Los sensores CMOS y el efecto Rolling Shutter.

Sony acaba de anunciar que ha desarrollado un sensor de tipo CMOS retro-iluminado y obturador global (global shutter), evitando de esta manera el efecto del “Rolling shutter” que suele caracterizar a este tipo de sensores.

Analicemos que significa todo esto:

1.- Sensores CCD y sensores CMOS.

Las primeras cámaras digitales presentaban un sensor del tipo CCD (ChargeCoupledDevide). Este tipo de sensor fue inventado en el año 1969 por AT&T Bell de la mano de W. Boyle y G.E. Smith (quienes recibieron 40 años más tarde el Nobel de Física por dicho descubrimiento). La primera cámara en usar esta tecnología fue una Kodak en 1975 que presentaba un sensor de 100 x 100 píxeles (0,01 Mp), sólo captaba imágenes en blanco y negro, y pesaba casi 4 kg.

Cada pixel de un sensor acumula una cierta carga eléctrica en función de la intensidad de luz que recibe. A mayor intensidad luminosa, mayor carga acumulada. El CCD convierte estas cargas en voltajes y entrega una señal analógica a su salida, que debe ser digitalizada y procesada por la circuitería de la cámara. La información de cada una de las celdas es enviada a través del chip hacia una de las esquinas del arreglo, y ahí un convertidor análogo a digital traduce el valor de cada una de las celdas. De esta manera, se mantiene simple la estructura del sensor, a costa de la necesidad de una circuitería adicional importante que se encargue del tratamiento de los datos recogidos por él.

En los sensores CMOS cada celda de la matriz es independiente de las demás. La digitalización se realiza dentro del sensor para cada pixel. En cada celda de una matriz CMOS encontraremos varios transistores, conformando cada uno de los pixeles del sensor, que amplifican y procesan la información recogida.

2.- Ventajas e inconvenientes de cada tipo de sensor.

Los sensores CCD tienen una mejor respuesta ante la señal lumínica, siendo más sensibles a la misma, ofreciéndonos un mayor rango dinámico y un menor ruido de señal.

Los sensores CMOS son más económicos de fabricar, gracias a la circuitería integrada nos permiten poder amplificar grandemente la señal, consumen menos energía, ocupan menos espacio por pixel y son más rápidos. Razones por las cuales se han ido imponiendo con los años.

Sin embargo, no todo son ventajas para el CMOS. Un problema común a este tipo de sensores es que son sensibles al conocido efecto de “rolling shutter”, que depende de la velocidad de refresco del circuito. En cambio, en un CCD, la lectura es simultánea en toda la matriz de condensadores durante la exposición, por lo que no existe tal problema.

3.- Efecto “Rolling shutter”.

Los sensores de imagen CCD, proporcionan un mecanismo obturador electrónico conocido como obturador global o global shutter. Todo el sensor se reinicia antes de la captación para eliminar cualquier señal residual en los píxeles. Todos los píxeles del sensor captan la luz empezando y terminando exactamente al mismo tiempo. Al final del periodo de exposición todos los datos se transfieren de forma simultánea.

Eso significa que la escena final aparecerá “congelada”.

El rolling shutter se da en los sensores de imagen CMOS y funciona de forma diferente. Los fotodiodos (píxeles) no recogen la luz al mismo tiempo. La captación es como un barrido de líneas horizontales. El tiempo de inicio y de finalización de recogida de luz es ligeramente diferente para cada fila. La fila superior de la cámara es la primera en comenzar a recoger la luz y es la primera en terminar la recolección. Posteriormente se va haciendo un recorrido por filas hasta recorrer todo el sensor. El funcionamiento sería similar al de un scanner o fotocopiadora en el que vamos “leyendo” la información de la pantalla línea a línea.

Este efecto se acentúa cuando estamos fotografiando sujetos en movimiento.

Cuando somos nosotros los que nos estamos moviendo, y los sujetos permanecen estáticos, éstos últimos nos aparecerán deformados en su perspectiva en lo que se conoce también como “efecto gelatina”.

En el siguiente video podemos observar un poco más estos dos efectos:

4.- Conclusión.

En nuestros días las mayorías de las cámaras presentan sensores CMOS, y debemos de ser conscientes de sus efectos tanto en fotografía como en vídeo. En fotografía, si nos aparece un efecto de gelatina suele ser síntoma de que estamos usando unos sensores de muy baja calidad. Sin embargo para corregir el efecto de Rolling shutter necesitaremos usar velocidades de disparo altas.

Para la grabación de video existe una pequeña regla nemotécnica que nos aconseja usar una velocidad de disparo el doble del número de fotogramas por segundo que estemos usando. Así para 24 fps usaríamos una velocidad de disparo de 1/48s, para 25 fps 1/50 y así sucesivamente.

No obstante podemos usar este efecto a nuestro favor, incluso forzarlo en programas de edición de video como AfterEffects, para conseguir un resultado artístico como el siguiente:

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