Стабилизация изображения ( IS ) — это семейство методов, которые уменьшают размытие, связанное с движением камеры или другого устройства формирования изображения во время экспозиции .
Как правило, он компенсирует панорамирование и наклон (угловое перемещение, 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 в смартфонах . В фотокамерах дрожание камеры представляет собой особую проблему при длинной выдержке или при использовании объективов с длинным фокусным расстоянием ( телеобъектив или зум ). В видеокамерах дрожание камеры вызывает видимое покадровое дрожание записанного видео. В астрономии проблема дрожания линз добавляется к изменениям в атмосфере , которые со временем меняют видимое положение объектов.
В фотографии стабилизация изображения может облегчить выдержку на 2–5,5 ступени длиннее (экспозиции от 4 до 22+в 1/2 раза дольше), а также сообщалось о еще более низких эффективных скоростях.
Эмпирическое правило для определения самой длинной выдержки, возможной для съемки с рук, без заметного размытия изображения из-за дрожания камеры, состоит в том, чтобы взять величину, обратную эквивалентному фокусному расстоянию объектива 35 мм , также известному как «правило 1/мм» [a ] . Например, при фокусном расстоянии 125 мм на 35 -мм камере вибрация или дрожание камеры могут повлиять на резкость , если выдержка длиннее 1/125 секунды. В результате более длинной выдержки на 2–4,5 ступени, допускаемой IS, изображение, снятое со скоростью 1 ⁄ 125 секунды с помощью обычного объектива, можно сделать с выдержкой 1 ⁄ 15 или 1 ⁄ секунды с объективом, оснащенным IS. и производят почти одинаковое качество. Резкость, достижимая на данной скорости, может значительно возрасти. [3] При расчете эффективного фокусного расстояния важно учитывать формат изображения, который использует камера. Например, во многих цифровых зеркальных камерах используется датчик изображения, размер которого составляет 2 ⁄ 3 , 5 ⁄ 8 или 1 ⁄ 2 размера кадра 35-мм пленки. Это означает, что рамка диаметром 35 мм в 1,5, 1,6 или 2 раза превышает размер цифрового датчика. Последние значения называются кроп-фактором , кроп-фактором поля зрения, множителем фокусного расстояния или коэффициентом формата. Например, на камере с кроп-фактором 2× объектив 50 мм обеспечивает такое же поле зрения, как объектив 100 мм, используемый в пленочной камере 35 мм, и его обычно можно держать в руках с выдержкой 1 ⁄ секунды .
Однако стабилизация изображения не предотвращает размытие изображения , вызванное движением объекта или резкими движениями камеры. Стабилизация изображения предназначена только для уменьшения размытия, возникающего в результате обычного минутного дрожания объектива при съемке с рук. Некоторые объективы и корпуса камер имеют режим вторичного панорамирования или более агрессивный «активный режим», оба из которых более подробно описаны ниже в разделе «Оптическая стабилизация изображения».
В астрофотографии широко используется фотография с длинной выдержкой , которая требует фиксации камеры на месте. Однако прикрепить его к Земле недостаточно, поскольку Земля вращается . Pentax K-5 и Kr, оснащенные GPS-аксессуаром O-GPS1 для передачи данных о местоположении, могут использовать возможность смещения датчика для уменьшения образующихся звездных следов . [4]
Стабилизация может быть применена как в объективе, так и в корпусе камеры. Каждый метод имеет отличительные преимущества и недостатки. [5]
Оптический стабилизатор изображения ( OIS , IS или OS ) — это механизм, используемый в фото- или видеокамерах, который стабилизирует записанное изображение, изменяя оптический путь к датчику. Эта технология реализована в самом объективе, в отличие от встроенной стабилизации изображения ( IBIS ), которая работает путем перемещения датчика как последнего элемента оптического пути. Ключевым элементом всех систем оптической стабилизации является то, что они стабилизируют изображение, проецируемое на датчик, прежде чем датчик преобразует изображение в цифровую информацию. IBIS может иметь до 5 осей движения: X, Y, крен, отклонение от курса и наклон. У IBIS есть дополнительное преимущество: он работает со всеми объективами.
Оптическая стабилизация изображения продлевает выдержку , возможную при съемке с рук, за счет снижения вероятности размытия изображения из-за дрожания при том же времени экспозиции.
При записи видео с рук , независимо от условий освещения, оптическая стабилизация изображения компенсирует незначительные дрожания, внешний вид которых увеличивается при просмотре на большом дисплее, например телевизоре или мониторе компьютера . [6] [7] [8]
Разные компании имеют разные названия технологии OIS, например:
Большинство смартфонов высокого класса по состоянию на конец 2014 года используют оптическую стабилизацию изображения для фотографий и видео. [11]
В реализации Nikon и Canon он работает за счет использования плавающего элемента линзы, который перемещается ортогонально оптической оси объектива с помощью электромагнитов. [12] Вибрация обнаруживается с помощью двух пьезоэлектрических датчиков угловой скорости (часто называемых гироскопическими датчиками): один предназначен для обнаружения горизонтального движения, а другой — для обнаружения вертикального движения. [13] В результате этот тип стабилизатора изображения корректирует только вращение по осям тангажа и рыскания, [14] [15] и не может корректировать вращение вокруг оптической оси. Некоторые объективы имеют дополнительный режим, который противодействует дрожанию камеры только в вертикальном направлении. Этот режим полезен при использовании техники панорамирования . Некоторые такие линзы активируют его автоматически; другие используют переключатель на объективе.
Чтобы компенсировать дрожание камеры при съемке видео во время ходьбы, Panasonic представила Power Hybrid OIS+ с пятиосной коррекцией: вращение по осям, горизонтальное вращение, вертикальное вращение, а также горизонтальное и вертикальное движение. [16]
Некоторые объективы Nikon с поддержкой VR предлагают «активный» режим для съемки с движущегося транспортного средства, например автомобиля или лодки, который должен компенсировать более сильные тряски, чем «нормальный» режим. [17] Однако активный режим, используемый для обычной съемки, может дать худшие результаты, чем обычный режим. [18] Это связано с тем, что активный режим оптимизирован для уменьшения движений с более высокой угловой скоростью (обычно при съемке с тяжело движущейся платформы с использованием более коротких выдержек), тогда как нормальный режим пытается уменьшить движения с более низкой угловой скоростью в большей амплитуде и временном интервале (обычно тело и движение рук, когда вы стоите на неподвижной или медленно движущейся платформе при использовании более длинной выдержки).
Большинство производителей предлагают отключать функцию стабилизации изображения, когда объектив установлен на штативе, поскольку это может привести к ошибочным результатам и, как правило, в этом нет необходимости. 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 снижение качества изображения. [19] Система также потребляет энергию аккумулятора, поэтому ее отключение, когда в этом нет необходимости, продлевает заряд аккумулятора.
Недостатком стабилизации изображения на основе объектива является стоимость. Для каждого объектива требуется своя система стабилизации изображения. Кроме того, не каждый объектив доступен в версии со стабилизацией изображения. Это часто относится к светосильным фиксам и широкоугольным объективам. Однако самым светосильным объективом со стабилизацией изображения является Nocticron со светосилой f /1,2. Хотя наиболее очевидным преимуществом стабилизации изображения является большее фокусное расстояние, даже обычные и широкоугольные объективы выигрывают от этого в условиях низкой освещенности.
Стабилизация на основе линз также имеет преимущества перед встроенной стабилизацией. В условиях слабого освещения или низкой контрастности система автофокусировки (не имеющая стабилизированных датчиков) способна работать более точно, когда изображение, поступающее с объектива, уже стабилизировано. [ нужна цитация ] В камерах с оптическими видоискателями изображение, увиденное фотографом через стабилизированный объектив (в отличие от встроенной стабилизации), раскрывает больше деталей из-за своей стабильности, а также облегчает правильное кадрирование. Особенно это касается длиннофокусных объективов. Это не проблема для беззеркальных систем камер со сменными объективами, поскольку выходной сигнал датчика на экран или электронный видоискатель стабилизирован.
Датчик, захватывающий изображение, можно перемещать таким образом, чтобы противодействовать движению камеры. Эту технологию часто называют механической стабилизацией изображения. Когда камера вращается, вызывая угловую ошибку, гироскопы передают информацию исполнительному механизму, который перемещает датчик. [20] Датчик перемещается для сохранения проекции изображения на плоскость изображения, которая является функцией фокусного расстояния используемого объектива. Современные камеры могут автоматически получать информацию о фокусном расстоянии от современных объективов, созданных для этой камеры. Minolta и Konica Minolta использовали технологию Anti-Shake (AS), которая сейчас продается как SteadyShot (SS) в линейке Sony α и Shake Reduction (SR) в камерах Pentax серий K и Q , которая основана на очень точном угловом измерении. Датчик скорости для обнаружения движения камеры. [21] Компания Olympus представила стабилизацию изображения в своей цифровой зеркальной камере E-510 , используя систему, построенную на основе сверхзвукового волнового привода. [22] Другие производители используют цифровые сигнальные процессоры (DSP) для анализа изображения «на лету», а затем соответствующим образом перемещают датчик. Сдвиг сенсора также используется в некоторых камерах Fujifilm, Samsung, Casio Exilim и Ricoh Caplio. [23]
Преимущество перемещения датчика изображения вместо объектива заключается в том, что изображение можно стабилизировать даже на объективах, изготовленных без стабилизации. Это может позволить стабилизации работать со многими объективами, которые в противном случае нестабилизированы, а также снижает вес и сложность линз. Кроме того, когда технология стабилизации изображения на основе датчиков совершенствуется, для того, чтобы воспользоваться преимуществами улучшений, требуется заменить только камеру, что обычно обходится гораздо дешевле, чем замена всех существующих объективов, если полагаться на стабилизацию изображения на основе линз. Некоторые реализации стабилизации изображения на основе датчиков способны корректировать вращение камеры — движение, которое легко вызвать нажатием кнопки спуска затвора. Ни одна система на основе линз не может устранить этот потенциальный источник размытия изображения. Побочным продуктом доступной компенсации «крена» является то, что камера может автоматически корректировать наклон горизонта в оптической области, при условии, что она оснащена электронным уровнем, таким как камеры Pentax K-7/K-5.
Одним из основных недостатков перемещения самого датчика изображения является то, что изображение, проецируемое в видоискатель, не стабилизируется. Аналогичным образом, изображение, проецируемое на систему фазовой автофокусировки, которая не является частью датчика изображения, если она используется, не стабилизируется. Это не проблема для камер, использующих электронный видоискатель (EVF), поскольку изображение, проецируемое на этот видоискатель, берется с самого датчика изображения.
Некоторые, но не все, камеры со встроенной стабилизацией можно предварительно настроить вручную на заданное фокусное расстояние. Их система стабилизации корректирует изображение так, как будто к нему прикреплен объектив с фокусным расстоянием, поэтому камера может стабилизировать старые объективы и объективы других производителей. Это невозможно с зум-объективами, поскольку их фокусное расстояние варьируется. Некоторые адаптеры передают информацию о фокусном расстоянии от производителя одного объектива корпусу другого производителя. Некоторые объективы, которые не сообщают о своем фокусном расстоянии, могут быть оснащены чипом, который сообщает корпусу камеры о заранее запрограммированном фокусном расстоянии. Иногда ни один из этих методов не работает, и с такими объективами невозможно использовать стабилизацию изображения.
Встроенная стабилизация изображения 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, где типичный современный оптически стабилизированный объектив имеет большую свободу. Как скорость, так и диапазон требуемого перемещения датчика увеличиваются с увеличением фокусного расстояния 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 сокращается. становится недостаточным, чтобы справиться с растущим смещением изображения.
В сентябре 2023 года компания Nikon объявила о выпуске Nikon Z f , которая оснащена первой в мире технологией Focus-Point VR, которая центрирует ось стабилизации изображения при сдвиге датчика в точке автофокусировки, а не в центре датчика, как у обычного датчика. сдвиг системы стабилизации изображения. 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 с Panasonic Lumix DC-GH5 , компания Panasonic, которая раньше оснащала только стабилизацию на основе объектива в своей системе камер со сменными объективами (стандарта Micro Four Thirds ), представила стабилизация смещения датчика, работающая совместно с существующей системой на основе объектива («Dual IS»).
Тем временем (2016 г.) Olympus также предложила два объектива со стабилизацией изображения, которые можно синхронизировать со встроенной системой стабилизации изображения датчиков изображения камер Olympus Micro Four Thirds («Sync IS»). С помощью этой технологии можно добиться усиления в 6,5 ступеней диафрагмы без размытия изображения. [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 телефотосъемок (с эквивалентным фокусным расстоянием 35 мм 800 миллиметров) и чуть более десяти секунд для широкоугольных снимков (с 35 мм, эквивалентное фокусное расстояние 24 мм), если движение Земли не учитывается в процессе стабилизации изображения. [26]
В 2015 году система камер Sony E также позволяла комбинировать системы стабилизации изображения объективов и корпусов камер, но без синхронизации одинаковых степеней свободы . В этом случае для поддержки стабилизации объектива активируются только независимые степени компенсации встроенной стабилизации датчика изображения. [27]
Canon и Nikon теперь имеют полнокадровые беззеркальные камеры с IBIS, а также поддерживают стабилизацию на основе объективов 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, Z 8 и Z 9 — имеют IBIS. Однако в его APS-C Z 50 отсутствует IBIS.
Цифровая стабилизация изображения в реальном времени , также называемая электронной стабилизацией изображения (EIS), используется в некоторых видеокамерах. Этот метод смещает обрезанную область, считываемую с датчика изображения для каждого кадра, чтобы противодействовать движению. Для этого требуется, чтобы разрешение датчика изображения превышало разрешение записанного видео, и это немного уменьшает поле зрения, поскольку область датчика изображения за пределами видимого кадра действует как буфер от движений рук. [28] Этот метод уменьшает отвлекающие вибрации от видео, сглаживая переход от одного кадра к другому.
Этот метод ничего не может сделать с существующим размытием изображения в движении, что может привести к потере фокуса изображения, поскольку движение компенсируется за счет движения во время экспозиции отдельных кадров. Этот эффект более заметен в темных сценах из-за длительного времени экспозиции на кадр.
Некоторые производители фотоаппаратов продавали свои камеры как имеющие цифровую стабилизацию изображения, тогда как на самом деле у них был только режим высокой чувствительности, который использует короткое время выдержки, создавая изображения с меньшим размытием изображения при движении, но с большим количеством шума. [29] Уменьшает размытость при съемке движущихся объектов, а также при дрожании камеры.
Другие теперь также используют цифровую обработку сигнала (DSP) для уменьшения размытости фотографий, например, разделяя экспозицию на несколько более коротких экспозиций в быстрой последовательности, удаляя размытые кадры, повторно выравнивая самые резкие части экспозиции и складывая их вместе, и использование гироскопа для определения наилучшего времени для съемки каждого кадра. [30] [31] [32]
Многие системы нелинейного монтажа видео используют стабилизационные фильтры , которые могут корректировать нестабилизированное изображение, отслеживая движение пикселей в изображении и корректируя изображение путем перемещения кадра. [33] [34] Этот процесс аналогичен цифровой стабилизации изображения, но, поскольку нет изображения большего размера для работы с фильтром, он либо обрезает изображение, чтобы скрыть движение кадра, либо пытается воссоздать потерянное изображение по краям с помощью пространственных или временная экстраполяция . [35]
Онлайн-сервисы, включая YouTube , также начинают обеспечивать стабилизацию видео на этапе постобработки после загрузки контента. Недостатком этого подхода является отсутствие доступа к гироскопическим данным в реальном времени, но преимуществом является большая вычислительная мощность и возможность анализировать изображения как до, так и после определенного кадра. [36]
Используемая в астрономии ПЗС-матрица с ортогональным переносом (OTCCD) фактически сдвигает изображение внутри самой ПЗС-матрицы во время ее захвата на основе анализа видимого движения ярких звезд. Это редкий пример цифровой стабилизации фотоснимков. Примером этого является будущий гигапиксельный телескоп Pan-STARRS , строящийся на Гавайях. [37]
Метод, который не требует дополнительных возможностей какой-либо комбинации корпуса камеры и объектива, заключается в внешней стабилизации всего корпуса камеры, а не в использовании внутреннего метода. Это достигается путем прикрепления гироскопа к корпусу камеры, обычно с использованием встроенного в камеру крепления для штатива. Это позволяет внешнему гироскопу (подвесу) стабилизировать камеру и обычно используется при съемке с движущегося транспортного средства, когда недоступен объектив или камера, обеспечивающая другой тип стабилизации изображения. [38]
Распространенный способ стабилизации движущихся камер примерно через 10 секунд. В 2015 году используется стабилизатор камеры , например, стабилизированная удаленная головка камеры. Камера и объектив устанавливаются в держатель камеры с дистанционным управлением, который затем монтируется на все движущееся оборудование, например, на железнодорожные системы, кабели, автомобили или вертолеты. Примером дистанционно стабилизированной головки, которая используется для стабилизации движущихся телекамер, ведущих прямую трансляцию, является стабилизированная головка Ньютона. [39]
Еще одним 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 стедикаму , штативу , руке оператора или их комбинации.
При съемке крупным планом использование датчиков вращения для компенсации изменений направления наведения становится недостаточным. Перемещение камеры вверх/вниз или влево/вправо на доли миллиметра, а не наклон, становится заметным, если вы пытаетесь различить на объекте детали миллиметрового размера. Линейные акселерометры в камере в сочетании с такой информацией, как фокусное расстояние объектива и расстояние фокусировки, могут вводить вторичную коррекцию в привод, который перемещает датчик или оптику, чтобы компенсировать как линейное, так и вращательное дрожание. [41]
У многих животных, включая человека, внутреннее ухо функционирует как биологический аналог акселерометра в системах стабилизации изображения камеры, стабилизируя изображение путем перемещения глаз . При обнаружении вращения головы тормозной сигнал посылается экстраокулярным мышцам с одной стороны и возбуждающий сигнал мышцам 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 )