Rolling Shutter สาเหตุของภาพใบพัดเครื่องบินที่บิดเบี้ยว

หลายคนคงแปลกใจที่เมื่อถ่ายภาพใบพัดเครื่องบิน หรือถ่ายภาพบนรถที่วิ่งด้วยความเร็วแล้วปรากฏว่าภาพที่ได้มีความผิดเพี้ยนไปเช่นใบพัดเครื่องบินจะโค้งๆ แปลกๆ  หรือวัตถุที่รถวิ่งผ่านไม่เป็นเส้นตรงแต่บิดเบี้ยวไป

สาเหตุของภาพใบพัดเครื่องบินที่บิดเบี้ยว Rolling Shutter

สาเหตุเกิดขึ้นจากชัตเตอร์ของกล้องเป็นแบบ rolling shutter ซึ่งพบในกล้องที่ใช้เซนเซอร์แบบ CMOS ขณะที่กล้องที่ใช้ CCD เป็นเซนเซอร์จะใช้ชัตเตอร์แบบ global shutter หรือ total shutter เป็นส่วนใหญ่ ชัตเตอร์สองแบบมีลักษณะรับแสงและการอ่านข้อมูลภาพต่างกัน โดยแบบ  global นั้นทุกพิกเซลของระนาบเซนเซอร์จะเปิดรับแสงพร้อมๆ กันและปิดรับแสงพร้อมๆ แล้วถึงอ่านข้อมูลภาพออกไป ขณะที่แบบ rolloing นั้นจะเปิดและปิดรับแสงไปทีละแถวต่อเนื่องกันไป ปัญหาจะไม่เกิดถ้าถ่ายวัตถุนิ่งๆ ไม่มีการเคลื่อนที่ หรือ เคลื่อนที่ช้ามากเมื่อเทียบความเร็วชัตเตอร์ที่ใช้ และในทางกลับกันหากถ่ายวัตถุที่เร็วกว่าความเร็วชัตเตอร์มากๆ ก็ได้ภาพเบลอๆ แทนที่จะได้ภาพบิดเบี้ยว

ปัญหานี้เกิดขึ้นไม่ได้บ่อยมากสำหรับการถ่ายภาพนิ่ง แต่จะพบมากในการถ่ายภาพวีดีโอ ซึ่งโดยทั่วไปมักมีเฟรมเรท (frame rate) 24 เฟรม หรือ 30 เฟรมต่อวินาที (FPS) หมายความว่าใน 1 วินาทีกล้องจะถ่ายภาพ 24 หรือ 30 เฟรม  และเป็นกฎพื้นฐานว่าความเร็วชัตเตอร์ควรเป็น 2 เท่าของเฟรมเรท นั่นคือในการถ่ายภาพวิดีโอมักใช้ ความเร็วชัตเตอร์ที่ 1/50 หรือ 1/60 วินาที

เพื่อให้เกิดการเบลอของวัตถุที่เคลื่อนที่ใกล้เคียงกับการมองเห็นของมนุษย์ หากใช้ความเร็วชัตเตอร์มากๆ แล้วภาพวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะดูชัดเกินปกติไป และเมื่อใช้ความเร็วชัตเตอร์ที่ 1/50 หรือ 1/60 วินาที โอกาสการเกิดภาพบิดเบี้ยวจึงพบได้บ่อยๆ เพราะการถ่ายวิดีโอกล้องมักเคลื่อนที่อยู่เสมอๆ

ผู้ผลิตเซนเซอร์ต่างรับรู้ปัญหา rolling shutter เป็นอย่างดี และการผลิต CMOS ให้เป็น global shutter ก็ได้ทำกันมาแล้วทั้ง Sony และ Canon แต่ก็แลกมาซึ่งต้นทุนราคาที่สูงไปด้วย ดังนั้นจึงเลือกใช้ในเฉพาะกล้องที่ออกแบบให้ถ่ายภาพยนตร์หรือภาพวิดีโอคุณภาพสูงเท่านั้น แต่สำหรับกล้องถ่ายภาพในเชิงวิเคราะห์และตรวจสอบภาพทางอุตสกรรมมักใช้เซนเซอร์ที่เป็น global shutter เป็นส่วนใหญ่

ดูคลิปอธิบายเรื่อง rolling และ Global shutter ( HYPERLINK “https://www.j-platpat.inpit.go.jp/p0200″https://www.youtube.com/watch?v=dNVtMmLlnoE)

CMOS เซนเซอร์ของ Sony ที่ใช้ global shutter

( HYPERLINK “https://support.usa.canon.com/kb/index?page=content&id=ART117924&actp=search&viewlocale=en_US&searchid=1625392000172″https://thinklucid.com/tech-briefs/sony-pregius/)

บทความวิจัยของ Canon พัฒนาเซอร์แบบ dual pixel ที่เป็น global shutter ( HYPERLINK “https://iopscience.iop.org/article/10.7567/1347-4065/ab00f3″https://iopscience.iop.org/article/10.7567/1347-4065/ab00f3)

การใช้เซนเซอร์ที่เป็น global ชัตเตอร์ถ่ายภาพวิเคราะห์เชิงอุตสาหกรรม

  HYPERLINK “https://www.youtube.com/watch?v=t52dau-K09E”https://www.sony-semicon.co.jp/e/products/IS/industry/technology.html

บทความโดย ดร.ชวาล (อ.ติ่ง) fotofile/blog