Стабилизация изображения

редактировать
Сравнение упрощенных систем стабилизации изображения:. 1. нестабильно. 2. линзовая оптическая стабилизация. 3. оптическая стабилизация со сдвигом датчика. 4. цифровая или электронная стабилизация

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 движение, эквивалентное рысканью и тангажу ) устройства формирования изображения, хотя электронная стабилизация изображения также может компенсировать для вращения. Используется в биноклях со стабилизированным изображением, неподвижных и видео камерах, астрономических телескопах, а также в смартфонах, в основном high-end. Для фотоаппаратов, дрожание камеры представляет особую проблему при медленных выдержках или при большом фокусном расстоянии (телефото или зум ). В видеокамерах дрожание камеры вызывает видимое покадровое дрожание в записанном видео. В астрономии проблема дрожания линз усугубляется изменением атмосферы, которое со временем меняет видимые положения объектов.

Содержание

  • 1 Применение в фотосъемке
  • 2 Методы
    • 2.1 Оптическая стабилизация изображения
      • 2.1.1 На основе объектива
      • 2.1.2 Сдвиг датчика
      • 2.1.3 Двойной
    • 2.2 Цифровая стабилизация изображения
    • 2.3 Стабилизационные фильтры
    • 2.4 ПЗС с ортогональным переносом
    • 2.5 Стабилизация корпуса камеры
    • 2.6 Стабилизатор камеры
  • 3 В биологических глазах
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки

Применение в фотосъемке

В фотографии стабилизация изображения может облегчить выдержку на 2–5,5 ступеней медленнее (выдержки в 4–22 ⁄ в 2 раза дольше), и сообщалось даже о более низких эффективных скоростях.

Эмпирическое правило для определения самой длинной выдержки, возможной для удержания в руке без заметного размытия из-за дрожания камеры, - это взять , обратное для Фокусное расстояние объектива, эквивалентное 35 мм,, также известное как «правило 1 / мм». Например, при фокусном расстоянии 125 мм на 35-мм камере вибрация или дрожание камеры могут повлиять на резкость, если выдержка затвора меньше ⁄ 125 секунды. В результате более длинных выдержек затвора на 2-4,5 ступени, разрешенных IS, изображение, сделанное со скоростью ⁄ 125 с обычным объективом, можно было получить с ⁄ 15 или ⁄ 8 секунды с объективом с IS и обеспечивают почти такое же качество. Резкость, достигаемая на заданной скорости, может резко возрасти. При расчете эффективного фокусного расстояния важно учитывать формат изображения, который использует камера. Например, во многих цифровых зеркальных камерах используется датчик изображения размером ⁄ 3, ⁄ 8 или ⁄ 2 пленки размером 35 мм. Рамка. Это означает, что размер рамки 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 форматирования. Например, на камере с кроп-фактором 2x объектив 50 мм дает такое же поле зрения, как объектив 100 мм, используемый в 35-мм пленочной камере, и, как правило, его можно держать в руках за ⁄ 100 секунды..

Однако стабилизация изображения не предотвращает размытость изображения, вызванную движением объекта или резкими движениями камеры. Стабилизация изображения предназначена только для уменьшения размытости, возникающей в результате обычного незначительного дрожания объектива при съемке с рук. Некоторые объективы и корпуса камер включают вторичный режим панорамирования или более агрессивный «активный режим», оба более подробно описанные ниже в разделе оптическая стабилизация изображения.

Функции стабилизации изображения также могут быть полезны. в астрофотографии, когда камера технически - но не эффективно - закреплена на месте. Pentax K-5 и K-r могут использовать возможность сдвига датчика для уменьшения звездных следов за разумное время экспозиции, если они оснащены дополнительным устройством O-GPS1 GPS для данных о местоположении. Фактически, стабилизация компенсирует движение Земли, а не движение камеры.

Существует два типа реализации - стабилизация на основе объектива или стабилизация на основе тела. Это относится к месту расположения системы стабилизации. У обоих есть свои преимущества и недостатки.

Методы

Оптическая стабилизация изображения

Сравнение фотографий крупным планом клавиатуры калькулятора с оптической стабилизацией изображения и без нее

An оптический стабилизатор изображения (OIS, ISили 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 стабилизации изображения в теле, которая работает, перемещая датчик как последний элемент 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. У IBIS есть дополнительное преимущество: работа со всеми объективами.

У разных компаний разные названия технологии OIS, например:

  • Vibration Reduction (VR) - Nikon ( произвел первый оптический двухосевой стабилизированный объектив, зум 38–105 мм f / 4–7,8, встроенный в камеру (США: Zoom-Touch 105 VR) в 1994 г.)
  • Стабилизатор изображения (IS) - Canon представила EF 75–300 мм f / 4–5.6 IS USM) в 1995 году. В 2009 году они представили свой первый объектив (EF 100mm F2.8 Macro L) с четырехосевым объективом Hybrid IS .)
  • Anti-Shake (AS) - Minolta и Konica Minolta (Minolta представила первый стабилизатор изображения на основе тео-оси с датчиком изображения DiMAGE A1 в 2003 г.)
  • IBIS - Стабилизация изображения тела - Olympus
  • Optical SteadyShot (OSS) - Sony (для Cyber -снимок и несколько α объективов с байонетом E )
  • Оптическая стабилизация изображения (OIS) - Fujifilm
  • MegaOIS, PowerOIS - Panasonic и Leica
  • SteadyShot (S S), Super SteadyShot (SSS), SteadyShot INSIDE (SSI) - Sony (изначально на основе Anti-Shake Konica Minolta, Sony представила 2-осевой полнокадровый вариант для DSLR-A900 в 2008 году и 5-осевой стабилизатор для полнокадрового ILCE-7M2 в 2014)
  • Оптическая стабилизация (ОС) - Sigma
  • Компенсация вибрации (VC) - Tamron
  • Снижение дрожания (SR) - Pentax
  • PureView - Nokia (произвел первый оптический стабилизированный датчик сотового телефона, встроенный в Lumia 920 )
  • UltraPixel - HTC (стабилизация изображения доступна только для HTC One 2013 и HTC 2016). 10 с UltraPixel. Она недоступна для HTC One (M8) или HTC Butterfly S, которые также имеют UltraPixel)

Большинство высокопроизводительных смартфонов на конец 2014 года используют оптическую стабилизацию изображения для фотографий и видео.

Объектив- на основе

В реализации Nikon и Canon он работает с помощью плавающего элемента объектива, который перемещается ортогонально к оптической оси объектива с помощью электромагнитов. Вибрация обнаруживается с помощью двух пьезоэлектрических датчиков угловой скорости (часто называемых гироскопическими датчиками), один для обнаружения горизонтального движения, а другой - для обнаружения вертикального движения. В результате такой стабилизатор изображения корректирует только вращение оси тангажа и рыскания и не может корректировать вращение вокруг оптической оси. Некоторые объективы имеют дополнительный режим, который предотвращает дрожание камеры только по вертикали. 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 пятиосевой коррекцией: вращение оси, горизонтальное вращение, вертикальное вращение, а также горизонтальное и вертикальное движение.

Некоторые Объективы Nikon с поддержкой VR предлагают «активный» режим для съемки с движущегося транспортного средства, такого как машина или лодка, который должен корректировать более сильные сотрясения, чем «нормальный» режим. Однако активный режим, используемый для обычной съемки, может давать худшие результаты, чем обычный режим. 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), когда в нормальном режиме предпринимаются попытки уменьшить движения с более низкой угловой скоростью в течение большей амплитуды и времени (обычно движение тела и руки при стоянии на неподвижной или медленно движущейся платформе при использовании более длинных выдержек).

Большинство производителей предлагают отключать функцию стабилизации изображения объектива, когда объектив установлен на штатив, поскольку это может привести к ошибочным результатам и обычно не требуется. Многие современные объективы для стабилизации изображения (в частности, новейшие объективы Canon IS) способны автоматически определять, что они установлены на штатив (в результате чрезвычайно низких показаний вибрации), и автоматически отключать IS, чтобы предотвратить это и любое последующее снижение качества изображения. Система также потребляет энергию батареи, поэтому ее отключение, когда она не нужна, продлевает заряд батареи.

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 бывает с светосильными фиксаторами и широкоугольными объективами. Однако самый светосильный объектив со стабилизацией изображения - это Nocticron со светосилой f / 1.2. В то время как наиболее очевидное преимущество стабилизации изображения заключается в увеличении фокусного расстояния, даже для обычных и широкоугольных объективов это может быть полезно при съемке в условиях слабого освещения.

Стабилизация на основе линз также имеет преимущества по сравнению со стабилизацией внутри тела. В условиях низкой освещенности или низкой контрастности система автофокусировки (у которой нет стабилизированных датчиков) может работать более точно, когда изображение, исходящее от объектива, уже стабилизировано. В камерах с оптическими видоискателями изображение, видимое фотографом через стабилизированный объектив (в отличие от внутренней стабилизации), раскрывает больше деталей из-за его стабильности, а также упрощает правильное кадрирование. Особенно это касается длинных телеобъективов. Это преимущество отсутствует на компактных системных камерах, поскольку вывод датчика на экран или электронный видоискатель будет стабилизирован.

Сдвиг датчика

Датчик, фиксирующий 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 на исполнительный механизм, который перемещает датчик. 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. Некоторые объективы можно дооснастить микросхемой, которая сообщает фокусное расстояние. Minolta и Konica Minolta использовали технику под названием Anti-Shake (AS), которая теперь продается как SteadyShot (SS) в Линия Sony α и система подавления дрожания (SR) в камерах Pentax K-series и Q series, в которых используется очень точный датчик угловой скорости для обнаружения движения камеры. Компания Olympus представила систему стабилизации изображения в своем корпусе E-510 D-SLR, используя систему, построенную на основе их сверхзвукового волнового привода. Другие производители используют цифровые сигнальные процессоры (DSP) для анализа изображения «на лету» и последующего перемещения датчика соответствующим образом. Сдвиг датчика также используется в некоторых камерах Fujifilm, Samsung, Casio Exilim и Ricoh Caplio.

Преимущество перемещения датчика изображения вместо объектива заключается в том, что изображение может быть стабилизируется даже на линзах без стабилизации. Это может позволить стабилизации работать со многими нестабилизированными линзами, а также уменьшить вес и сложность линз. Кроме того, когда улучшается технология стабилизации изображения на основе сенсора, требуется замена только камеры, чтобы воспользоваться преимуществами улучшений, что обычно намного дешевле, чем замена всех существующих линз, если полагаться на стабилизацию изображения на основе линз. Некоторые реализации стабилизации изображения на основе датчиков способны корректировать вращение камеры крен, движение, которое легко запускается нажатием кнопки спуска затвора. Никакая система на основе линз не может устранить этот потенциальный источник размытия изображения. Побочным продуктом доступной компенсации «крена» является то, что камера может автоматически корректировать наклонные горизонты в оптической области при условии, что она оборудована электронным спиртовым 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. Однако это не проблема для камер, в которых используется электронный видоискатель (EVF), поскольку изображение, проецируемое в этот видоискатель, снимается с самого датчика изображения. Точно так же изображение, проецируемое на систему автофокусировки с определением фазы, которая не является частью датчика изображения, если используется, не стабилизируется.

Некоторые, но не все, камеры, способные к внутренней стабилизации, могут быть предварительно настроены вручную на заданное фокусное расстояние. Их система стабилизации корректирует, как если бы этот объектив с фокусным расстоянием был прикреплен, поэтому камера может стабилизировать старые объективы и объективы других производителей. Это не работает с зум-объективами, потому что 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 иметь чип, добавленный к объективу, который сообщает предварительно запрограммированное фокусное расстояние корпусу камеры. Иногда ни один из этих методов не работает, и стабилизация изображения просто не может использоваться с такими объективами.

Внутренняя стабилизация изображения требует, чтобы объектив имел больший круг выходного изображения, потому что датчик перемещается во время экспонирования и, таким образом, использует большую часть изображения. По сравнению с движениями линз в системах оптической стабилизации изображения движения сенсора довольно велики, поэтому эффективность ограничена максимальным диапазоном движения сенсора, при котором типичный современный оптически стабилизированный объектив имеет большую свободу. Как скорость, так и диапазон необходимого движения сенсора увеличиваются с увеличением фокусного расстояния используемого объектива, что делает технологию сдвига сенсора менее подходящей для очень длинных телеобъективов, особенно при использовании более длинных выдержек, поскольку доступный диапазон движения сенсора быстро становится недостаточным, чтобы справиться с увеличивающимся смещением изображения.

Двойной

Музейный снимок от руки исторического универсального теодолита без вспышки, но с двойной стабилизацией изображения. Изображение было снято на Panasonic Lumix DMC-GX8 и Nocticron с фокусным расстоянием, почти в два раза превышающим нормальное фокусное расстояние камеры (42,5 мм) при f / 1,2 и с поляризационным фильтром для удаления отражений от прозрачного стекла витрины. Чувствительность ISO = 800, время экспозиции = ⁄ 8 с, значение экспозиции = 0,5.

Начиная с Panasonic Lumix DMC-GX8, анонсированный в июле 2015 года, а впоследствии в Panasonic Lumix DC-GH5, Panasonic, который ранее использовал стабилизацию на основе объектива только в своей системе камеры со сменным объективом ( Стандарт Micro Four Thirds ), представила стабилизацию со сдвигом датчика, которая работает совместно с существующей системой на основе линз («Dual IS»).

Тем временем (2016 г.) Olympus также предлагает два объектива со стабилизацией изображения, которые можно синхронизировать со встроенной системой стабилизации изображения датчиков изображения Micro Four Thirds Olympus. камеры («Синхронизация IS»). С помощью этой технологии можно добиться увеличения в 6,5 ступени диафрагмы без смазывания изображений. Это ограничено вращательным движением поверхности Земли, которое вводит в заблуждение акселерометры камеры. Поэтому, в зависимости от угла зрения, максимальное время экспозиции не должно превышать ⁄ 3 секунды для длинных телефото снимков (с эквивалентным 35-миллиметровым фокусным расстоянием 800 миллиметров) и чуть более десяти секунд для широкоугольные снимки (с 35-миллиметровым эквивалентным фокусным расстоянием 24 миллиметра), если движение Земли не принимается во внимание в процессе стабилизации изображения.

В 2015 году Sony E Система камеры также позволяла комбинировать системы стабилизации изображения объективов и корпусов камер, но без синхронизации тех же степеней свободы. В этом случае для поддержки стабилизации объектива активируются только степени независимой компенсации встроенной стабилизации датчика изображения.

Цифровая стабилизация изображения

Файл : Стабилизация видеоизображения.ogv Воспроизведение мультимедиа Короткое видео, показывающее стабилизацию изображения, выполненную исключительно программно на этапе постобработки

В некоторых видеокамерах используется цифровая стабилизация изображения в реальном времени, также называемая электронной стабилизацией изображения (EIS). Этот метод перемещает электронное изображение от кадра к кадру видео, что достаточно для противодействия движению. Он использует пиксели за пределами видимого кадра, чтобы обеспечить буфер для движения. Этот метод уменьшает отвлекающие вибрации от видео, сглаживая переход от одного кадра к другому. Этот метод не влияет на уровень noise изображения, за исключением крайних границ, когда изображение экстраполируется. Он ничего не может поделать с существующим размытием при движении, что может привести к тому, что изображение может потерять фокус, поскольку движение компенсируется.

Некоторые производители фотоаппаратов продавали свои фотоаппараты как имеющие цифровую стабилизацию изображения, хотя на самом деле у них был только режим высокой чувствительности, в котором используется короткое время экспозиции, что позволяет получать изображения с меньшим размытием движения, но с большим шумом. Он уменьшает размытость при фотографировании движущегося объекта, а также при дрожании камеры.

Другие теперь также используют цифровую обработку сигналов (DSP) для уменьшения размытости фотографий, например, путем разделения экспозиции на несколько более коротких экспозиций в быстрой последовательности, отбрасывания размытых, повторного выравнивания самых резких субэкспозиций и складывая их вместе, и используя гироскоп для определения наилучшего времени для съемки каждого кадра.

Стабилизационные фильтры

Многие видео используют стабилизационные фильтры, которые могут исправить не- стабилизированное изображение путем отслеживания движения пикселей в изображении и корректировки изображения путем перемещения рамки. Этот процесс аналогичен стабилизации цифрового изображения, но поскольку нет большего изображения для работы с фильтром, либо изображение обрезается вниз, чтобы скрыть движение кадра, либо пытается воссоздать потерянное изображение на краю с помощью пространственной или временной экстраполяции..

Онлайн-сервисы, в том числе YouTube, также начинают предоставлять стабилизацию видео в качестве этапа постобработки после загрузки контента. Это имеет недостаток, заключающийся в отсутствии доступа к гироскопическим данным в реальном времени, но преимущество в большей вычислительной мощности и способности анализировать изображения как до, так и после конкретного кадра.

CCD с ортогональной передачей

Используемый в астрономии, (OTCCD) фактически сдвигает изображение внутри самой CCD во время захвата изображения на основе анализа видимого движения ярких звезд. Это редкий пример цифровой стабилизации неподвижных изображений. Примером этого является будущий гигапиксельный телескоп Pan-STARRS, строящийся на Гавайях.

Стабилизация корпуса камеры

Головка камеры Newton, стабилизация камеры, движущейся по рельсовой системе, во время прямой телетрансляции

Метод, не требующий дополнительных возможностей какой-либо комбинации корпуса камеры и объектива, заключается в стабилизации всего корпуса камеры снаружи, а не в использовании внутреннего метода. Это достигается путем прикрепления гироскопа к корпусу камеры, обычно с помощью встроенного в камеру штатива. Это позволяет внешнему гироскопу (подвесу) стабилизировать камеру и обычно используется при съемке с движущегося транспортного средства, когда объектив или камера, предлагающие другой тип стабилизации изображения, недоступны.

Обычный способ стабилизации движения камеры через прибл. 2015 год - использование стабилизатора камеры , например, стабилизированной выносной головки 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 выносной стабилизированной головки, которая используется для стабилизации движущихся телекамер, ведущих прямую трансляцию, является стабилизированная головка Newton.

Еще одним методом стабилизации корпуса видео- или кинокамеры является Steadicam система, которая изолирует камеру от тела оператора с помощью ремня безопасности и штанги камеры с противовесом.

Стабилизатор камеры

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 детали миллиметрового размера на объекте. Линейные акселерометры в камере в сочетании с такой информацией, как фокусное расстояние объектива и расстояние фокусировки, могут подавать вторичную коррекцию в привод, который перемещает датчик или оптику, чтобы компенсировать линейное, а также вращательное дрожание.

В биологических глазах

У многих животных, включая людей, внутреннее ухо функционирует как биологический аналог акселерометра при стабилизации изображения камеры. системы, чтобы стабилизировать изображение, перемещая глаза. При обнаружении вращения головы тормозящий сигнал посылается в экстраокулярные мышцы с одной стороны, а возбуждающий сигнал - в мышцы с другой стороны. Результат - компенсаторное движение глаз. Обычно движения глаз отстают от движений головы менее чем на 10 мс.

См. Также

На Викискладе есть материалы, относящиеся к стабилизации изображения.

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-23 11:57:01
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте