Globaler Verschluss - Global Shutter

vg

Definitionen

Mit diesem Ausdruck wird die Bilderfassung beschrieben - also wie ein Foto technisch aufgenommen wird. Es geht somit um das Belichtungsverfahren (englisch: Shutter). Man spricht auch von einer Verschlusstechnik.

Es geht beim Globalen Verschluss / Global Shutter um den elektronischen Verschluss des Sensors. Bei einem (zusätzlich verwendeten) mechanischen Verschluss in der Kamera (vor dem Sensor) tritt dieser Effekt nicht sichtbar in Erscheinung.

Das Gegenteil ist der Rolling Shutter - der Standard bei CMOS (unseren heutigen Foto-Sensoren): Damit meint man ein zeilenweises oder spaltenweises Auslesen des Sensors. Respektive die Aufnahme wird bereits so erstellt. Wenn jedoch nicht der ganze Sensor zur exakt derselben Zeit belichtet / ausgelesen wird, dann können bei schnellen Bewegungen entweder des Motives (Rotorblätter des Hubschraubers / Propeller des Flugzeuges) oder des Fotografen (peitschenartiges Mitziehen - panning) sichtbare Verbiegungen eigentlicher Geraden entstehen. Siehe z.B. diese Fotos.)

Oft werden alle Pixel des gesamten Sensors gleichzeitig eingeschaltet, aber nacheinander ausgeschaltet / ausgelesen. Es findet sich jedoch auch die Variante mit zeilen- respektive spaltenweiser Einschaltung und Auslesung.

Kosten

Aber warum verwendet man nun so schlechte Sensoren, welche alle diese Nachteile zeigen? Das ist eine finanzielle Frage. Früher (in der ersten Dekade unseres Jahrhunderts) verwendete man oft CCD-Sensoren mit teilweise globalem Verschluss in Kameras. Aber sie waren teurer. Vor allem Apple und die anderen Smartphone-Hersteller wollten lieber preiswerte, schlechte Sensoren in ihre Mobiltelefone einbauen. So funktioniert Ökonomie. - Danach hat man dann über viele Jahre mit vielen Milliarden an Forschungsgeldern jene schlechteren CMOS-Sensoren langsam verbessert.

Der Hauptkostenreiber beim Global Shutter liegt im Analog/Digital-Wandler für jedes einzelne Pixel. So etwas ist teuer und kostet zudem auch noch Platz hinter der Fotodiode, was die Chip-Konstruktion erschwert und nochmals verteuert. Ferner produzieren mehr elektronische Bausteine mehr Wärme und erhöhen das Elektronikrauschen. D.h. man muss weitere kostenintensive Maßnahmen ergreifen, um jene Nachteile entweder abzumildern oder zu beseitigen.

Das Ideal des Globalen Verschlusses / Global Shutters ist nun, dass er exakt zur selben Zeit mit allen Pixeln aufnimmt und/oder exakt gleichzeitig alle Daten ausliest. - Das ist das Ideal, wohlgemerkt.

Abgesehen von Laborversuchen waren bis in die 2020er Jahre kaum Sensor vorhanden, die so etwa in der Praxis in mobilen Kameras wirklich konnten. Dazu sind extrem schnelle Fotosensoren und große Datenbandbreiten hinter dem Sensor sowie extrem schnelle Prozessoren dahinter zur Aufbereitung der schlagartig gelieferten Datenmenge erforderlich. Deshalb sind bis heute die meisten Sensoren, welche annähernd gleichzeitig alle Pixel auslösen können, stationäre Industrieanwendungen und besitzen zudem oft eine geringe Auflösung in Mega-Pixeln. (Siehe z.B. Sonys-Chip.)

Grundanliegen: Geschwindigkeit

Da es grundsätzlich um die Geschwindigkeit des Sensors geht, wurde der Stacked CMOS erfunden. Er verwendet hinter jedem Pixel speziellen RAM-Speicher, damit er schneller arbeiten kann. Damit werden die Auslesezeiten drastisch reduziert. Typische Kameras waren die Sony A9 Markl I und II. Aber das war bei weitem nicht ausreichend genug, um alle Probleme damit zu lösen.

Deshalb wurde in der Sony A1 ein weiterer Trick angewandt: Man unterteilt den Sensor in 4 Quadrate / Sektoren und liest jene 4 Teile parallel aus. Aber dazu sind Korrekturen und Anpassungen erforderlich. Technisch gesprochen: Man liest mit mehreren Kanälen parallel / gleichzeitig aus.

Da fast alle Analytiker nur auf die Geschwindigkeit des Sensors schauen, verkam der Ausdruck Global Shutter jedoch oft zum reinen Marketing-Gerede, der für schnellere Sensoren verwendet wurde, die dennoch zeilenweise aufnehmen und so auslesen.

Potentiale

Faktisch wäre noch andere Vorteile des Globalen Verschlusses / Global Shutters meines Erachtens viel wichtiger für die Fotografie: Man könnte jedes einzelne Pixel auch separat belichten. Klingt das jetzt unsinnig oder zumindest überflüssig? Für Fotos mit extremen Dynamikumfang könnte man so das menschliche Sehvermögen simulieren, das sich in tiefe Schatten wie in helle Stellen hineinsehen kann. D.h. so ein Sensor mit Global Shutter könnte die sogenannte Brunnentiefe des Pixels besser ausschöpfen und damit Tiefen aufhellen und Lichter vor dem Ausbrennen schützen - und zwar beides gleichzeitig. Damit würde letztendlich der Dynamikumfang drastisch erhöht. Sie könnten damit somit HDR (High-Dynamic-Range) in einer einzigen Aufnahme erstellen - ohne Nachbearbeitung am PC mit Spezialsoftware. Vor allem würde dies auch für sich schnell bewegende Motive funktionieren. Soweit die Theorie. Aber in der Foto-Praxis sind wir noch nicht so weit.

Theoretisch wäre mit solch einem Global-Shutter-Sensor auch ein jederzeit im Menü einstellbarer stufenlose regelbarer elektronischer ND-Filter (Neutral-Dichte Filter zum Abdunkeln oder sogar als Verlaufsfilter) möglich - und zwar an jeder Stelle und in jeder beliebigen Richtung - bereits bei der Aufnahme.

Ganz nebenbei wären dann alle verschiedenen Flackerfrequenzen aller Lampen mit einem Schlag kein Problem mehr, denn mit einem Global Shutter gäbe es kein störendes Banding im Bild.

Um nun alle Fantasien wieder auf den Boden der Realität zurückzuführen. Derzeit finden sich nur wenige, teure Industrieanwendungen und solche für Geheimdienste, Sicherheitsdienste und Überwachungskameras.

2023

Ende 2023 stellte Sony seine erste Foto-Kamera mit Global Shutter vor: die Sony A9III. Sie erlaubte zwar noch immer keine Auslesegeschwindigkeit, wie bei den Industriesensoren, war aber immerhin sehr schnell und erlaubte so - bei geringen 24 Mega-Pixeln Auflösung - bis zu 1/80.000 Sekunde Belichtungszeit und bis zu 120 Bilder in der Sekunde, was jedoch eher für Video nutzbar war.

Nach der üblichen Anfangseuphorie wurde schnell bewiesen, dass man sich dies über erhebliche Nachteile - vor allem bei der Bildqualität - erkauft hatte.

Zwar redeten seitdem viele vom Global Shutter und seiner angeblich baldigen Einführung in allen Kameras. Aber faktisch trat dies weder ein, noch erwarben viele Fotografen diese (7.000 Euro) teure Kamera.

Obwohl sich dieser Global-Shutter-Sensor viel sinnvoller im Video-Bereich verwenden lässt (als für Fotos), war seine Verbreitung auch dort selbst Mitte der 2020er Jahre gering, und manche Hersteller von expliziten großen Video-Kameras nahmen derartige Produkte wieder vom Markt. Denn bisher ließen sich in tragbaren / mobilen Geräten die technischen Nachteile jener Technologie bestenfalls verringern, aber nicht beseitigen.

Siehe zum Global Shutter und Blitzen etc. auch den Artikel Verschluss, in welchem auf alle Verschlussarten, deren Unterschiede und deren Vor- sowie Nachteile ausführlich eingegangen wird.

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