CMOS sensör video dünyasında en çok duyduğumuz terimlerden biridir. Sensör dediğimizde onun ayrılmaz eşlikçisi shutter; yani perde sistemi akla gelir. Bu yazıda sensör teknolojilerini anlamak için bir şart olan kavramlar olan global ve rolling shutter’dan bahsedeceğiz.
Shutter nedir?
Shutter, sensör (analog’da ise film) ile ışığın buluşarak pozlama yapılmasını düzenleyen mekanizmadır.
Analog video kameralarda bu mekanizma tamamen mekaniktir. Diyelim ki 1 saniyede 24 kare olacaksa, aynalı shutter sistemi, bir saniye içinde filmin 24 karesini ayrı ayrı ışıkla buluşturmak üzere dizayn edilmiştir.
Aşağıdaki videoda analog film makinalarının nasıl çalıştığını görebilirsiniz.
Dijital Görüntüde Shutter
Analog video kameralarda tamamıyla mekanik olan bu işlem, dijital kameraların fotoğraf modlarında da aynı mantıkta çalışmaktadır. Fakat DSLR ve SLR video kameraların video modlarında shutter mekanizması artık tamamıyla sensörün içerisine dahil edilmiştir.
Elektronik shutter’ı daha iyi anlamak için isterseniz öncelikle DSLR ve SLR’lardaki shutter mekanizmalarını gözden geçirelim.
Fotoğrafta Shutter
- Mekanik Shutter (MSHTR)
Mekanik shutter’da Focal Plane Shutter ya da Leaf Shutter denilen iki tip perde sisteminin hareketi ön plandadır.
Focal Plane Shutter’da iki adet perde vardır. Biri sensörü açar, diğeri kapar. Pozlama sona erdikten sonra iki perde de başlangıçtaki pozisyonuna döner. Leaf Shutter’da ise, lens diyaframlarına benzer bir yapı ile yuvarlak bir açılıp kapanma hareketi yapılarak pozlama için zaman yaratılır.
Dijital makinelerde sensör sürekli olarak ışığa maruz kalmalıdır ki gerçek zamanlı görüntü takibi yapılsın. Bu durumda fotoğraf çekilirken perde sistemi iki tam hareket yapar. İlki bizim görmemiz için hali hazırda açık konumda bulunan sensörün kapanması, pozlama için tekrardan açılıp kapanması, ve bizim diğer poz için önizleme yapabilmemiz için tekrardan açılmasıdır.
Bu iki tam hareket yüksek hızda yapıldığında görüntüde titreme gerçekleşebilmektedir.
- Elektronik Birinci Perde (EFC)
EFC, (Elektronic First Curtain) yani Elektronik Birinci Perde modu ile yukarıda bahsedilen Mekanik Shutter’daki titreme durumu engellenebilmektedir. Bu modda tek bir perde hareketi vardır. EFC’nin dezavantajı Bokeh kalitenizi düşürmesidir.
- Elektronik Shutter (ESHTR)
Sessiz ve titreşimsiz bir çözümdür. Çok yüksek hızlı shutter ihtiyacında ya da tamamıyla sessiz olunması gereken zamanlarda kullanılması tavsiye edilmektedir.
Elektronik Shutter’ın dezavantajları görüntüde daha çok gürültü üretebilme riski, nesnelerin proporsiyonlarında bozukluk yaratması ve bazı shutter hızlarında tarama yaratmasıdır.
Fakat video söz konusuysa Elektronik Shutter’dan başka bir şans yoktur.
Video’da Shutter
DSLR ya da SLR makinelerin video modunda mekanik değil elektronik shutter kullanılır. Yukarıdaki belirtildiği gibi bu bir takım dezavantajlar ile beraber gelir. Bu dezavantajları anlamlandırmak ve sebebini anlamak için öncelikle sensör tiplerinden bahsedelim.
CCD (Charge Coupled Device)
Dijital kameralarda ilk kullanılan sensör çeşididir. Analog ışık sinyalleri dijital piksellere çevrilirken her piksel için aynı anda pozlama yapılır (Global Shutter). Ve her pikseldeki bilgi kaydedilip amplifikatöre gönderilir.
CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)
Eskiden CMOS sensörler, analog ışık sinyallerini dijital piksellere çevrilirken her piksel aynı anda pozlama yapamazdı. Ancak bir pixel sırasındakiler aynı anda pozlanır, sonra diğer pixel sırasına geçilirdi. (Rolling Shutter)
Fakat CMOS sensörlerin geliştirilmesiyle, CMOS sensörler de artık CCD sensörler gibi tüm pikseller için aynı anda pozlama yapılabilen Global Shutter özelliğine sahip olabiliyor.
CMOS sensörlerde, CCD’nin aksine, her piksel içerisinde bir amplifikatör vardır. Bu da videoların daha yüksek karelere çıkmasını, dinamik aralığın daha yüksek olmasını kolaylaştıran bir özelliktir.
Yukarıda bahsettiğimiz gibi elektronik shutter ile kameranız saniyede 25 (ya da projeniz kaç kare çekiliyorsa) kez pozlama yapmak ve bunu işlemek durumundadır. Bunun için sensörün iki tip okuma şekli vardır. Ya sensördeki piksellerde ardarda bir pozlama yapılacaktır ya da tüm piksellerde aynı anda pozlama yapılacaktır. Bunun ilkine rolling shutter, ikincisine ise global shutter denilmektedir. CCD sensörler global shutter mantığı ile çalışır. Eskiden CMOS sensörler sadece rolling shutter ile çalışıyordu; fakat son yıllardaki gelişmeler ile global shutter mantığıyla çalışan CMOS sensörler geliştirilmiştir.
Üretim Kolaylığı
CMOS sensörler, uzaya giden kameraların daha küçük ve daha az enerjiyle çalışması yönündeki talepler üzerine, CCD (Charge Coupled Device) sensörlere alternatif olarak NASA için Eric Fossum tarafından geliştirilmiştir.2 Isınma sorununun azalması, üretim kolaylığı ve daha az enerji ile çalışması gibi özellikleriyle CMOS sensörler birçok açıdan CCD sensörlerden daha avantajlıdır.
CMOS sensörlerin yaygınlaşması ile CCD sensörler arka plana düşmüştür. Örneğin Sony, CCD sensörlü kameralar üretmeyi bıraktıklarını, CCD sensörlü kameraları için teknik desteği, 2024 yılında keseceğini açıklamıştır.3
Bahsettiğimiz gibi Rolling Shutter’a sahip CMOS sensörler üretilmesi daha rahat mekanizmalardır. Fakat bazı dezavantajları vardır. Bunlardan biri de “Rolling Shutter bozulmaları” olarak bilinir.
Rolling Shutter Bozulması nedir?
Bozulmalar, kameranın algıladığı görüntüde hızlı değişimler olduğunda ortaya çıkar. Sensördeki fotositler bilgiyi eş zamanlı olarak taramadığı için nesneyi tam olarak algılamakta zorlanır. Örnekler ile açıklayalım:
Rolling Shutter Bozulması minimuma indirilebilir
Bu bozulma, Rolling Shutter’a sahip her CMOS sensörlü kamerada kaçınılmazdır. Fakat geliştirilmiş sensörler bu durumu minimuma indirmektedir. Mesela ARRI Alexa/Alexa Mini/Amira serisinde bulunan ALEV III CMOS sensör, Rolling Shutter bozulmalarını minimuma indiririr. Hatta bazı görüntü yönetmenleri, hızlı Rolling Shutter’a sahip kameraların Global Shutter’a sahip kameralara nazaran çok daha filmsi bir dokuya sahip olduğunu söyler. 1
Sensör boyutu ne kadar artarsa, verilerin okunması arasındaki zaman boşluğu artacağı için Rolling Shutter bozulmaları o kadar çoğalır. Örneğin 8K sensöre sahip Canon EOS R5’te Rolling Shutter bozulmalarının daha sık görüldüğü hakkında şikayetler bulunmaktadır.
Rolling shutter ile aynı derecede gürültüsüz ve ısınmayan global shutter sensörlerin üretilmesinin maliyeti çok daha fazladır. Bu yüzden şu an için kamera üreticilerinin rolling shutter sensörlere yöneldiği söylenebilir. Bunun yerine Rolling Shutter hızlarını arttırıp bu bozulmaları minimuma indirmek için uğraşıyorlar.
Global Shutter’a sahip CMOS sensörlü kameralar
Yukarıda bahsettiğimiz gibi CCD sensörler genellikle global shutter ile, CMOS sensörler ise rolling shutter ile çalışmaktadır. Fakat artık CMOS sensörler de global shutter mantığı ile çalışabilir.
Mesela,
- RED Komodo
- Sony PMW-F55
- Blackmagic Design Production Camera 4K
- URSA 4K ve URSA Mini 4K
- RED kameralar ve Global Shutter
CMOS sensörlere sahip fakat global shutter mekanizmasını kullanan kameralardır.
RED’in ilk kameralarında kullnıcıya global shutter ile rolling shutter arasında geçiş imkanı sunuluyordu. Global shutter’a geçildiğinde rolling shutter bozulmaları kaybolsa da görüntünün dinamik aralığından fedakarlık etmek gerekiyordu.
Fakat RED Komodo ile bu sorun çözüldü. RED Komodo, piyasadaki en yüksek dinamik aralığa sahip olan Global Shutter kamera olarak biliniyor.
Özet
Bu yazıda elektronik shutter mekanizmasının ana hatlarını anlattık. Fakat aslında bu, her markanın, her modeli için farklı özellikler gösteren bir mekanizmadır. Bu yüzden ortada siyah beyaz bir durum yoktur.
Video dünyasının en merak uyandıran konularından biridir: Yeni üretilen kameralarda global shutter’a mı yönelinelecek? Yoksa rolling shutter bozulmalarını minimuma indirecek sensörler mi geliştirilecek?
Bu konu hakkında gelişmeler oldukça sizlerle paylaşıyor olacağız.