شاتر الکترونیکی، آیا دوران شاتر مکانیکی در دوربین‌های حرفه‌ای تمام شده است؟

نیکون در Z9 شاتر مکانیکی را از دوربینی کنار گذاشت که برای عکاسی حرفه ای از ورزش و حرکت سریع ساخته شده است. ثبت عکس در این دوربین به حرکت پرده مقابل حسگر نیاز ندارد و زمان بندی نوردهی کاملاً الکترونیکی است. صدای مکانیکی شاتر، لرزش ناشی از حرکت آن و فرسودگی پرده ها نیز از فرایند ثبت عکس حذف شده اند.  این تغییر حاصل پیشرفت حسگرها در ثبت سریع تصویر است. برای جایگزینی پرده، حسگر باید بخش های مختلف صحنه را با هماهنگی زمانی کافی ثبت کند. توان انجام همین کار، جایگاه امروزی شاتر مکانیکی را مشخص می کند.

شاتر الکترونیکی و مکانیکی چیست؟

شاتر وظیفه کنترل مدت زمان برخورد نور با حسگر دوربین را بر عهده دارد تا میزان روشنایی عکس و نحوه ثبت حرکت مشخص شود. این کار به دو روش کاملاً متفاوت مکانیکی و الکترونیکی انجام می گیرد.

شاتر مکانیکی (Mechanical Shutter) در این حالت، دو پرده فیزیکی (پرده اول و دوم) دقیقاً مقابل حسگر قرار دارند. برای ثبت عکس، پرده اول کنار می رود تا نور به حسگر بتابد و پس از زمان تعیین شده، پرده دوم بسته می شود تا نوردهی پایان یابد. حرکت این قطعات فیزیکی باعث ایجاد صدای آشنای کلیک دوربین و لرزش خفیفی در بدنه می شود.

شاتر الکترونیکی (Electronic Shutter) در این روش، هیچ قطعه فیزیکی حرکت نمی کند. پرده ها همیشه باز هستند و خود حسگر با فرمان الکترونیکی روشن و خاموش می شود (پیکسل ها شروع به دریافت نور کرده و سپس اطلاعات خوانده می شود). این روش کاملاً بی صدا و بدون لرزش است و امکان عکاسی پیاپی با سرعت بسیار بالا را فراهم می کند.

نقش پرده شاتر در زمان بندی نوردهی

حسگر، سطح حساس به نور درون دوربین است و میلیون ها نقطه دریافت نور یا پیکسل دارد. شاتر مدت جمع آوری نور برای هر عکس را تعیین می کند، مدت کوتاه تر برای متوقف کردن حرکت در تصویر و مدت طولانی تر برای دریافت نور بیشتر کاربرد دارد. در شاتر مکانیکی پرده ای یا صفحه کانونی (Focal-Plane Shutter)، دو پرده مقابل حسگر حرکت می کنند. پرده اول مسیر نور را باز می کند و پرده دوم پس از فاصله زمانی تعیین شده آن را می بندد. حرکت هماهنگ پرده ها، مدت نوردهی را در بخش های مختلف حسگر یکسان نگه می دارد.

شاتر پرده اول الکترونیکی (Electronic First-Curtain Shutter یا EFCS) بخشی از این حرکت را حذف کرده است. نوردهی از طریق مدارهای حسگر آغاز می شود و با بسته شدن پرده دوم پایان می یابد. این روش لرزش شروع نوردهی را کاهش می دهد. در شاتر تمام الکترونیکی، آغاز و پایان نوردهی هر پیکسل در خود حسگر کنترل می شود و هنگام ثبت عکس، پرده ای حرکت نمی کند.  حذف رفت و برگشت پرده ها امکان عکاسی پیاپی سریع تر را فراهم می آورد. سرعت ثبت عکس ها از این مرحله به توان حسگر، پردازنده و انتقال اطلاعات وابسته است.

سرعت خوانش، فاصله میان ثبت یک ردیف و تمام قاب

اطلاعات نور دریافت شده باید از پیکسل ها گرفته و برای ساخت تصویر منتقل شود. این فرایند «خوانش حسگر» نام دارد. در بسیاری از حسگرها، نوردهی و خوانش به صورت ردیفی پیش می رود: ردیف اول زودتر آغاز می کند و ردیف های بعدی با فاصله کوتاهی به دنبال آن می آیند. این شیوه را شاتر ردیفی یا رولینگ شاتر (Rolling Shutter) می نامند.  فرض کنید دوربین هنگام چرخش به کنار، از یک تیر چراغ برق عکس می گیرد. بالای تیر در ردیف های بالایی تصویر ثبت شده است، اما تا نوبت ثبت پایین آن برسد، دوربین کمی چرخیده و جای تیر در قاب عوض شده است. در عکس نهایی، بالا و پایین تیر هم راستا نیستند و تیر کج دیده می شود.

با انتخاب سرعت شاتر ۱/۸۰۰۰ ثانیه، هر ردیف فقط همین مدت نور می گیرد. کوتاه کردن این مدت، تاری حرکت را کمتر می کند، برای حفظ شکل سوژه، فاصله زمانی ثبت ردیف اول تا آخر نیز باید کوتاه باشد. به همین دلیل یک سوژه می تواند در عکس لبه های واضحی داشته باشد، اما کج یا کشیده ثبت شود.  شاتر مکانیکی هم در سرعت های بالا تمام قاب را یک باره نوردهی نمی کند. پرده دوم پیش از باز شدن کامل پرده اول حرکت می کند و شکافی باریک روی حسگر پیش می رود. اگر عبور این شکاف از خوانش الکترونیکی حسگر سریع تر باشد، سوژه فرصت کمتری برای جابه جایی دارد و تغییر شکل آن کمتر خواهد بود. این مزیت، کاربرد شاتر مکانیکی را در دوربین های دارای خوانش کندتر توضیح می دهد.

حسگر پشته ای و امکان حذف شاتر مکانیکی

برای کوتاه کردن فاصله ثبت ردیف ها، اطلاعات حسگر باید سریع تر جابه جا شوند. در حسگر پشته ای (Stacked CMOS)، بخش دریافت نور و بخش مدارها در لایه های جداگانه روی هم قرار دارند. این ساختار امکان استفاده از مدارهای پیچیده تر و موازی را فراهم می آورد تا بخش های بیشتری از اطلاعات هم زمان پردازش شوند.  حسگر پشته ای ۴۵٫۷ مگاپیکسلی Z9 نمونه عملی این پیشرفت است. ثبت تصویر در آن همچنان ردیفی انجام می گیرد، اما فاصله زمانی میان ردیف ها آنقدر کوتاه شده که نیکون توانسته طراحی دوربین را بر شاتر الکترونیکی بنا کند. پردازنده EXPEED 7 نیز این حجم بالای اطلاعات را پردازش می کند.  در این طراحی، کاهش تغییر شکل سوژه از سریع تر شدن ثبت ردیف ها به دست آمده است. همزمان کردن نوردهی تمام پیکسل ها، گام متفاوتی است که شاتر سراسری انجام می دهد.

شاتر سراسری، نوردهی هم زمان تمام پیکسل ها

در شاتر سراسری (Global Shutter)، نوردهی تمام پیکسل ها همزمان آغاز و تمام می شود. اطلاعات این نوردهی در حسگر نگه داشته می شود تا مراحل خوانش و انتقال را طی کند. ترتیب خروج اطلاعات، زمان ثبت قسمت های مختلف صحنه را تغییر نمی دهد. در مثال تیر چراغ برق، بالا و پایین تیر در یک بازه مشترک ثبت می شوند و کجی ناشی از اختلاف زمان ردیف ها به وجود نمی آید. برای جلوگیری از تاری حرکت همچنان باید مدت نوردهی مناسب باشد.  سونی در α9 III یک حسگر پشته ای مجهز به شاتر سراسری به کار گرفته است. «پشته ای» ساختار لایه های حسگر را توضیح می دهد و «سراسری» به هم زمانی نوردهی پیکسل ها اشاره دارد.

نوردهی همزمان، کار با فلاش را نیز تغییر می دهد. فلاش نور خود را در یک تابش کوتاه یا «پالس» آزاد می کند. همگام سازی فلاش یعنی زمان بندی این تابش به گونه ای باشد که تمام تصویر نور آن را دریافت کند. اگر هنگام تابش، فقط بخشی از قاب در حال نوردهی باشد، قسمت دیگری از عکس تاریک می ماند.  در شاتر سراسری، همه پیکسل ها همزمان آماده دریافت نورند. در α9 III، این ویژگی همگام سازی با فلاش های سازگار سونی را تا سرعت ۱/۸۰۰۰۰ ثانیه ممکن کرده است. مقدار نور ثبت شده همچنان به طول تابش فلاش وابسته است، وقتی نوردهی دوربین کوتاه تر از آن باشد، حسگر فقط بخشی از نور فلاش را دریافت می کند. تنظیم توان و زمان بندی فلاش در این شرایط اهمیت دارد.

جایگاه شاتر مکانیکی در طراحی های امروزی

اجرای شاتر سراسری به مدارهایی برای کنترل همزمان پیکسل ها و نگهداری اطلاعات آن ها نیاز دارد. طراحی این مدارها با ملاحظات هزینه، مصرف انرژی و کیفیت تصویر همراه است. حسگرهای ردیفی ساختار ساده تری دارند و با افزایش سرعت خوانش همچنان پاسخگوی نیاز بسیاری از دوربین ها هستند.  شرایط نور هم بر نتیجه اثر دارد. بعضی چراغ های ال ای دی (LED) و فلورسنت با سرعتی نوسان دارند که چشم متوجه آن نمی شود. هنگام ثبت ردیفی، یک قسمت تصویر در لحظه روشن تر چراغ و قسمت دیگر در لحظه کم نورتر آن ثبت می شود، نتیجه، نوارهای روشن و تیره یا تفاوت رنگ در عکس است. 

 در دوربینی که پرده مکانیکی قاب را سریع تر از حسگر می پیماید، انتخاب آن می تواند این اختلاف را کمتر کند. در عکاسی از سالن ورزشی، این انتخاب راهی برای کاهش نوارهای مزاحم است. نتیجه به چراغ و سرعت شاتر نیز بستگی دارد و تنظیمات کاهش سوسوی نور به هماهنگی زمان ثبت با نوسان چراغ کمک می کنند. شاتر سراسری نوار ناشی از اختلاف زمان ردیف ها را حذف می کند، اما روشنایی عکس های پیاپی همچنان میتواند با چرخه نور تغییر کند. کانن در EOS R1، حالت مکانیکی و پرده اول الکترونیکی را کنار شاتر تمام الکترونیکی حفظ کرده است. عملکرد این گزینه ها باید بر اساس همان دوربین سنجیده شود. برای مثال، R1 در حالت بدون برش تصویر، با شاتر مکانیکی تا ۱/۲۰۰ ثانیه و با شاتر تمام الکترونیکی به طور معمول تا ۱/۳۲۰ ثانیه با فلاش همگام است. با فلاش سازگار و فعال کردن «اولویت سرعت همگام سازی» (Sync Speed Priority)، حالت الکترونیکی به ۱/۴۰۰ ثانیه می رسد. در این نمونه، شاتر الکترونیکی همگام سازی سریع تری دارد.

شاتر مکانیکی در نسل جدید دوربین های حرفه ای

دوران شاتر مکانیکی هنوز تمام نشده، اما وجود آن دیگر شرط ساخت یک دوربین حرفه ای نیست. خوانش سریع حسگر و نوردهی سراسری، امکان حذف پرده را فراهم کرده اند. پرده در دوربین های دارای خوانش کندتر، برای کاهش تغییر شکل حرکت و در بعضی شرایط برای کنترل نوارهای نور کاربرد دارد. هرچه حسگر زمانبندی لازم برای ثبت حرکت و هماهنگی با نور را بهتر تأمین کند، نیاز دوربین به شاتر مکانیکی کمتر خواهد بود.