Billedstabilisering - Image stabilization
Billedstabilisering ( IS ) er en familie af teknikker, der reducerer sløring forbundet med bevægelse af et kamera eller en anden billeddannelsesenhed under eksponering .
Generelt kompenserer det for panorering og hældning (vinkelbevægelse, ækvivalent med gab og stigning ) af billeddannelsesenheden, selvom elektronisk billedstabilisering også kan kompensere for rotation. Det er hovedsageligt anvendes i high-end billede-stabiliseret kikkert , still og video- kameraer, astronomiske teleskoper , og også smartphones . Med still-kameraer , kamerarystelser er et særligt problem ved langsomme lukkertider eller med lange brændvidde objektiver ( tele eller zoom ). Med videokameraer forårsager kamerarystelser synlige frame-to-frame jitter i den optagede video. I astronomi tilføjes problemet med linserystelse til variation i atmosfæren , hvilket ændrer objekternes tilsyneladende positioner over tid.
Ansøgning i stillfotografering
Ved fotografering kan billedstabilisering lette lukkerhastigheder 2 til 5,5 stop langsommere (eksponering 4 til 22+1 / 2 gange længere), og selv langsommere effektive hastigheder er blevet rapporteret.
En tommelfingerregel for at bestemme den langsomste lukkerhastighed, der er mulig for håndholdning uden mærkbar sløring på grund af kamerarystelser, er at tage det gensidige af objektivets 35 mm ækvivalente brændvidde, også kendt som "1/mm-reglen". For eksempel ved en brændvidde på 125 mm på et 35 mm kamera kan vibrationer eller kamerarystelser påvirke skarpheden, hvis lukkerhastigheden er langsommere end 1 ⁄ 125 sekund. Som følge af 2-til-4,5-stopper lavere lukkerhastigheder tilladt af IS, et billede taget ved 1 / 125 anden hastighed med en almindelig linse kunne træffes på 1 / 15 eller 1 / 8 sekund med en IS-udstyret linse og producerer næsten samme kvalitet. Skarpheden, der kan opnås ved en given hastighed, kan stige dramatisk. Ved beregning af den effektive brændvidde er det vigtigt at tage hensyn til det billedformat, et kamera bruger. For eksempel bruger mange digitale SLR -kameraer en billedsensor, der er 2 ⁄ 3 , 5 ⁄ 8 eller 1 ⁄ 2 på størrelse med en 35 mm filmramme. Det betyder, at rammen på 35 mm er 1,5, 1,6 eller 2 gange størrelsen på den digitale sensor. Sidstnævnte værdier omtales som afgrødefaktor , synsfeltafgrødefaktor, brændvidde-multiplikator eller formatfaktor. På et 2 × beskæringsfaktorkamera, for eksempel, producerer et 50 mm objektiv det samme synsfelt som et 100 mm objektiv, der bruges på et 35 mm filmkamera, og kan typisk håndholdes på 1 ⁄ 100 sekund.
Billedstabilisering forhindrer imidlertid ikke bevægelsessløring forårsaget af motivets bevægelse eller af ekstreme bevægelser af kameraet. Billedstabilisering er kun designet til og i stand til at reducere sløring som følge af normal minutrystelse af et objektiv på grund af håndholdt optagelse. Nogle linser og kamerahus omfatter en sekundær panoreringstilstand eller en mere aggressiv 'aktiv tilstand', som begge er beskrevet mere detaljeret nedenfor under optisk billedstabilisering .
Astrofotografering gør meget brug af fotografering med lang eksponering , hvilket kræver, at kameraet sidder fast. Det er imidlertid ikke nok at fastgøre det til Jorden, da Jorden roterer . Pentax K-5 og Kr, når de er udstyret med O-GPS1 GPS-tilbehør til positionsdata, kan bruge deres sensorskift-evne til at reducere de resulterende stjernestier .
Stabilisering kan anvendes i objektivet eller i kamerahuset. Hver metode har karakteristiske fordele og ulemper.
Teknikker
Optisk billedstabilisering
En optisk billedstabilisator ( OIS , IS eller OS ) er en mekanisme, der bruges i still- eller videokameraer, der stabiliserer det optagede billede ved at variere den optiske vej til sensoren. Denne teknologi er implementeret i selve linsen, adskilt fra in-body image stabilization ( IBIS ), som fungerer ved at flytte sensoren som det sidste element i den optiske vej. Nøgleelementet i alle optiske stabiliseringssystemer er, at de stabiliserer det billede, der projiceres på sensoren, før sensoren konverterer billedet til digital information. IBIS kan have op til 5 akse for bevægelse: X, Y, Roll, Yaw, og banen. IBIS har den ekstra fordel at arbejde med alle objektiver.
Fordele ved OIS
Optisk billedstabilisering forlænger den mulige lukkertid for håndholdt fotografering ved at reducere sandsynligheden for at sløre billedet fra rystelser i samme eksponeringstid.
Til håndholdt videooptagelse , uanset lysforhold, kompenserer optisk billedstabilisering for mindre rystelser, hvis udseende forstørres, når de ses på en stor skærm, f.eks. Et fjernsyn eller computerskærm .
Navne efter forhandlere
Forskellige virksomheder har forskellige navne til OIS -teknologien, for eksempel:
- Vibrationsreduktion (VR) -Nikon (producerede det første optiske to-aksede stabiliserede objektiv, en 38–105 mm f /4–7.8 zoom indbygget i Nikon Zoom 700VR (USA: Zoom-Touch 105 VR) kamera i 1994)
- Image Stabilizer (IS) - Canon introducerede EF 75-300 mm f /4-5.6 IS USM) i 1995. I 2009 introducerede deres første linse (den EF 100mm F2.8 Macro L) for at bruge en fire-akse Hybrid IS .)
- Anti-Shake (AS) -Minolta og Konica Minolta (Minolta introducerede den første sensorbaserede to-aksede billedstabilisator med DiMAGE A1 i 2003)
- IBIS - In Body Image Stabilization - Olympus
- Optical SteadyShot (OSS) -Sony (til Cyber-shot og flere α E-mount-objektiver )
- Optisk billedstabilisering (OIS) - Fujifilm
- MegaOIS, PowerOIS - Panasonic og Leica
- SteadyShot (SS), Super SteadyShot (SSS), SteadyShot INSIDE (SSI) -Sony (baseret på Konica Minoltas Anti-Shake oprindeligt introducerede Sony en 2-akset full-frame variant til DSLR-A900 i 2008 og en 5-akset stabilisator til full-frame ILCE-7M2 i 2014)
- Optisk stabilisering (OS) - Sigma
- Vibrationskompensation (VC) - Tamron
- Shake Reduction (SR) - Pentax
- PureView - Nokia (producerede den første mobiltelefon optisk stabiliserede sensor, indbygget i Lumia 920 )
- UltraPixel - HTC (billedstabilisering er kun tilgængelig for HTC One 2013 og 2016 10 med UltraPixel. Den er ikke tilgængelig til HTC One (M8) eller HTC Butterfly S, som også har UltraPixel)
De fleste high-end smartphones fra slutningen af 2014 bruger optisk billedstabilisering til fotos og videoer.
Objektivbaseret
I Nikon og Canons implementering fungerer det ved at bruge et flydende linseelement, der flyttes ortogonalt til objektivets optiske akse ved hjælp af elektromagneter. Vibration detekteres ved hjælp af to piezoelektriske vinkelhastighedsfølere (ofte kaldet gyroskopiske sensorer), den ene til at detektere vandret bevægelse og den anden til at registrere lodret bevægelse. Som følge heraf korrigerer denne form for billedstabilisator kun rotationer for tonehøjde og gaffelakse og kan ikke korrigere for rotation omkring den optiske akse. Nogle objektiver har en sekundær tilstand, der modvirker lodret kamerarystelse. Denne tilstand er nyttig, når du bruger en panoreringsteknik . Nogle sådanne objektiver aktiverer det automatisk; andre bruger en kontakt på linsen.
For at kompensere for kamerarystelser ved optagelse af video mens du går, introducerede Panasonic Power Hybrid OIS+ med fem-akset korrektion: akserotation, vandret rotation, vertikal rotation og vandret og lodret bevægelse.
Nogle Nikon VR-aktiverede objektiver tilbyder en "aktiv" tilstand til optagelse fra et køretøj i bevægelse, f.eks. En bil eller båd, som formodes at korrigere ved større rystelser end den "normale" tilstand. Aktiv tilstand, der bruges til normal optagelse, kan dog give dårligere resultater end normal tilstand. Dette skyldes, at aktiv tilstand er optimeret til at reducere bevægelser med højere vinkelhastighed (typisk ved optagelse fra en stærkt bevægelig platform med hurtigere lukkerhastigheder), hvor normal tilstand forsøger at reducere lavere vinkelhastighedsbevægelser over en større amplitude og tidsramme (typisk krops- og håndbevægelser når du står på en stationær eller langsomt bevægelig platform, mens du bruger langsommere lukkerhastigheder).
De fleste producenter foreslår, at linsens IS -funktion slukkes, når objektivet monteres på et stativ, da det kan forårsage uregelmæssige resultater og generelt er unødvendig. Mange moderne billedstabiliseringslinser (især Canons nyere IS-objektiver) er i stand til automatisk at registrere, at de er monteret på stativ (som følge af ekstremt lave vibrationsaflæsninger) og deaktivere IS automatisk for at forhindre dette og enhver deraf følgende billedkvalitetsreduktion. Systemet trækker også batteristrøm, så deaktivering af det, når det ikke er nødvendigt, forlænger batteriets opladning.
En ulempe ved linsebaseret billedstabilisering er omkostninger. Hvert objektiv kræver sit eget billedstabiliseringssystem. Ikke alle objektiv er også tilgængelige i en billedstabiliseret version. Dette er ofte tilfældet for hurtige primtal og vidvinkelobjektiver. Den hurtigste linse med billedstabilisering er dog Nocticron med en hastighed på f / 1,2. Mens den mest oplagte fordel ved billedstabilisering ligger ved længere brændvidder, har selv normale og vidvinkelobjektiver fordel af det i applikationer med svagt lys.
Objektivbaseret stabilisering har også fordele i forhold til stabilisering i kroppen. I situationer med svagt lys eller lav kontrast er autofokussystemet (der ikke har stabiliserede sensorer) i stand til at arbejde mere præcist, når billedet, der kommer fra objektivet, allerede er stabiliseret. I kameraer med optiske søger afslører billedet, der ses af fotografen gennem det stabiliserede objektiv (i modsætning til stabilisering i kroppen) flere detaljer på grund af dets stabilitet, og det gør også korrekt indramning lettere. Dette er især tilfældet med længere teleobjektiver. Denne fordel forekommer ikke på kompakte systemkameraer , fordi sensorens output til skærmen eller elektronisk søger ville blive stabiliseret.
Sensor-skift
Sensoren, der fanger billedet, kan flyttes på en sådan måde, at den modvirker kameraets bevægelse, en teknologi der ofte omtales som mekanisk billedstabilisering. Når kameraet roterer og forårsager vinkelfejl, koder gyroskoper information til aktuatoren, der bevæger sensoren. Sensoren flyttes for at opretholde billedets projektion på billedplanet, som er en funktion af brændvidden af den linse, der bruges. Moderne kameraer kan automatisk erhverve brændviddeinformation fra moderne objektiver lavet til det kamera. Nogle objektiver kan eftermonteres med en chip, der kommunikerer brændvidden. Minolta og Konica Minolta brugte en teknik kaldet Anti-Shake (AS), der nu markedsføres som SteadyShot (SS) i Sony α- linjen og Shake Reduction (SR) i Pentax K-serie og Q-serie kameraer, som er afhængig af en meget præcis vinkel taktsensor til at registrere kamerabevægelse. Olympus introducerede billedstabilisering med deres E-510 D-SLR- krop, der anvender et system bygget op omkring deres Supersonic Wave Drive. Andre producenter bruger digitale signalprocessorer (DSP) til at analysere billedet i farten og derefter flytte sensoren korrekt. Sensorskift bruges også i nogle kameraer af Fujifilm, Samsung, Casio Exilim og Ricoh Caplio.
Fordelen ved at flytte billedsensoren i stedet for objektivet er, at billedet kan stabiliseres, selv på objektiver fremstillet uden stabilisering. Dette kan muliggøre, at stabiliseringen fungerer med mange ellers ustabiliserede linser og reducerer linsernes vægt og kompleksitet. Når sensorbaseret billedstabiliseringsteknologi forbedres, kræver det endvidere kun at udskifte kameraet for at drage fordel af forbedringerne, hvilket typisk er langt billigere end at udskifte alle eksisterende objektiver, hvis man er afhængig af linsebaseret billedstabilisering. Nogle sensorbaserede billedstabiliseringsimplementeringer er i stand til at korrigere kamerarullens rotation, en bevægelse, der let ophidses ved at trykke på udløserknappen. Intet objektivbaseret system kan løse denne potentielle kilde til billedsløring. Et biprodukt af tilgængelig "rulle" -kompensation er, at kameraet automatisk kan korrigere for skrå horisonter i det optiske domæne, forudsat at det er udstyret med et elektronisk vaterpas, f.eks. Pentax K-7/K-5 kameraer.
En af de primære ulemper ved at flytte selve billedsensoren er, at det billede, der projiceres til søgeren, ikke er stabiliseret. Dette er imidlertid ikke et problem på kameraer, der bruger en elektronisk søger (EVF), da billedet, der projiceres på denne søger, er taget fra selve billedsensoren. På samme måde stabiliseres billedet, der projiceres til et fasedetekteringsautofokussystem, der ikke er en del af billedsensoren.
Nogle, men ikke alle, kamerahus, der er i stand til at stabilisere kroppen, kan forudindstilles manuelt til en given brændvidde. Deres stabiliseringssystem korrigerer, som om objektivet med brændvidde er fastgjort, så kameraet kan stabilisere ældre objektiver og objektiver fra andre producenter. Dette er ikke levedygtigt med zoomobjektiver, fordi deres brændvidde er variabel. Nogle adaptere kommunikerer brændviddeinformation fra producenten af et objektiv til en anden maker. Nogle objektiver, der ikke rapporterer deres brændvidde, kan have en chip tilføjet til objektivet, som rapporterer en forprogrammeret brændvidde til kamerahuset. Nogle gange virker ingen af disse teknikker, og billedstabilisering kan simpelthen ikke bruges med sådanne objektiver.
Billedstabilisering i kroppen kræver, at linsen har en større outputbilledcirkel, fordi sensoren bevæges under eksponering og dermed bruger en større del af billedet. Sammenlignet med linsebevægelser i optiske billedstabiliseringssystemer er sensorbevægelserne ret store, så effektiviteten begrænses af det maksimale område af sensorbevægelser, hvor et typisk moderne optisk stabiliseret objektiv har større frihed. Både hastigheden og rækkevidden af den nødvendige sensorbevægelse øges med brændvidden på det objektiv, der bruges, hvilket gør sensorskiftteknologi mindre velegnet til meget lange teleobjektiver, især ved brug af lavere lukkerhastigheder, fordi sensorens tilgængelige bevægelsesområde hurtigt bliver utilstrækkelig til at klare den stigende billedforskydning.
Dobbelt
Begyndende med Panasonic Lumix DMC-GX8 , annonceret i juli 2015, og efterfølgende i Panasonic Lumix DC-GH5 , introducerede Panasonic, der tidligere kun udstyrede linsebaseret stabilisering i sit kamerasystem med udskifteligt objektiv (i standarden Micro Four Thirds ). sensor-shift-stabilisering, der fungerer sammen med det eksisterende linsebaserede system ("Dual IS").
I mellemtiden (2016) tilbød Olympus også to objektiver med billedstabilisering, der kan synkroniseres med det indbyggede billedstabiliseringssystem til billedsensorerne til Olympus ' Micro Four Thirds- kameraer ("Sync IS"). Med denne teknologi kan en forstærkning på 6,5 f -stop opnås uden slørede billeder. Dette er begrænset af den roterende bevægelse af Jordens overflade, der tåler kameraets accelerometre . Derfor afhængig af synsvinklen, den maksimale eksponeringstid bør ikke overstige 1 / 3 sekund for lang telebilleder (med en 35 mm ækvivalent brændvidde på 800 mm) og lidt mere end ti sekunder for vidvinkel billeder (med en 35 mm ækvivalent brændvidde på 24 millimeter), hvis jordens bevægelse ikke tages i betragtning ved billedstabiliseringsprocessen.
I 2015 tillod Sony E -kamerasystemet også at kombinere billedstabiliseringssystemer for objektiver og kamerahus, men uden at synkronisere de samme frihedsgrader . I dette tilfælde aktiveres kun de uafhængige kompensationsgrader for den indbyggede billedsensors stabilisering for at understøtte linsestabilisering.
Canon og Nikon har nu spejlfrie objekter i fuld ramme, der har IBIS og også understøtter hver virksomheds linsebaserede stabilisering. Canons to første sådanne kroppe, EOS R og RP , har ikke IBIS, men funktionen blev tilføjet til den nyere R5 og R6 . Alle Nikons fuld frame Z-mount organer-den Z 6 , Z 7 , og Mark II-versioner af både-have IBIS. Imidlertid mangler dens APS-C Z 50 IBIS.
Digital billedstabilisering
Realtid digital billedstabilisering , også kaldet elektronisk billedstabilisering (EIS), bruges i nogle videokameraer. Denne teknik skifter det elektroniske billede fra frame til frame af video, nok til at modvirke bevægelsen. Den bruger pixels uden for grænsen til den synlige ramme til at give en buffer til bevægelsen. Denne teknik reducerer distraherende vibrationer fra videoer ved at glatte overgangen fra et billede til et andet. Denne teknik påvirker ikke billedets støjniveau , undtagen i de ekstreme grænser, når billedet er ekstrapoleret. Det kan ikke gøre noget ved eksisterende bevægelsessløring, hvilket kan resultere i, at et billede tilsyneladende mister fokus, når bevægelse kompenseres.
Nogle stadig kameraproducenter markedsførte deres kameraer som digitale billedstabilisering, da de virkelig kun havde en højfølsom tilstand, der bruger en kort eksponeringstid-producerede billeder med mindre bevægelsessløring, men mere støj. Det reducerer sløring ved fotografering af noget, der bevæger sig, samt fra kamerarystelser.
Andre bruger nu også digital signalbehandling (DSP) til at reducere sløring i stillbilleder, f.eks. Ved at opdele eksponeringen i flere kortere eksponeringer hurtigt efter hinanden, kassere uskarpe, justere de skarpeste undereksponeringer og tilføje dem sammen, og ved hjælp af gyroskopet til at opdage det bedste tidspunkt at tage hvert billede.
Stabiliseringsfiltre
Mange video ikke-lineære redigering systemer anvender stabilisering filtre , der kan korrigere en ikke-stabiliseret billede ved at spore bevægelsen af pixel i billedet og korrigere billedet ved at flytte rammen. Processen ligner digital billedstabilisering, men da der ikke er noget større billede at arbejde med filteret, skærer billedet enten ned for at skjule rammens bevægelse eller forsøger at genskabe det tabte billede ved kanten gennem rumlig eller tidsmæssig ekstrapolering .
Onlinetjenester, herunder YouTube , begynder også at levere ' videostabilisering som et efterbehandlingstrin, efter at indhold er uploadet. Dette har ulempen ved ikke at have adgang til gyroskopiske data i realtid, men fordelen ved mere computerkraft og evnen til at analysere billeder både før og efter en bestemt ramme.
Ortogonal overførsels -CCD
Anvendt i astronomi forskyder en ortogonal overførsels -CCD (OTCCD) faktisk billedet i selve CCD'en , mens billedet fanges, baseret på analyse af de klare stjerners tilsyneladende bevægelse. Dette er et sjældent eksempel på digital stabilisering af stillbilleder. Et eksempel på dette er i det kommende gigapixel-teleskop Pan-STARRS, der konstrueres på Hawaii.
Stabilisering af kamerahuset
En teknik, der ikke kræver nogen ekstra funktioner i nogen kamerahus -objektivkombination, består i at stabilisere hele kamerahuset eksternt frem for at bruge en intern metode. Dette opnås ved at fastgøre et gyroskop til kamerahuset, normalt ved hjælp af kameraets indbyggede stativbeslag. Dette lader den eksterne gyro (gimbal) stabilisere kameraet og bruges typisk til fotografering fra et køretøj i bevægelse, når et objektiv eller kamera, der tilbyder en anden form for billedstabilisering, ikke er tilgængeligt.
En almindelig måde at stabilisere kameraer i bevægelse efter ca. år 2015 er ved at bruge en kamerastabilisator som f.eks. et stabiliseret fjernbetjent kamerahoved. Kameraet og objektivet er monteret i en fjernstyret kameraholder, som derefter monteres på alt, hvad der bevæger sig, såsom skinnesystemer, kabler, biler eller helikoptere. Et eksempel på et fjernstabiliseret hoved, der bruges til at stabilisere bevægelige tv -kameraer, der sender live, er det Newton -stabiliserede hoved.
En anden teknik til stabilisering af et video- eller filmkamerahus er Steadicam -systemet, der isolerer kameraet fra operatørens krop ved hjælp af en sele og en kamerabom med en modvægt.
Kamerastabilisator
En kamerastabilisator er enhver enhed eller genstand, der eksternt stabiliserer kameraet. Dette kan referere til en Steadicam , et stativ , kameraoperatørens hånd eller en kombination af disse.
Ved nærbilleder bliver det utilstrækkeligt at bruge rotationssensorer til at kompensere for ændringer i pegeretningen. Bevægelse, frem for at vippe, kameraet op/ned eller til venstre/højre med en brøkdel af en millimeter bliver mærkbar, hvis du forsøger at løse detaljer i millimeterstørrelse på objektet. Lineære accelerometre i kameraet, kombineret med oplysninger såsom objektivets brændvidde og fokuseret afstand, kan indføre en sekundær korrektion i drevet, der bevæger sensoren eller optikken, for at kompensere for lineær såvel som rotationsrystelse.
I biologiske øjne
Hos mange dyr, herunder mennesker, fungerer det indre øre som den biologiske analog af et accelerometer i kamerabilledstabiliseringssystemer, for at stabilisere billedet ved at bevæge øjnene . Når det påvises en rotation af hovedet, sendes et hæmmende signal til de ekstraokulære muskler på den ene side og et excitatorisk signal til musklerne på den anden side. Resultatet er en kompenserende bevægelse af øjnene. Normalt forsinker øjenbevægelser hovedbevægelserne med mindre end 10 ms.