Obturateurs global et progressif ...Quesaco

jakovideo, cette réponse peut intéresser d'autres repairenautes en quète de "décryptage" de termes techniques…
J'ai ma petite idée mais je te laisse le soin de résumer ces "explications".

Cependant, je ferais la remarque que pour nos camescopes numériques en état de fonctionnement, il n'y a -généralement- plus d' obturation : le capteur reste exposé à la lumière en permanence (ce qu'il capte reste visible sur ecran ou viseur que l'on enregistre ou non)…

Si, l'on assimile la durée d' "intégration" de l'énergie lumineuse reçue par le capteur à une durée d' exposition correspondant à une non-obturation, c'est par commodité de langage respectant une "tradition" issue de la photo argentique vers la technologie numérique (je dis plutôt de la photo que du cinéma, l' obturation ciné étant obtenue par la rotation de pales découpées dans un disque tournant entre l' objectif et le film en synchroisation avec l' avance "saccadée" du film).

Surtout avec les capteurs CMOS, l'intégration et le recueil de l'énergie électrique convertie par les "pixels" n'est pas globale mais , s'apparente à une "non-obturation" progressive, d'où le fameux inconvénient ayant gardé l' appellation "rolling shutter"…

 

Bonjour Guy-Jacques,

le type d'obturation "électronique" des capteurs CCD et CMOS était spécifique à chacune des ces deux technologies, l'obturation des CCD s'effectue de façon globale (Global Shutter / Obturateur global), contrairement au CMOS, s'effectuant ligne par ligne (Rolling Shutter / Obturateur déroulant), ce qui provoque dans ce cas les effets que l'on voit fréquemment sur des vidéos issues de camescopes ou photoscopes à base de CMOS :
- les hélices des avions déformées (Smear),
- une image coupée en bandes lorsque l'on filme des éclairs d'orages ou de flashs (flash band)
- une inclinaison ou une déformation (skew, Jello effect, Wobble) de ton sujet lorsque tu fais un pano rapide, ou lorsque le sujet est en mouvement rapide, ou si le camescope vibre, ce qui ne se produit pas avec les camescopes à capteurs CCD.

Le Global Shutter (Obturation globale) est maintenant utilisé sur certains capteurs CMOS (comme ceux utilisés dans les URFA BlackMagic ou les Sony F55 et d'autres) pour éliminer le mieux possible ces effets.

 

Déjà, il apparaît une contradiction "traditionnelle" entre ce qui se passe lors d'un enregistrement photographique (et cinématographique) classique càd sur une surface chimiquement sensible p. ex. argentique.
Il y a obturation, càd fermeture de l' obturateur, en l'absence d' enregistrement d'une prise de vue et il y a exposition -de la surface sensible- à la lumière lors de la prise de vue.
Au lieu de mode d'obturation et de "vitesse d' obturation", il faudrait parler de la réciproque qui est l' exposition, le mode d'exposition et la durée d' exposition.

Toujours en enregistrement sur surface sensible argentique, les alternances -irrégulières- des phases d'exposition / obturation sont obtenues par un dispositif mécanique, l' obturateur …

La photo argentique évoluée en connait deux types:
- "central"
- "à rideaux"

Le "central" dévoile la totalité de la surface sensible pendant la même durée, celle de l' exposition…
Ce dispositif peut donc aussi être nommé "global", il a l'avantage de supporter un fonctionnelment répétitif (rafale) à forte fréquence et l'inconvénient de limiter la durée d'exposition en général au 1/500s … et au maximun, rarement et chèrement au 1/1600s … Le mécanisme le plus connu est l'obturateur "Compur" …


Le mécanisme "à rideaux", ils sont généralement métalliques, leur fontionnement total s'effectue toujours pendant la même durée (ou, en fait, selon 1 ou 2 durées selon que l'exposition choisie est rapide ou lente). Lors du "déclanchement" les deux rideaux s' écartent pour créer une fente "horizontale" dont la largeur est d'autant plus réduite que l' exposition choisie est courte.
Ensuite, et pendant ce temps fixe, la fente ouverte à la lumière "descend" à une vitesse fixe pour "balayer" la totalité de la hauteur d' image.
Chaque "point" de la surface sensible est exposé pendant le temps que l' ouverture de la fente met à le découvrir.

Par exemple, si le déplacement vertical de la fente dure -à l'insu du photographe- 1/20s, en réglant la largeur de fente au 1/5 de la hauteur d'image l'exposition de chaque point de la surf. sensible sera de 1/100s, une fente de largeur 1/25 de la h. d'im. rend une exposition au 1/500s …
Mais, un point du haut de l'image est exposé 1/20s = 0,05s avant son homologue vertical du bas; c'est sans problème s'il n'y a pas eu de déplacement horizontal des points réels pendant ce temps, sinon, le décalage réel de leurs positions perdra sa verticalité sur l'image = conséquence du Rolling Shutter ( Rolling Shutter en VO = obturateur à rideaux en VF)… Le Jelloweffect & C°, c'est complication du Rolling Shutter.
Autre inconvénient, le réarmement mécanique de cet obturateur est moins rapide que celui du "central" d'où le coût d'un app. photo argentique capable de rafales à "haute" fréquence…
Avantage, possibilté d' expositions ultra courtes (= "vitesses d' obturation" =shutter speed élevées …


Pour le cinéma, l'obutrateur est "à pales", alternant ouverture et obturation par découpage de secteurs dans un disque opaque. L'amplitude des secteurs ouverts est caractérisée par un angle mesuré en degrés…
Les caméras vidéos utilisées par des pros gardent, dans leur commandes d' exposition, le souvenir de ce dispositif…

Ce "vocabulaire" mais, pas sauf exception, les mécanismes, a été conservé avec le remplacement de l'enregistrement basé sur le chimique par l'enregistrement basé sur l' électronique, enregistreement qui fut d' abord analogique -magnétique- puis est maintenant devenu numérique.

La surface sensible c'est celle d'un capteur pavé de "pixels" dont il existe encore, pour l'imagerie, effectivement deux types
- CCD
- CMOS
où,
s'ils sont différents en constitution et réalisation,
les "pixels" chargent** de l'énergie électrique quand ils sont "excités" par de l'énergie lumineuse pendant une "durée d'intégration" … en gros traduisible par "exposition" mais logiquement pas du tout par obturation = terme cependant utilisé par la "force de l' habitude" !
** les pixels se chargent en énergie électrique en déchargeant la batterie !

Outre les différences de constitution et (coût) de réalisation, effectivement l'intégration des "CCD" est globale et celle des CMOS est "progressive …

Le smear, défaut caractéristique des capteurs CCD est dû au "débordement" des électrons chargés dans un (groupe de) pixel(s) par un excédent de photons, le"drain d' évacuation du débordement est commun à tous le pixels de la même colonne et donc "dégueule" dans les pixels inférieurs … qui alors se surchargent d' électrons … ensuite traduits par une luminance maximale…
Dans certains immeubles, un phénomène analogue et généralement nauséabond peut se produire si le voisin du haut … …

 

Bonjour Jakovideo,

je connais aussi le Smear vertical dû aux capteurs CCD, j'ai utilisé pendant quelques années les Sony PD170 et Z1 et constaté cet effet lié aux capteurs CCD, j'ai été aussi surpris comme toi à l'époque, mais là il s'agit d'un effet différent, celui de "Frame Smearing" lié au rolling shutter des camescopes et photoscopes CMOS :

https://curve.carleton.ca/system/files/theses/27681.pdf

page 10 de la thèse "2.1.3 Smear
Smear is usually seen when an object in the scene is moving at high speed, rather than the camera itself. "

et page 11 figure 2.3b (Moving Fan):

"Figure 2.3:
An example of frame smearing. Figure 2.3a shows the fan blades stationary, while Figure 2.3b shows a floating portion of a fan blade caused by the aliasing smear effect of a rolling shutter camera.
"

???
Peux-tu nous poster un lien vers ton wiki, parce que les traductions peuvent induire en erreur, par exemple on parle de :
- CMOS Global Shutter -> CMOS à obturateur global -> lecture est à balayage progressif ?
- CMOS Rolling Shutter -> CMOS à obturateur déroulant, roulant, progressif ? ... -> lecture à balayage ligne par ligne

Pour progressif, tu parles d'obturateur ou de méthode de balayage ?

on parle plutôt de pixels

 

Le problème avec, surtout les CMOS, c'est confusion entre
- "intégration": phase commandée activant la conversion photon / charge électrique
et
- "lecture" : phase commandée de recueil des charges…recueil évidemment non global puisqu'il faut … en échantillonner le flux pour "rendre à César ce qui a été (à peu près) fourni par chaque pixel.

L'intégration étant temporellement en amont de la lecture qui est "progressive", si cette intégration est globale**, à un moment, il va se créer un délai entre les deux phases… Alors, en général, l'intégration précède immédiatement et "progressivement" la lecture.
"Progressivement" signifiant là pixel par pixel, ligne après ligne de la totalité de l' image… Ce qui, par la suite, en échantillonnage peut aussi être appliqué (et même si la vidéo est entrelacée car on sait que dans ce cas il y a un amalgame des lignes retenues avec celles non enregistrées selon une proportion définie)…

Pour les CCD, le recueil concerne simultanément donc globalement toutes les colonnes… pour les réarranger en matrice qui sera lue … progressivement… Le smear n'est pas évité mais le Rolling Shutter l'est…

Je me suis pas mal intéressé aux hélices d' avions MAIS, j'ignore les détails des causes de ces effets de torsion que jusque là je n'attribuais qu' à un phénomène de Rolling Shutter - Je crois que cet effet n'existait pas avec les capteurs CCD…

L' expression "aliasing smear" m'est inconnue …
au sens propre (!) le smear est une salissure !
l'aliasing est un effet d'escalier sur une ligne ou un moirage provoqué par des lignes rapprochées…
L'un peut s'ajouter à l'autre … mais avec le Rolling Shutter caractéristique des CMOS … le smear en cause ne m' apparait pas de même nature que le smear caractéristique des CCD … Celà dit

Quant à pixel vs photosite … les pixels de définition d' image ne sont pas des photosites mais dans le vocabulaire popularisé par l' usage, les unités de capture d'un capteur d' image sont aussi appelés des pixels.
Or l'espace et le matériel qui concerne chacun d' eux est un photosite (dont l' élément essentiel mais pas unique est une photodiode, c'est elle qui est "CCD" ou bien "CMOS") …
On a donc le choix du vocabulaire, bien que je le trouve propice aux confusions, j'ai choisi "pixel" mais, il m'arrive de lui préférer photosite lorsqu'il s'agit des pixels matériels pavant un capteur d' image.