrer 853 píxeles a 25063 px/s se requieren 0,034 s por lo que la velocidad de barrido vertical estimada es de 1/30

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Como podemos ver no es precisamente una velocidad muy elevada, por lo que concluimos que es altamente probable tener problemas de deformaciones en las imágenes si disparamos a 1/32000 con la intención de congelar un movimiento rápido del sujeto. Los píxeles aparecerán perfectamente nítidos pues la exposición de cada uno de ellos sí corresponde a 1/32000 s, pero la imagen global sufrirá distorsiones en las partes con movimiento.

El cálculo de 1/30 choca con la posibilidad de que el sensor lea una sola fila en cada ciclo de captura. Siendo un sensor de 3264 líneas, con un tiempo de 1/32000 s dedicado a capturar cada una de ellas, la lectura del sensor línea por línea no debería poder ser más rápida de 1/32000 * 3264 = 0,102 s, es decir 1/10, tres veces más lenta de lo estimado. La diferencia me parece excesiva para explicarse solo con las aproximaciones hechas, así que intuyo que el mecanismo de lectura del sensor no es tan sencillo como para leer solo una línea en cada lapso de 1/32000 s.

Un cálculo similar, aunque mucho más ortodoxo así que me fío más del suyo, lo explica Nico Jansen para la Fujifilm X100T en el siguiente enlace: The X100T’s Electronic Shutter: 1/32000s In 1/15. El tiempo de lectura calculado es de 1/15, independiente además de la velocidad de obturación elegida.

CONCLUSIONES

De lo visto la primera conclusión que saco es que, dada la baja velocidad de lectura del sensor al usar obturación electrónica no global (típ. 1/10~1/80), las altas velocidades de obturación electrónica paradójicamente no resultan de utilidad para congelar el movimiento rápido de sujetos. Las imágenes obtenidas serán nítidas, pero sufriremos con facilidad los artefactos derivados del rolling shutter y para evitarlos no quedará más remedio que pasar a usar la obturación mecánica más rápida disponible.

Sí son de utilidad en cambio estas altas velocidades de obturación electrónica para reducir la exposición. Un ejemplo típico sería la obtención de imágenes con poca profundidad de campo (lo que implica grandes aperturas tipo f/1,2 a f/1,8) en escenas con fuerte iluminación (p.ej. a pleno sol). En estos casos la obturación electrónica ultrarrápida puede sustituir a los filtros ND, siempre que nos aseguremos de no sufrir los citados problemas de rolling shutter.

Respecto a la cámara analizada en cuestión, y dadas las múltiples aproximaciones hechas en el cálculo, francamente me quedo con la duda de cual sea su velocidad de lectura del sensor exacta. Sí que parece claro que el orden de magnitud debería estar entre 1/10 y 1/30, lo bastante lenta como para tomar precauciones a la hora de usar la obturación electrónica si la escena tiene movimiento. El efecto rolling shutter además será más dañino cuanto mayor sea la focal empleada pues el mismo movimiento absoluto del sujeto se traducirá en un más rápido movimiento relativo dentro del encuadre.

Al margen de la mayor o menor utilidad de la obturación electrónica en lo que concierne a la velocidad de disparo, es indudable el avance que representa este tipo de obturación en cuanto a durabilidad, fiabilidad y discreción. La ausencia de partes mecánicas equivale a tener un obturador de duración virtualmente infinita, que por otro lado opera en completo silencio con la ventaja que ello supone en ciertas aplicaciones. La obturación electrónica es el futuro, y una de las pocas asignaturas pendientes en el camino a la completa digitalización de la fotografía.


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