Стабилизация изображения ( IS ) — это семейство методов, которые уменьшают размытость , связанную с движением камеры или другого устройства формирования изображения во время экспозиции .
Как правило, он компенсирует панорамирование и наклон (угловое движение, эквивалентное рысканию и тангажу ) устройства формирования изображения, хотя электронная стабилизация изображения также может компенсировать вращение вокруг оптической оси ( крен ) . [1] Он в основном используется в высококачественных биноклях со стабилизацией изображения , фото- и видеокамерах , астрономических телескопах , а также смартфонах . В случае фотокамер дрожание камеры является особой проблемой при длительных выдержках или с длиннофокусными объективами ( телеобъективами или зумом ). В случае видеокамер дрожание камеры вызывает видимое дрожание кадра в записанном видео. В астрономии проблема дрожания объектива добавляется к изменению в атмосфере , которое со временем изменяет видимое положение объектов.
В фотографии стабилизация изображения может способствовать увеличению выдержки на 2–5,5 ступени (выдержка от 4 до 22 сек.)+в 1 ⁄ 2 раза дольше), а сообщалось и о более низких эффективных скоростях.
Правило большого пальца для определения самой медленной выдержки, возможной для съемки с рук без заметного размытия из-за дрожания камеры, заключается в том, чтобы взять обратную величину 35-миллиметрового эквивалентного фокусного расстояния объектива, также известное как «правило 1/мм» [a] . Например, при фокусном расстоянии 125 мм на 35-миллиметровой камере вибрация или дрожание камеры могут повлиять на резкость, если выдержка будет длиннее 1 ⁄ 125 секунды. В результате того, что выдержка на 2–4,5 ступени длиннее, чем та, которую допускает IS, изображение, снятое на скорости 1 ⁄ 125 секунды с помощью обычного объектива, можно было бы снять на скорости 1 ⁄ 15 или 1 ⁄ 8 секунды с помощью объектива, оснащенного IS, и получить почти такое же качество. Резкость, получаемая при заданной скорости, может значительно возрасти. [3] При расчете эффективного фокусного расстояния важно учитывать формат изображения, используемый камерой. Например, многие цифровые зеркальные камеры используют датчик изображения, который составляет 2 ⁄ 3 , 5 ⁄ 8 или 1 ⁄ 2 размера кадра 35-мм пленки. Это означает, что кадр 35-мм в 1,5, 1,6 или 2 раза больше размера цифрового датчика. Последние значения называются кроп-фактором , кроп-фактором поля зрения, множителем фокусного расстояния или форматным фактором. Например, на камере с кроп-фактором 2× объектив 50 мм обеспечивает такое же поле зрения, как объектив 100 мм, используемый на 35-мм пленочной камере, и обычно может снимать с рук со скоростью 1 ⁄ 100 секунды.
Однако стабилизация изображения не предотвращает размытость изображения , вызванную движением объекта или резкими движениями камеры. Стабилизация изображения предназначена только для уменьшения размытости, которая возникает из-за обычного, незначительного дрожания объектива при съемке с рук. Некоторые объективы и корпуса камер включают в себя вторичный режим панорамирования или более агрессивный «активный режим», оба более подробно описаны ниже в разделе «Оптическая стабилизация изображения».
В астрофотографии широко используется длительная выдержка , которая требует, чтобы камера была зафиксирована на месте. Однако, прикрепить ее к Земле недостаточно, поскольку Земля вращается . Pentax K-5 и Kr, оснащенные аксессуаром O-GPS1 GPS для определения местоположения, могут использовать свою возможность сдвига датчика для уменьшения получаемых звездных следов . [4]
Стабилизация может быть применена в объективе или в корпусе камеры. Каждый метод имеет свои отличительные преимущества и недостатки. [5]
Оптический стабилизатор изображения ( OIS , IS или OS ) — это механизм, используемый в фото- или видеокамерах, который стабилизирует записанное изображение путем изменения оптического пути к датчику. Эта технология реализована в самом объективе, в отличие от внутрикорпусной стабилизации изображения ( IBIS ), которая работает путем перемещения датчика как конечного элемента на оптическом пути. Ключевым элементом всех систем оптической стабилизации является то, что они стабилизируют изображение, проецируемое на датчик, до того, как датчик преобразует изображение в цифровую информацию. IBIS может иметь до 5 осей движения: X, Y, Roll, Yaw и Pitch. IBIS имеет дополнительное преимущество работы со всеми объективами.
Оптическая стабилизация изображения увеличивает возможную выдержку при съемке с рук, снижая вероятность размытия изображения из-за дрожания при том же времени экспозиции.
При съемке видео с рук , независимо от условий освещения, оптическая стабилизация изображения компенсирует незначительные дрожания, которые становятся более заметными при просмотре на большом дисплее, например, на телевизоре или мониторе компьютера . [6] [7] [8]
Разные компании называют технологию OIS по-разному, например:
Большинство высококлассных смартфонов по состоянию на конец 2014 года используют оптическую стабилизацию изображения для фотографий и видео. [11]
В реализации Nikon и Canon он работает с использованием плавающего линзового элемента, который перемещается ортогонально оптической оси объектива с помощью электромагнитов. [12] Вибрация обнаруживается с помощью двух пьезоэлектрических датчиков угловой скорости (часто называемых гироскопическими датчиками), один для обнаружения горизонтального движения, а другой для обнаружения вертикального движения. [13] В результате этот вид стабилизатора изображения корректирует только вращения осей тангажа и рыскания, [14] [15] и не может корректировать вращение вокруг оптической оси. Некоторые объективы имеют вторичный режим, который противодействует только вертикальному дрожанию камеры. Этот режим полезен при использовании техники панорамирования . Некоторые такие объективы активируют его автоматически; другие используют переключатель на объективе.
Для компенсации дрожания камеры при съемке видео во время ходьбы компания Panasonic представила технологию Power Hybrid OIS+ с пятиосевой коррекцией: вращение оси, горизонтальное вращение, вертикальное вращение, а также горизонтальное и вертикальное движение. [16]
Некоторые объективы Nikon с поддержкой VR предлагают «активный» режим для съемки из движущегося транспортного средства, например, автомобиля или лодки, который должен компенсировать более сильные сотрясения, чем «нормальный» режим. [17] Однако активный режим, используемый для обычной съемки, может давать худшие результаты, чем нормальный режим. [18] Это связано с тем, что активный режим оптимизирован для уменьшения движений с более высокой угловой скоростью (обычно при съемке с сильно движущейся платформы с использованием более коротких выдержек), тогда как нормальный режим пытается уменьшить движения с более низкой угловой скоростью в течение большей амплитуды и периода времени (обычно движение тела и рук при стоянии на неподвижной или медленно движущейся платформе с использованием более коротких выдержек).
Большинство производителей предлагают отключать функцию IS объектива, когда объектив установлен на штативе, поскольку это может привести к нестабильным результатам и, как правило, не нужно. Многие современные объективы со стабилизацией изображения (особенно более поздние объективы Canon IS) способны автоматически определять, что они установлены на штативе (в результате чрезвычайно низких показаний вибрации), и автоматически отключать IS, чтобы предотвратить это и любое последующее ухудшение качества изображения. [19] Система также потребляет энергию аккумулятора, поэтому ее отключение, когда она не нужна, продлевает заряд аккумулятора.
Недостатком стабилизации изображения на основе объектива является стоимость. Для каждого объектива требуется своя собственная система стабилизации изображения. Кроме того, не все объективы доступны в версии со стабилизацией изображения. Это часто касается быстрых фиксов и широкоугольных объективов. Однако самым быстрым объективом со стабилизацией изображения является Nocticron со скоростью f . Хотя наиболее очевидным преимуществом стабилизации изображения является увеличение фокусного расстояния, даже обычные и широкоугольные объективы выигрывают от этого при съемке в условиях низкой освещенности.
Стабилизация на основе объектива также имеет преимущества перед стабилизацией внутри корпуса. В условиях низкой освещенности или низкой контрастности система автофокусировки (не имеющая стабилизированных датчиков) способна работать точнее, когда изображение, поступающее с объектива, уже стабилизировано. [ необходима цитата ] В камерах с оптическими видоискателями изображение, видимое фотографом через стабилизированный объектив (в отличие от стабилизации внутри корпуса), показывает больше деталей из-за его стабильности, а также упрощает правильное кадрирование. Это особенно касается более длинных телеобъективов. Это не проблема для беззеркальных систем камер со сменными объективами, поскольку выход датчика на экран или электронный видоискатель стабилизирован.
Датчик, захватывающий изображение, можно перемещать таким образом, чтобы противодействовать движению камеры, эта технология часто называется механической стабилизацией изображения. Когда камера вращается, вызывая угловую ошибку, гироскопы кодируют информацию в привод, который перемещает датчик. [20] Датчик перемещается, чтобы поддерживать проекцию изображения на плоскость изображения, которая является функцией фокусного расстояния используемого объектива. Современные камеры могут автоматически получать информацию о фокусном расстоянии от современных объективов, изготовленных для этой камеры. Minolta и Konica Minolta использовали технологию, называемую Anti-Shake (AS), которая теперь продается как SteadyShot (SS) в линейке Sony α и Shake Reduction (SR) в камерах Pentax серий K и Q , которая использует очень точный датчик угловой скорости для обнаружения движения камеры. [21] Olympus представила стабилизацию изображения в своем корпусе E-510 D-SLR , используя систему, построенную на их Supersonic Wave Drive. [22] Другие производители используют цифровые сигнальные процессоры (DSP) для анализа изображения на лету, а затем соответствующим образом перемещают датчик. Смещение датчика также используется в некоторых камерах Fujifilm, Samsung, Casio Exilim и Ricoh Caplio. [23]
Преимущество перемещения датчика изображения вместо объектива заключается в том, что изображение может быть стабилизировано даже на объективах, изготовленных без стабилизации. Это может позволить стабилизации работать со многими объективами, не имеющими стабилизации, и снизить вес и сложность объективов. Кроме того, когда технология стабилизации изображения на основе датчика улучшается, требуется заменить только камеру, чтобы воспользоваться улучшениями, что обычно намного дешевле, чем замена всех существующих объективов, если полагаться на стабилизацию изображения на основе объектива. Некоторые реализации стабилизации изображения на основе датчика способны корректировать вращение камеры по крену , движение, которое легко возбуждается нажатием кнопки спуска затвора. Ни одна система на основе объектива не может устранить этот потенциальный источник размытия изображения. Побочным продуктом доступной компенсации «по крену» является то, что камера может автоматически корректировать наклонные горизонты в оптической области, при условии, что она оснащена электронным спиртовым уровнем, например, камерами Pentax K-7/K-5.
Одним из основных недостатков перемещения самого датчика изображения является то, что изображение, проецируемое на видоискатель, не стабилизируется. Аналогично, изображение, проецируемое на систему автофокусировки с фазовым определением, которая не является частью датчика изображения, если она используется, не стабилизируется. Это не проблема для камер, которые используют электронный видоискатель (EVF), поскольку изображение, проецируемое на этот видоискатель, берется с самого датчика изображения.
Некоторые, но не все, корпуса камер, способные стабилизировать камеру, могут быть предварительно установлены вручную на заданное фокусное расстояние. Их система стабилизации корректирует так, как будто прикреплен объектив с фокусным расстоянием, поэтому камера может стабилизировать старые объективы и объективы других производителей. Это невыполнимо с зум-объективами, поскольку их фокусное расстояние является переменным. Некоторые адаптеры передают информацию о фокусном расстоянии от производителя одного объектива корпусу другого производителя. Некоторые объективы, которые не сообщают свое фокусное расстояние, могут быть модернизированы с помощью чипа, который сообщает предварительно запрограммированное фокусное расстояние корпусу камеры. Иногда ни один из этих методов не работает, и стабилизация изображения не может быть использована с такими объективами.
Стабилизация изображения в корпусе требует, чтобы объектив имел больший круг выходного изображения, поскольку датчик перемещается во время экспозиции и, таким образом, использует большую часть изображения. По сравнению с движениями объектива в системах оптической стабилизации изображения движения датчика довольно велики, поэтому эффективность ограничена максимальным диапазоном движения датчика, тогда как типичный современный оптически стабилизированный объектив имеет большую свободу. И скорость, и диапазон требуемого движения датчика увеличиваются с фокусным расстоянием используемого объектива, что делает технологию сдвига датчика менее подходящей для очень длинных телеобъективов, особенно при использовании более длинных выдержек, поскольку доступный диапазон движения датчика быстро становится недостаточным для того, чтобы справиться с увеличивающимся смещением изображения.
В сентябре 2023 года компания Nikon объявила о выпуске Nikon Z f , которая имеет первую в мире технологию Focus-Point VR, которая центрирует ось стабилизации изображения со сдвигом сенсора в точке автофокусировки, а не в центре сенсора, как обычная система стабилизации изображения со сдвигом сенсора. Это позволяет снизить вибрацию в точке фокусировки, а не только в центре изображения. [24]
Начиная с Panasonic Lumix DMC-GX8 , анонсированной в июле 2015 года, а затем и с Panasonic Lumix DC-GH5 , компания Panasonic, которая ранее оснащала свои камеры со сменными объективами только стабилизацией на основе объектива (стандарта Micro Four Thirds ), представила стабилизацию со сдвигом матрицы, которая работает совместно с существующей системой на основе объектива («Dual IS»).
В то же время (2016 год) Olympus также предложила два объектива со стабилизацией изображения, которые можно синхронизировать со встроенной системой стабилизации изображения датчиков изображения камер Micro Four Thirds от Olympus («Sync IS»). С помощью этой технологии можно добиться увеличения на 6,5 ступеней диафрагмы без размытия изображений. [ 25] Это ограничено вращательным движением поверхности Земли, которое обманывает акселерометры камеры . Поэтому, в зависимости от угла зрения, максимальное время экспозиции не должно превышать 1 ⁄ 3 секунды для длинных телефотоснимков (с эквивалентным фокусным расстоянием 35 мм 800 миллиметров) и чуть более десяти секунд для широкоугольных снимков (с эквивалентным фокусным расстоянием 35 мм 24 миллиметра), если движение Земли не учитывается процессом стабилизации изображения. [26]
В 2015 году система камер Sony E также позволила объединить системы стабилизации изображения объективов и корпусов камер, но без синхронизации тех же степеней свободы . В этом случае активируются только независимые степени компенсации встроенной стабилизации датчика изображения для поддержки стабилизации объектива. [27]
Canon и Nikon теперь имеют полнокадровые беззеркальные камеры, которые имеют IBIS и также поддерживают стабилизацию на основе объектива каждой компании. Первые две такие камеры Canon, EOS R и RP , не имеют IBIS, но эта функция была добавлена для более поздних моделей более высокого класса R3 , R5 , R6 (и ее версии MkII) и APS-C R7 . Однако полнокадровые R8 и APS-C R10 не имеют IBIS. Все полнокадровые камеры Nikon с байонетом Z — Z 6 , Z 7 , версии Mark II обеих, Z 8 и Z 9 — имеют IBIS. Однако у APS-C Z 50 отсутствует IBIS.
Цифровая стабилизация изображения в реальном времени , также называемая электронной стабилизацией изображения (EIS), используется в некоторых видеокамерах. Эта технология смещает обрезанную область, считываемую с датчика изображения для каждого кадра, чтобы противодействовать движению. Это требует, чтобы разрешение датчика изображения превышало разрешение записанного видео, и это немного уменьшает поле зрения, поскольку область на датчике изображения за пределами видимого кадра действует как буфер против движений рук. [28] Эта технология уменьшает отвлекающие вибрации от видео, сглаживая переход от одного кадра к другому.
Эта техника не может ничего сделать с существующим размытием движения, которое может привести к тому, что изображение будет казаться потерявшим фокус, поскольку движение компенсируется движением во время экспозиции отдельных кадров. Этот эффект более заметен в темных сценах из-за длительного времени экспозиции на кадр.
Некоторые производители фотокамер рекламировали свои камеры как имеющие цифровую стабилизацию изображения, когда на самом деле у них был только режим высокой чувствительности, который использует короткое время экспозиции — создавая снимки с меньшим размытием движения, но большим шумом. [29] Он уменьшает размытие при фотографировании чего-либо движущегося, а также от дрожания камеры.
Другие теперь также используют цифровую обработку сигнала (DSP) для уменьшения размытости в неподвижных изображениях, например, разделяя экспозицию на несколько более коротких экспозиций в быстрой последовательности, отбрасывая размытые, повторно выравнивая самые резкие субэкспозиции и складывая их вместе, а также используя гироскоп для определения наилучшего времени для съемки каждого кадра. [30] [31] [32]
Многие системы нелинейного видеомонтажа используют фильтры стабилизации , которые могут исправить нестабилизированное изображение, отслеживая движение пикселей в изображении и корректируя изображение путем перемещения кадра. [33] [34] Процесс похож на цифровую стабилизацию изображения, но поскольку нет изображения большего размера для работы с фильтром, он либо обрезает изображение, чтобы скрыть движение кадра, либо пытается воссоздать потерянное изображение на краю с помощью пространственной или временной экстраполяции . [35]
Онлайн-сервисы, включая YouTube , также начинают предоставлять « стабилизацию видео как этап постобработки после загрузки контента». Это имеет недостаток, заключающийся в отсутствии доступа к гироскопическим данным в реальном времени, но преимущество в большей вычислительной мощности и возможности анализировать изображения как до, так и после определенного кадра. [36]
Используемая в астрономии ортогональная ПЗС-матрица (OTCCD) фактически сдвигает изображение внутри самой ПЗС во время захвата изображения на основе анализа видимого движения ярких звезд. Это редкий пример цифровой стабилизации для неподвижных изображений. Примером этого является предстоящий гигапиксельный телескоп Pan-STARRS , строящийся на Гавайях. [37]
Метод, не требующий дополнительных возможностей любой комбинации корпуса камеры и объектива, заключается в стабилизации всего корпуса камеры извне, а не с помощью внутреннего метода. Это достигается путем прикрепления гироскопа к корпусу камеры, обычно с использованием встроенного в камеру штативного крепления. Это позволяет внешнему гироскопу (карданному подвесу) стабилизировать камеру и обычно используется при съемке с движущегося транспортного средства, когда объектив или камера, предлагающие другой тип стабилизации изображения, недоступны. [38]
Распространенным способом стабилизации движущихся камер после примерно 2015 года является использование стабилизатора камеры , такого как стабилизированная удаленная головка камеры. Камера и объектив устанавливаются в держателе камеры с дистанционным управлением, который затем устанавливается на все, что движется, например, на рельсовые системы, кабели, автомобили или вертолеты. Примером дистанционной стабилизированной головки, которая используется для стабилизации движущихся телекамер, ведущих прямую трансляцию, является стабилизированная головка Newton. [39]
Другим методом стабилизации корпуса видео- или кинокамеры является система Steadicam , которая изолирует камеру от тела оператора с помощью ремней безопасности и стрелы камеры с противовесом. [40]
Стабилизатор камеры — это любое устройство или объект, который внешне стабилизирует камеру. Это может относиться к Steadicam , штативу , руке оператора камеры или их комбинации.
При съемке крупным планом использование датчиков вращения для компенсации изменений направления наведения становится недостаточным. Перемещение, а не наклон, камеры вверх/вниз или влево/вправо на долю миллиметра становится заметным, если вы пытаетесь разрешить миллиметровые детали на объекте. Линейные акселерометры в камере в сочетании с такой информацией, как фокусное расстояние объектива и фокусное расстояние, могут подавать вторичную коррекцию в привод, который перемещает датчик или оптику, для компенсации как линейного, так и вращательного дрожания. [41]
У многих животных, включая людей, внутреннее ухо функционирует как биологический аналог акселерометра в системах стабилизации изображения камеры, чтобы стабилизировать изображение путем перемещения глаз . При обнаружении поворота головы, тормозящий сигнал посылается на экстраокулярные мышцы с одной стороны и возбуждающий сигнал на мышцы с другой стороны. Результатом является компенсаторное движение глаз. Обычно движения глаз отстают от движений головы менее чем на 10 мс. [42]
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )[ постоянная мертвая ссылка ]