L'otturatore : meccanico ed elettronico (rolling shutter, global shutter)

il blocco dell'otturatore in materiale composito della Nikon D5

Un breve ripasso ?

L'otturatore è un componente fondamentale delle nostre fotocamere ancora nel 21° secolo.
Consideriamolo come una tenda alla veneziana estremamente sofisticata posta davanti al nostre elemento sensibile (sia esso un sensore, sia esso una pellicola) che regola il passaggio della luce.
Quando noi premiamo il tasto di scatto la fotocamera lascia passare la giusta quantità di luce necessaria perché l'immagine proiettata dall'obiettivo fotografico posto davanti alla fotocamera arrivi a destinazione.
Ovviamente noi o la fotocamera stessa, ci siamo premurati di impostare un esatto tempo di esposizione che, combinato con l'apertura del diaframma dell'obiettivo (altro elemento che regola la luce, nel senso della quantità), a seconda della sensibilità ISO del nostro elemento sensibile, portano ad avere un immagine leggibile.
E' poi l'elemento sensibile (d'ora in poi ci riferiremo ad esso con il sensore) che procede ad immagazzinare le informazioni che gli arrivano.

L'otturatore è regolato in secondi e in frazioni di secondo. Più é grande il tempo di esposizione, per più tempo rimarrà aperto l'otturatore, più è breve questo tempo, per meno tempo rimarrà aperto.

Gli otturatori delle nostre fotocamere sono generalmente a tendine e ci riferiremo ad esse in questa chiacchierata.

Negli otturatori moderni ci sono due tendine, che in italiano chiamiamo prima e seconda tendina (mentre gli inglesi chiamano Front e Rear "curtain") che lavorano in solido.
Al momento della pressione del tasto di scatto abbiamo questa sequenza :

il movimento complessivo dura la durata del tempo di esposizione impostato.

Gli attuali otturatori sono dispositivi estremamente sofisticati che nelle versioni più perfezionate consentono tempi di scatto brevissimi, anche per tempi inferiori ad 1/8000 di secondo.
Questi tempi sono abbastanza difficili da descrivere con nozioni che abbiamo sotto gli occhi quotidianamente.
Giusto per avere un'idea, un aereo da caccia F15 alla massima velocità percorre circa 9 mm in un ottomillesimo di secondo, mentre un'auto a velocità di codice sull'autostrada percorre 4 decimi di mm nello stesso tempo.
E' un tempo infinitesimale che le nostre fotocamere, reflex o mirrorless ci mettono comunemente a disposizione.

Per ottenere tempi del genere i progettisti usano un accorgimento che consente di far variare il funzionamento della sincronizzazione delle due tendine durante il movimento (consideriamo che l'altezza del formato Leica corrisponde a 24mm in tutto e che l'esposizione avviene sempre dall'alto verso il basso).
Se il tempo di esposizione impostato è relativamente breve, al di sotto di un tempo di sincronizzazione ragionevole (nell'intorno di 1/200'' - 1/320'') il movimento è proprio quello evidenziato nell'animazione superiore con le due tendine che si muovono in modo indipendente.
Ma se il tempo è più breve di quell'intorno, non c'è materialmente modo di eseguire l'operazione separatamente e quindi le due tendine vengono fatte muovere in sincrono, con la seconda tendina che si muove appena dopo che la prima è partita, in modo che l'otturatore alla fine si chiude appena un attimo dopo che la prima tendina ha concluso il suo movimento.

Abbiamo una esemplificazione generica nella seguente animazione :

a sinistra abbiamo il caso classico, per tempi lenti, in mezzo un caso ibrido per tempi intorno alla capacità massima di sincronizzazione tra le due tendine, a destra il caso dei tempi velocissimi, in cui le due tendine si inseguono tra loro.

A sinistra abbiamo il sensore che viene esposto completamente e l'immagine si forma completamente nello stesso istante. La lettura delle informazioni avviene immediatamente dopo che le tendine si sono chiuse e mentre esse tornano in posizione normale.
Questa operazione può avvenire alla massima velocità di scatto a raffica della nostra macchina, perchè anche le macchine più veloci non arrivano oltre i 14-16 scatti, al secondo, un tempo che consente ampiamente tutto il movimento dell'otturatore e anche la lettura delle informazioni del sensore, affinchè la macchina sia pronta allo scatto successivo.
Questa condizione è assimilabile a quella che viene definita Global Shutter, cioé otturatore totale.
Andando alla situazione più a destra invece abbiamo praticamente una condizione in cui solo una strisciolina del sensore è esposta alla luce, mentre il resto del sensore è coperto da una delle due tendine.
L'animazione è di tutta evidenza e traslittera il termine inglese con cui viene definita questa modalità, ovvero Rolling Shutter, che tradotto sarebbe un ridicolo otturatore rotolante, dal movimento delle tendine che si arrotolano una sull'altra.

Immaginiamoci una Nikon D6 che scatta a 14 scatti al secondo ad 1/8000'' in sequenza per 200 scatti consecutivi. A parte lo specchio che in questa operazione non ha rilevanza se non per il fatto che in una reflex si alza e si abbassa (guidato da un motore diverso da quello dell'otturatore e con un opportuno sistema di smorzamento), l'otturatore si apre con le due tendine che si muovono in sincrono a circa 28 chilometri orari, avendo cura che ogni singola strisciolina di sensore esposto stia ad una distanza dall'altra di 1/8000''.
Affascinante ?

Si ma non senza controindicazioni, perchè appare evidente che la prima strisciolina esposta del sensore (esposta correttamente, tanto quanto l'ultima) sarà esposta prima dell'ultima e quindi tutte le striscioline lette dall'elettronica del sensore e rimesse insieme dal processore durante la demosaicizzazione delle informazioni, non avranno coerenza temporale assoluta tra loro.
Cioé la strisciolina più in basso, sarà in ritardo rispetto alla prima. Ma non solo, ogni strisciolina seguente, sarà in ritardo rispetto alla precedente.

Di quanto ?

Dipende.

Dipende dalla velocità di movimento delle due tendine. Dicevamo che gli otturatori meccanici più perfezionati di oggi arrivano fino ad 1/400'' di velocità di movimento. Quindi nella migliore delle ipotesi quella sarà la distanza temporale tra la prima e l'ultima strisciolina, al di là del tempo di scatto che, attenzione, non influenza per nulla il meccanismo che dipende dalla ... meccanica dell'otturatore.

Spero di essere chiaro.

Insomma, se l'otturatore è scarso, si muove lentamente, la distanza in termini di tempo tra la lettura della prima strisciolina e quella delle altre é più lunga. Un tempo più lungo significa una distanza percorsa più lunga (spazio legato al tempo, per una data accelerazione che ipotizziamo costante). Se l'otturatore è più sofisticato, la distanza temporale sarà inferiore, quindi lo spazio percorso in quel tempo, inferiore.

Ma in un Rolling Shutter, quale che sia, il fenomeno sarà sempre osservabile, ad occhio nudo per i casi più evidenti, strumentalmente per quelli meno evidenti.

in questa foto abbiamo il caso più classico di una pala d'elica che gira a velocità molto elevata mentre noi scattiamo ad un tempo molto breve per cercare di congelare il movimento del velivolo.
La lettura del sensore avverrà come dicevamo dall'alto verso il basso. L'elica si muove molto più rapidamente per unità di tempo del resto del soggetto che nella realtà è piuttosto lento.
Il risultato è che l'elica appare visibilmente deformata dall'alto verso il basso con quella tipica forma a falce.

Ma nella realtà, se avessi modo di verificare strumentalmente, potremmo misurare che ogni linea verticale è parimenti deformata in una misura che è proporzionale alla velocità di movimento relativa rispetto a quella di lettura del sensore.
Cioè le linee verticali, non sono più verticali ma diagonali.

vi posso giurare (la foto è mia) che i pali della recinzione dell'Autodromo Nazionale di Monza sono perfettamente verticali.
Ma per effetto del rolling shutter, è evidente che ciò non appaia nella fotografia.
Nella realtà tutta l'immagine ne è affetta ma l'effetto si nota di più negli oggetti con velocità relativa più grande rispetto al movimento complessivo.
I pali fermi danno la misura del fenomeno, perchè sono fermi, ma può capitare anche con i soggetti in movimento :

come credo anche appaia in questa Ferrari in lento movimento alla Variante della Roggia che appare tutta deformata (come i pali che in questo caso tendono al curvo e non al diagonale).

Ma io questi fenomeni non li riscontro con la mia fotocamera

Ci credo, perchè i progettisti intervengono in tutti i modi per limitare questi fenomeni, tenendo la più alta possibile la velocità di esposizione del sensore e la sua velocità relativa.

Ma ci sono limiti tipici di ogni singolo sensore

Otturatore elettronico

Abbiamo qui sopra visto il meccanismo di funzionamento di un otturatore. L'operazione non varia che sia esso meccanico o elettronico.
Quello meccanico semplicemente ha modalità differenti di funzionamento a seconda del tempo di scatto impostato.
Per tempo lenti si comporta da Global Shutter, per tempi rapidi più di 1/200''-1/320'' funziona come un Rolling Shutter. In mezzo è ibrido.
L'otturatore elettronico invece è limitato ad una modalità di funzionamento unica che dipende dalla sua tecnologia.

Tutti i sensori commerciali attuali sono di tipo Rolling Shutter e quindi espongono leggendo striscioline successive di luce, partendo dall'alto e andando verso il basso.

Anche quando usiamo l'otturatore meccanico in una reflex o in una mirrorless ed impostiamo la seconda tendina elettronica, non facciamo che impiegare l'otturatore elettronico per seguire il movimento di lettura della luce.
Con la seconda tendina elettronica in pratica la macchina disabilità la seconda tendina dell'otturatore, impiega solo la prima, mentre l'effetto della seconda viene regolato dalla lettura del sensore.
Tutto fino al limite di velocità di lettura del sensore.

L'operazione di lettura del sensore, avviene in modo del tutto analogo a quello del movimento dell'otturatore meccanico.
L'otturatore elettronico di fatto non è altro che usare la modalità di lettura del sensore AL POSTO dell'otturatore meccanico.

Ma possiamo usare la stessa animazione che abbiamo visto sopra.

con la strisciolina azzurra che è la strisciolina di sensore che viene effettivamente letta.

Questa operazione è elettronica, del tutto priva di movimento, vibrazioni e rumore.

Il vantaggio formidabile del sensore elettronico rispetto a quello meccanico è proprio qui. Nell'assenza di movimento effettivo.
Perchè se potessimo vedere il sensore di una fotocamera mentre espone in modalità di otturatore elettronico, semplicemente non vedremmo proprio nulla.
Questa animazione è solo perchè noi si abbia un'idea di quello che succede alle informazioni che i fotoni della luce consegnano ai fotodiodi del sensore che scaricano elettroni nei circuiti della fotocamera.

Quindi, esattamente come nel caso dell'otturatore meccanico, abbiamo un evidente Rolling Shutter con tutti le conseguenze del caso.

E anche qui l'evidenza del fenomeno è legata alla velocità di movimento, ovvero, visto che non c'è movimento - se non di elettroni - alla velocità di lettura del sensore.
Attenzione : il tempo di scatto non ha alcuna rilevanza. Ci sono solo combinazione tra velocità relative e direzione del moto ma il tempo di scatto è ininfluente per il fenomeno.

Qui entra in ballo una caratteristica di ogni sensore che è la sua velocità di lettura.
Questa dipende dalla tecnologia con cui è progettato, dalla sua densità e da altri specifiche tecniche.

Qui c'è una tabella che riporta i tempi di lettura dei più comuni sensori che possiamo trovare dentro le fotocamere in commercio :

manca quello della nuovissima Sony a1 che Sony dichiara essere di circa 1/250'' se non ricordo male. Quindi il più rapido di tutto il novero.

Abbiamo detto più sopra, parlando dell'otturatore meccanico che il fenomeno del Rolling Shutter - sempre presente - viene ridotto effettivamente, aumentando per quanto possibile la velocità di movimento delle tendine.
E' la stessa cosa con i sensori per la modalità di otturatore elettronico.

Più è veloce il sensore (tempo di lettura più rapido, ovvero numero al denominatore più grande) minore è l'effetto del Rolling Shutter, più è lento il sensore (nella tabella le macchine più lente sono quelle a più alta risoluzione, ovvero Nikon Z7-Z7 II e Sony a7R IV che hanno il numero al denominatore più piccolo) più evidente sarà l'effetto del Rolling Shutter.

Banding

Finora abbiamo parlato di velocità e di movimento ma abbiamo altri casi in cui l'effetto del Rolling Shutter può essere reso evidente.
E' il caso degli scatti con luci artificiali, siano esse flash che continue.
Se impieghiamo un otturatore elettronico a lettura lenta, sarà più probabile riscontrarlo.

questo è il caso più semplice.

Si tratta della Nikon D850 in modalità Live-View con otturatore elettronico mentre nella stessa situazione qualcuno usa il flash.
Il sensore come abbiamo oramai ripetuto fino alla noia viene letto a strisce.
Ecco qui abbiamo una evidenziazione di quanto sia alta la strisciolina del sensore che viene letta per unità di tempo in una D850-Z7.
La banda bianca è bruciata dalla luce del flash che è stato catturato mentre il sensore esponeva/leggeva quella singola strisciolina mentre il resto del sensore non era interessato alla lettura delle informazioni.
Il flash ha scattato a circa 1/1000'' mentre la D850 scattava ad 1/250''.
Ma questo non importa, perchè è il tempo di 1/15'' che implica la presenza della banda orizzontale, non il tempo di scatto della macchina.

Sarebbe successo anche scattando in otturatore meccanico ?
Forse si, forse no. Dipende dal tempo di sincro della macchina e del flash. Ma questo è un argomento più vasto che preferirei tenere separato da questo sugli otturatore.

questo è il caso di banding prodotto dalla differente velocità di modulazione della luce artificiale e della velocità di lettura del sensore di una Nikon Z6.
E' possibile ridurre il fenomeno (che gli inglesi chiamano anche flickering) ma probabilmente non eliminarlo del tutto.
Anche in questo caso dipende dalla velocità del sensore rispetto alla luce (50 o 60 Hz, probabilmente per la luce, 38 Hertz per la Z6).

Conclusioni

L'argomento ha tante implicazioni e non vorrei complicare qualche cosa che non è poi così semplice, quindi mi fermo qui riassumendo i concetti di base.

• l'otturatore meccanico si comporta da Global Shutter a tempi di scatto lenti, da Rolling Shutter a tempi di scatto veloci
• l'otturatore elettronico più comune è sempre di tipo Rolling Shutter
• i fenomeni distorsivi del Rolling Shutter sono via via meno evidenti in modo inversamente proporzionale alla velocità di lettura del sensore (o di movimento delle tendine dell'otturatore meccanico) ma sono sempre presenti
• sia gli otturatori meccanici che quelli elettronici sono soggetti al Rolling Shutter
• i sensori a bassa velocità di lettura sono più soggetti a  fenomeni distorsivi, quelli a più elevata velocità, lo sono meno (Lapalisse)
• il tempo di scatto è ininfluente per questi fenomeni
• i sensori a bassa velocità di lettura non possono sincronizzare il flash quando usati in modalità "otturatore elettronico"
• Nikon chiama l'otturatore elettronico : "modalità silenziosa". E' una dizione corretta in quanto parlando strettamente l'otturatore elettronico non esiste
• la seconda tendina elettronica é un altro modo di usare l'otturatore meccanico in modalità ibrida (muovendo solo la prima tendina dell'otturatore meccanico mentre la seconda resta ferma, sostanzialmente per ridurre le vibrazioni)

Uno potrebbe dire, ma allora, perchè usare l'otturatore elettronico al posto di quello meccanico ?

• l'otturatore elettronico non fa rumore, nessun rumore
• l'otturatore elettronico non si usura (quello meccanico si, ha una durata finita, quello elettronico dura quanto dura un sensore : decenni)
• l'otturatore elettronico non produce alcuna vibrazione (insieme allo stabilizzatore consente tempi di sicurezza molto più lunghi di quelli comunemente impiegati con le reflex e/o con l'otturatore mecccanico)
• l'otturatore elettronico potenzialmente consente velocità di raffica più elevate

quindi per nostra convenienza dovremo convivere con le due modalità, finchè i progettisti non troveranno accorgimenti sempre più economici per fare a meno dell'otturatore meccanico.

L'ideale sarebbe passare al Global Shutter che però, a parte i costi, ha anche altre controindicazioni, prima tra tutte il fatto che il sensore è più in tensione e quindi produce più calore e potenzialmente più rumore digitale.

Nell'attesa, Sony che è sempre all'avanguardia su questi versanti sta usando due sensori ad alta velocità di lettura che se non eliminano del tutto i fenomeni negativi del Rolling Shutter li riducono moltissimo.
In particolare quello nuovissimo della Sony a1 che consente per la prima volta di sincronizzare il flash in modalità elettronica, riducendo anche di molto il banding in luci artificiali.

Pensiamo che piano piano tutti gli altri produttori adotteranno sensori di questo tipo che, pur più costosi, sono più efficienti e più indicati per le macchine di fascia più alta dedicate all'azione (ma non solo).

Tutto chiaro ?

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