Bildstabilisering - Image stabilization
Bildstabilisering ( IS ) är en familj av tekniker som minskar oskärpa i samband med rörelse från en kamera eller annan bildanordning under exponering .
I allmänhet kompenserar den för panorering och lutning (vinkelrörelse, ekvivalent med yaw och pitch ) på bildanordningen, även om elektronisk bildstabilisering också kan kompensera för rotation. Den används främst i high-end bildstabiliserade kikare , still och video kameror, astronomiska teleskop och även smartphones . Med stillkameror är kameraskakningar ett särskilt problem vid långa slutartider eller med objektiv med lång brännvidd ( telefoto eller zoom ). Med videokameror orsakar kameraskakningar synliga ram-till-ram- skakningar i den inspelade videon. Inom astronomi läggs problemet med linsskakning till variationen i atmosfären , vilket förändrar objektens skenbara positioner över tid.
Ansökan inom stillbilder
Inom fotografering kan bildstabilisering underlätta slutartiden 2 till 5,5 steg långsammare (exponeringar 4 till 22+1 / 2 gånger längre), och även långsammare effektiva hastigheter har rapporterats.
En tumregel för att bestämma den långsammaste slutartiden som är möjlig för handhållning utan märkbar oskärpa på grund av kameraskakningar är att ta det ömsesidiga med 35 mm ekvivalent brännvidd för objektivet, även känt som "1/mm-regeln". Till exempel vid en brännvidd på 125 mm på en 35 mm kamera kan vibrationer eller kameraskakningar påverka skärpan om slutartiden är långsammare än 1 ⁄ 125 sekund. Som ett resultat av det två-till-4,5-stannar längre slutartider tillåts av IS, en bild som tas på ett / 125 andra hastighet med en vanlig lins skulle kunna vidtas på ett / femton eller 1 / 8 sekund med en IS-utrustad lins och producerar nästan samma kvalitet. Skärpan som kan erhållas vid en given hastighet kan öka dramatiskt. Vid beräkning av den effektiva brännvidden är det viktigt att ta hänsyn till bildformatet som en kamera använder. Till exempel använder många digitala SLR -kameror en bildsensor som är 2 / 3 , 5 / 8 eller 1 / 2 storleken på en 35 mm filmram. Det betyder att 35 mm -ramen är 1,5, 1,6 eller 2 gånger storleken på den digitala sensorn. De senare värdena kallas beskärningsfaktorn , beskärningsfaktorn för synfält, brännviddsmultiplikator eller formatfaktor. På en 2 × beskärningsfaktorkamera, till exempel, producerar ett 50 mm -objektiv samma synfält som ett 100 mm -objektiv som används på en 35 mm filmkamera, och kan normalt hållas på 1 / 100 sekund.
Däremot bildstabilisering inte förhindra rörelseoskärpa som orsakas av rörelsen av motivet eller av extrema kamerarörelser. Bildstabilisering är endast avsedd för och kan minska oskärpa som uppstår vid normal, liten skakning av ett objektiv på grund av handhållen fotografering. Vissa linser och kamerahus inkluderar ett sekundärt panoreringläge eller ett mer aggressivt "aktivt läge", båda beskrivs mer detaljerat nedan under optisk bildstabilisering .
Astrofotografering använder mycket lång exponering , vilket kräver att kameran fixeras på plats. Det är dock inte tillräckligt att fästa den på jorden, eftersom jorden roterar . Pentax K-5 och Kr, när de är utrustade med O-GPS1 GPS-tillbehör för positionsdata, kan använda sin sensorförskjutningsförmåga för att minska de resulterande stjärnvägarna .
Stabilisering kan appliceras i objektivet eller i kamerahuset. Varje metod har distinkta fördelar och nackdelar.
Tekniker
Optisk bildstabilisering
En optisk bildstabilisator ( OIS , IS eller OS ) är en mekanism som används i still- eller videokameror som stabiliserar den inspelade bilden genom att variera den optiska vägen till sensorn. Denna teknik implementeras i själva linsen, till skillnad från bildstabilisering i kroppen ( IBIS ), som fungerar genom att flytta sensorn som det sista elementet i den optiska vägen. Nyckelelementet i alla optiska stabiliseringssystem är att de stabiliserar bilden som projiceras på sensorn innan sensorn omvandlar bilden till digital information. IBIS kan ha upp till 5 axel rörlighet: X, Y, rulla, Yaw och Pitch. IBIS har den extra fördelen att arbeta med alla linser.
Fördelar med OIS
Optisk bildstabilisering förlänger den möjliga slutartiden för handhållen fotografering genom att minska sannolikheten för att bilden blir suddig under samma exponeringstid.
För handhållen videoinspelning , oavsett ljusförhållanden, kompenserar optisk bildstabilisering för mindre skakningar vars utseende förstoras när man tittar på en stor bildskärm, till exempel en tv -apparat eller datorskärm .
Namn av leverantörer
Olika företag har olika namn för OIS -tekniken, till exempel:
- Vibrationsreducering (VR) -Nikon (producerade det första optiska tvåaxliga stabiliserade objektivet, en 38–105 mm f /4–7.8 zoom inbyggd i Nikon Zoom 700VR (USA: Zoom-Touch 105 VR) kamera 1994)
- Bildstabilisator (IS) -Canon introducerade EF 75–300 mm f /4–5.6 IS USM) 1995. År 2009 introducerade de sitt första objektiv (EF 100 mm F2.8 Macro L) för att använda en fyraxlig hybrid IS .)
- Anti-Shake (AS) -Minolta och Konica Minolta (Minolta introducerade den första sensorbaserade tvåaxliga bildstabilisatorn med DiMAGE A1 2003)
- IBIS - In Body Image Stabilization - Olympus
- Optical SteadyShot (OSS) -Sony (för Cyber-shot och flera α E-mount-objektiv )
- Optisk bildstabilisering (OIS) - Fujifilm
- MegaOIS, PowerOIS - Panasonic och Leica
- SteadyShot (SS), Super SteadyShot (SSS), SteadyShot INSIDE (SSI) -Sony (baserat på Konica Minoltas Anti-Shake ursprungligen introducerade Sony en 2-axlig helbildsversion för DSLR-A900 2008 och en 5-axel stabilisator för helbild ILCE-7M2 2014)
- Optisk stabilisering (OS) - Sigma
- Vibrationskompensation (VC) - Tamron
- Skakreducering (SR) - Pentax
- PureView - Nokia (producerade den första mobiltelefonens optiska stabiliserade sensor, inbyggd i Lumia 920 )
- UltraPixel - HTC (bildstabilisering är endast tillgänglig för HTC One 2013 och 2016 HTC 10 med UltraPixel. Den är inte tillgänglig för HTC One (M8) eller HTC Butterfly S, som också har UltraPixel)
De flesta avancerade smartphones från slutet av 2014 använder optisk bildstabilisering för foton och videor.
Linsbaserad
I Nikons och Canons implementering fungerar det genom att använda ett flytande linselement som flyttas ortogonalt till objektivets optiska axel med hjälp av elektromagneter. Vibrationer detekteras med två piezoelektriska vinkelhastighetssensorer (ofta kallade gyroskopiska sensorer), en för att detektera horisontell rörelse och den andra för att detektera vertikal rörelse. Som en följd av detta korrigerar denna typ av bildstabilisator endast för rotationer i tonhöjd och gaffelaxel och kan inte korrigera för rotation runt den optiska axeln. Vissa objektiv har ett sekundärt läge som motverkar endast vertikal kameraskakning. Det här läget är användbart när du använder en panoreringsteknik . Vissa sådana linser aktiverar det automatiskt; andra använder en strömbrytare på objektivet.
För att kompensera för kameraskakningar vid inspelning av video under gång, introducerade Panasonic Power Hybrid OIS+ med femaxlig korrigering: axelrotation, horisontell rotation, vertikal rotation och horisontell och vertikal rörelse.
Vissa Nikon VR-aktiverade linser erbjuder ett "aktivt" läge för fotografering från ett fordon i rörelse, till exempel en bil eller båt, vilket är tänkt att korrigera för större skakningar än "normalt" läge. Men aktivt läge som används för normal fotografering kan ge sämre resultat än normalt läge. Detta beror på att aktivt läge är optimerat för att minska rörelser med högre vinkelhastighet (vanligtvis vid fotografering från en plattform som rör sig mycket med snabbare slutartider), där normalt läge försöker minska rörelser med lägre vinkelhastighet över en större amplitud och tidsram (vanligtvis kropps- och handrörelser när du står på en stillastående eller långsamt rörlig plattform när du använder långsammare slutartider).
De flesta tillverkare föreslår att IS -funktionen hos ett objektiv stängs av när objektivet monteras på ett stativ eftersom det kan orsaka oregelbundna resultat och i allmänhet är onödigt. Många moderna bildstabiliseringsobjektiv (i synnerhet Canons nyare IS-objektiv) kan automatiskt upptäcka att de är monterade på stativ (till följd av extremt låga vibrationsavläsningar) och inaktivera IS automatiskt för att förhindra detta och eventuella följdreducering av bildkvaliteten. Systemet drar också batteri, så att inaktivera det när det inte behövs förlänger batteriladdningen.
En nackdel med linsbaserad bildstabilisering är kostnaden. Varje objektiv kräver sitt eget bildstabiliseringssystem. Dessutom är inte alla objektiv tillgängliga i en bildstabiliserad version. Detta är ofta fallet för snabba primtal och vidvinkelobjektiv. Det snabbaste objektivet med bildstabilisering är dock Nocticron med en hastighet på f / 1,2. Medan den mest uppenbara fördelen med bildstabilisering ligger med längre brännvidd, drar även vanliga och vidvinkelobjektiv nytta av det i applikationer med svagt ljus.
Linsbaserad stabilisering har också fördelar jämfört med stabilisering i kroppen. I situationer med svagt ljus eller låg kontrast kan autofokussystemet (som inte har några stabiliserade sensorer) arbeta mer exakt när bilden som kommer från linsen redan är stabiliserad. I kameror med optiska sökare avslöjar den bild som fotografen ser genom det stabiliserade objektivet (i motsats till stabilisering i kroppen) mer detaljer på grund av dess stabilitet, och det gör också korrekt inramning enklare. Detta är särskilt fallet med längre teleobjektiv. Denna fördel uppstår inte på kompakta systemkameror , eftersom sensorutmatningen till skärmen eller den elektroniska sökaren skulle stabiliseras.
Sensorförskjutning
Sensorn som tar bilden kan flyttas på ett sådant sätt att den motverkar kamerans rörelse, en teknik som ofta kallas mekanisk bildstabilisering. När kameran roterar och orsakar vinkelfel, kodar gyroskop information till ställdonet som rör sensorn. Sensorn flyttas för att bibehålla projektion av bilden på bildplanet, vilket är en funktion av brännvidden för det objektiv som används. Moderna kameror kan automatiskt skaffa brännviddsinformation från moderna objektiv som är gjorda för den kameran. Vissa linser kan eftermonteras med ett chip som kommunicerar brännvidden. Minolta och Konica Minolta använde en teknik som kallas Anti-Shake (AS) som nu marknadsförs som SteadyShot (SS) i Sony α- linjen och Shake Reduction (SR) i Pentax K-serien och Q- seriekameror, som bygger på en mycket exakt vinkel hastighetssensor för att upptäcka kamerarörelser. Olympus introducerade bildstabilisering med sin E-510 D-SLR- kropp, med ett system byggt kring deras Supersonic Wave Drive. Andra tillverkare använder digitala signalprocessorer (DSP) för att analysera bilden i farten och sedan flytta sensorn på lämpligt sätt. Sensorväxling används också i vissa kameror av Fujifilm, Samsung, Casio Exilim och Ricoh Caplio.
Fördelen med att flytta bildsensorn , istället för objektivet, är att bilden kan stabiliseras även på objektiv gjorda utan stabilisering. Detta kan göra det möjligt för stabiliseringen att fungera med många annars ustabiliserade linser och minska linsernas vikt och komplexitet. När sensorbaserad bildstabiliseringsteknologi förbättras krävs det också att endast kameran byts ut för att dra nytta av förbättringarna, vilket vanligtvis är mycket billigare än att byta ut alla befintliga objektiv om man bygger på linsbaserad bildstabilisering. Vissa sensorbaserade bildstabiliseringsimplementeringar kan korrigera kamerarullningsrotation , en rörelse som lätt upphetsas genom att trycka på avtryckaren. Inget linsbaserat system kan hantera denna potentiella källa till bildskärpa. En biprodukt av tillgänglig "rulle" -kompensation är att kameran automatiskt kan korrigera för lutande horisonter i den optiska domänen, förutsatt att den är utrustad med en elektronisk vattenpass, till exempel Pentax K-7/K-5-kameror.
En av de främsta nackdelarna med att flytta själva bildsensorn är att bilden som projiceras till sökaren inte är stabiliserad. Detta är dock inte ett problem på kameror som använder en elektronisk sökare (EVF), eftersom bilden som projiceras på sökaren är hämtad från själva bildsensorn. På samma sätt stabiliseras inte bilden som projiceras till ett fasdetekterande autofokussystem som inte ingår i bildsensorn.
Vissa men inte alla kamerahus som kan stabilisera kroppen kan förinställas manuellt till en given brännvidd. Deras stabiliseringssystem korrigerar som om objektivet med brännvidd är fäst, så att kameran kan stabilisera äldre objektiv och objektiv från andra tillverkare. Detta är inte livskraftigt med zoomobjektiv, eftersom deras brännvidd är varierande. Vissa adaptrar kommunicerar brännviddsinformation från tillverkaren av ett objektiv till en annan tillverkares kropp. Vissa objektiv som inte rapporterar sin brännvidd kan ha ett chip tillfört objektivet, som rapporterar en förprogrammerad brännvidd till kamerahuset. Ibland fungerar ingen av dessa tekniker, och bildstabilisering kan helt enkelt inte användas med sådana objektiv.
Bildstabilisering i kroppen kräver att linsen har en större utgående bildcirkel eftersom sensorn flyttas under exponering och därmed använder en större del av bilden. Jämfört med linsrörelser i optiska bildstabiliseringssystem är sensorrörelserna ganska stora, så effektiviteten begränsas av det maximala intervallet för sensorrörelser, där ett typiskt modernt optiskt stabiliserat objektiv har större frihet. Både hastigheten och räckvidden för den erforderliga sensorrörelsen ökar med brännvidden för objektivet som används, vilket gör sensorförskjutningstekniken mindre lämplig för mycket långa teleobjektiv, särskilt när man använder långsammare slutartider, eftersom sensorns tillgängliga rörelseomfång snabbt blir otillräcklig för att klara den ökande bildförskjutningen.
Dubbel
Från och med Panasonic Lumix DMC-GX8 , som tillkännagavs i juli 2015, och därefter i Panasonic Lumix DC-GH5 , introducerade Panasonic, som tidigare endast utrustade linsbaserad stabilisering i sitt utbytbara objektivkamerasystem (enligt standarden Micro Four Thirds ), sensor-shift-stabilisering som fungerar tillsammans med det befintliga linsbaserade systemet ("Dual IS").
Under tiden (2016) erbjöd Olympus också två linser med bildstabilisering som kan synkroniseras med det inbyggda bildstabiliseringssystemet för bildsensorerna i Olympus Micro Four Thirds- kameror ("Sync IS"). Med denna teknik kan en förstärkning på 6,5 f -stopp uppnås utan suddiga bilder. Detta begränsas av rotationsrörelsen på jordens yta, som lurar kamerans accelerometrar . Därför bör den maximala exponeringstiden, beroende på synvinkel, inte överstiga 1 ⁄ 3 sekund för långa telebilder (med 35 mm ekvivalent brännvidd på 800 millimeter) och lite mer än tio sekunder för vidvinkelbilder (med en 35 mm ekvivalent brännvidd på 24 millimeter), om jordens rörelse inte beaktas av bildstabiliseringsprocessen.
Under 2015 tillät Sony E kamerasystem också att kombinera bildstabiliseringssystem för linser och kamerahus, men utan att synkronisera samma frihetsgrader . I detta fall är endast de oberoende kompensationsgraderna för den inbyggda bildsensorstabiliseringen aktiverade för att stödja linsstabilisering.
Canon och Nikon har nu fullformat spegelfria kroppar som har IBIS och stöder även varje företags linsbaserade stabilisering. Canons två första kroppar, EOS R och RP , har inte IBIS, men funktionen har lagts till för de senaste R5 och R6 . Alla Nikons Z-monteringsdelar i fullformat- Z 6 , Z 7 och Mark II-versionerna av båda-har IBIS. Emellertid dess APS-C Z 50 saknar IBIS.
Digital bildstabilisering
Digital bildstabilisering i realtid , även kallad elektronisk bildstabilisering (EIS), används i vissa videokameror. Denna teknik förskjuter den elektroniska bilden från bild till bildram, tillräckligt för att motverka rörelsen. Den använder pixlar utanför gränsen för den synliga ramen för att ge en buffert för rörelsen. Denna teknik minskar störande vibrationer från videor genom att jämna övergången från en bildruta till en annan. Denna teknik påverkar inte brusnivån i bilden, utom i extrema gränser när bilden extrapoleras. Den kan inte göra någonting åt befintlig rörelseoskärpa, vilket kan leda till att en bild till synes tappar fokus när rörelse kompenseras.
Vissa kameratillverkare marknadsförde sina kameror med digital bildstabilisering när de bara hade ett högkänsligt läge som använder en kort exponeringstid-vilket ger bilder med mindre rörelseoskärpa, men mer brus. Det minskar oskärpa vid fotografering av något som rör sig, liksom från kameraskakningar.
Andra använder nu också digital signalbehandling (DSP) för att minska oskärpa i stillbilder, till exempel genom att dela upp exponeringen i flera kortare exponeringar i snabb följd, kassera suddiga, justera om de skarpaste delexponeringarna och lägga till dem tillsammans, och med hjälp av gyroskopet för att upptäcka den bästa tiden att ta varje bildruta.
Stabiliseringsfilter
Många video icke-linjära redigeringssystem använder stabiliseringsfilter som kan korrigera en icke-stabiliserad bild genom att spåra rörelsen av bildpunkter i bilden och korrigera bilden genom att flytta ramen. Processen liknar digital bildstabilisering men eftersom det inte finns någon större bild att arbeta med filtret så skär den antingen ner bilden för att dölja bildens rörelse eller försöker återskapa den förlorade bilden vid kanten genom rumslig eller tidsmässig extrapolering .
Onlinetjänster, inklusive YouTube , börjar också tillhandahålla videostabilisering som ett efterbehandlingssteg efter att innehåll har laddats upp. Detta har nackdelen med att inte ha tillgång till realtidens gyroskopiska data, men fördelen med mer datorkraft och möjligheten att analysera bilder både före och efter en viss ram.
Ortogonal överförings -CCD
Används inom astronomi, en ortogonal överföring CCD (OTCCD) faktiskt flyttar bilden inom själva CCD medan bilden fångas, baserat på analys av den skenbara rörelsen av ljusa stjärnor. Detta är ett sällsynt exempel på digital stabilisering för stillbilder. Ett exempel på detta är i det kommande gigapixel-teleskopet Pan-STARRS som byggs på Hawaii.
Stabiliserar kamerahuset
En teknik som inte kräver några ytterligare funktioner hos någon kamerahus -objektivkombination består i att stabilisera hela kamerahuset externt snarare än att använda en intern metod. Detta uppnås genom att fästa ett gyroskop på kamerahuset, vanligtvis med kamerans inbyggda stativfäste. Detta låter den externa gyro (gimbal) stabilisera kameran och används vanligtvis vid fotografering från ett fordon i rörelse när ett objektiv eller en kamera som erbjuder en annan typ av bildstabilisering inte är tillgängligt.
Ett vanligt sätt att stabilisera rörliga kameror efter ca. år 2015 är genom att använda en kamerastabilisator som ett stabiliserat fjärrkamerahuvud. Kameran och objektivet monteras i en fjärrstyrd kamerahållare som sedan monteras på allt som rör sig, till exempel järnvägssystem, kablar, bilar eller helikoptrar. Ett exempel på ett fjärrstabiliserat huvud som används för att stabilisera rörliga TV -kameror som sänder live är det Newton -stabiliserade huvudet.
En annan teknik för att stabilisera en video- eller filmkamerakropp är Steadicam -systemet, som isolerar kameran från förarens kropp med hjälp av en sele och en kamerabom med motvikt.
Kamerastabilisator
En kamerastabilisator är alla enheter eller föremål som externt stabiliserar kameran. Detta kan syfta på en Steadicam , ett stativ , kamerahandläggarens hand eller en kombination av dessa.
Vid närbildsfotografering blir det inte tillräckligt med rotationssensorer för att kompensera för ändringar i pekriktningen. Att flytta, snarare än att luta, kameran upp/ner eller vänster/höger med en bråkdel av en millimeter blir märkbar om du försöker lösa millimeterstorleksdetaljer på objektet. Linjära accelerometrar i kameran, tillsammans med information som linsens brännvidd och fokuserat avstånd, kan mata in en sekundär korrigering i enheten som rör sensorn eller optiken, för att kompensera för både linjär och rotationsskakning.
I biologiska ögon
Hos många djur, inklusive människor, fungerar innerörat som den biologiska analogen av en accelerometer i kamerabildstabiliseringssystem, för att stabilisera bilden genom att röra ögonen . När en rotation av huvudet detekteras skickas en hämmande signal till de extraokulära musklerna på ena sidan och en excitatorisk signal till musklerna på den andra sidan. Resultatet är en kompenserande rörelse i ögonen. Normalt fördröjer ögonrörelserna huvudrörelserna med mindre än 10 ms.