Bildstabilisering
Bildstabilisering ( IS ) är en familj av tekniker som minskar suddighet i samband med rörelser hos en kamera eller annan bildenhet under exponering .
Generellt kompenserar den för panorering och tilt (vinkelrörelse, motsvarande gir och stigning ) hos bildåtergivningsenheten, även om elektronisk bildstabilisering också kan kompensera för rotation. Den används främst i avancerade bildstabiliserade kikare , stillbilds- och videokameror , astronomiska teleskop och även smartphones . Med stillbildskameror är kameraskakning ett särskilt problem vid långa slutartider eller med objektiv med lång brännvidd ( telefoto eller zoom ) . Med videokameror orsakar kameraskakningar synliga bild-till-bild- flimmer i den inspelade videon. Inom astronomi läggs problemet med linsskakning till variationen i atmosfären , vilket förändrar objektens uppenbara positioner över tiden.
Applikation inom stillbildsfotografering
Inom fotografering kan bildstabilisering underlätta slutartider 2 till 5,5 steg längre (exponeringar 4 till 22 + 1 ⁄ 2 gånger längre), och ännu långsammare effektiva hastigheter har rapporterats.
En tumregel för att bestämma den lägsta möjliga slutarhastigheten för handhållning utan märkbar oskärpa på grund av kameraskakning är att ta den reciproka av objektivets 35 mm ekvivalenta brännvidd, även känd som "1/mm-regeln". Till exempel, vid en brännvidd på 125 mm på en 35 mm-kamera kan vibrationer eller kameraskakning påverka skärpan om slutartiden är längre än 1 ⁄ 125 sekund. Som ett resultat av de 2 till 4,5 steg långa slutartiderna som tillåts av IS, kan en bild tagen med 1 ⁄ 125 sekunders hastighet med ett vanligt objektiv tas med 1 ⁄ 15 eller 1 ⁄ 8 sekund med ett IS-utrustat objektiv och producerar nästan samma kvalitet. Skärpan som kan erhållas vid en given hastighet kan öka dramatiskt. När man beräknar den effektiva brännvidden är det viktigt att ta hänsyn till vilket bildformat 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 så stor som den digitala sensorn. De sistnämnda värdena hänvisas till som beskärningsfaktor , beskärningsfaktor för synfält, multiplikator för brännvidd eller formatfaktor. På en kamera med 2× crop factor, till exempel, ger ett 50 mm objektiv samma synfält som ett 100 mm objektiv som används på en 35 mm filmkamera, och kan vanligtvis hållas i handen på 1 ⁄ 100 sekund .
Bildstabilisering förhindrar dock inte rörelseoskärpa som orsakas av motivets rörelse eller extrema rörelser av kameran. Bildstabilisering är endast utformad för och kan reducera oskärpa som orsakas av normala, minutskakningar av ett objektiv på grund av handhållen fotografering. Vissa objektiv och kamerahus har ett sekundärt panoreringsläge eller ett mer aggressivt "aktivt läge", båda beskrivs mer detaljerat nedan under optisk bildstabilisering .
Astrofotografi använder mycket långexponeringsfotografering , vilket kräver att kameran fixeras på plats. Det räcker dock inte 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 sensorskiftningsförmåga för att minska de resulterande stjärnspåren .
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 stillbilds- eller videokameror som stabiliserar den inspelade bilden genom att variera den optiska vägen till sensorn. Denna teknik är implementerad i själva linsen, till skillnad från in-body image stabilization ( IBIS ), som fungerar genom att sensorn flyttas som det sista elementet i den optiska banan. 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 rörelseaxlar : X, Y, Roll, Yaw och Pitch. IBIS har den extra fördelen att arbeta med alla linser.
Fördelar med OIS
Optisk bildstabilisering förlänger den slutartid som är möjlig för handhållen fotografering genom att minska sannolikheten för att bilden blir suddig på grund av skakning under samma exponeringstid.
För handhållen videoinspelning , oavsett ljusförhållanden, kompenserar optisk bildstabilisering för mindre skakningar vars utseende förstoras när de visas på en stor skärm som en tv-apparat eller datorskärm .
Namn på leverantörer
Olika företag har olika namn för OIS-tekniken, till exempel:
- Vibrationsreducering (VR) – Nikon (tillverkade det första optiska tvåaxliga stabiliserade objektivet, en 38–105 mm f /4–7,8 zoom inbyggd i kameran Nikon Zoom 700VR (USA: Zoom-Touch 105 VR) 1994)
- Bildstabilisator (IS) – Canon introducerade EF 75–300 mm f /4–5,6 IS USM) 1995. 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 och Fujifilm
- Optical SteadyShot (OSS) – Sony (för Cyber-shot och flera α E-fattningsobjektiv )
- 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 fullformatsvariant för DSLR-A900 2008 och en 5-axlig stabilisator för fullformats ILCE-7M2 2014)
- Optisk stabilisering (OS) – Sigma
- Vibrationskompensation (VC) – Tamron
- Shake Reduction (SR) – Pentax
- PureView – Nokia (tillverkade den första optiska stabiliserade mobilsensorn, inbyggd i Lumia 920 )
- UltraPixel – HTC (Bildstabilisering är endast tillgänglig för 2013 HTC One & 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 i slutet av 2014 använder optisk bildstabilisering för foton och videor.
Linsbaserad
I Nikon och Canons implementering fungerar det genom att använda ett flytande linselement som flyttas ortogonalt mot objektivets optiska axel med hjälp av elektromagneter. Vibration detekteras med hjälp av två piezoelektriska vinkelhastighetssensorer (ofta kallade gyroskopiska sensorer), en för att detektera horisontell rörelse och den andra för att detektera vertikal rörelse. Som ett resultat korrigerar den här typen av bildstabilisator endast för rotationer av stigning och giraxel, och kan inte korrigera för rotation runt den optiska axeln. Vissa objektiv har ett sekundärt läge som motverkar enbart vertikal kameraskakning. Detta läge är användbart när du använder en panoreringsteknik . Vissa sådana linser aktiverar den automatiskt; andra använder en strömbrytare på objektivet.
För att kompensera för kameraskakningar vid videoinspelning när man går, introducerade Panasonic Power Hybrid OIS+ med femaxlig korrigering: axelrotation, horisontell rotation, vertikal rotation och horisontell och vertikal rörelse.
Vissa Nikon VR-aktiverade objektiv 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 det "normala" läget. Aktivt läge som används för normal fotografering kan dock ge sämre resultat än normalt läge. Detta beror på att aktivt läge är optimerat för att minska rörelser med högre vinkelhastighet (vanligtvis när man fotograferar från en kraftigt rörlig plattform med snabbare slutartider), där normalläget 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 medan du använder längre slutartider).
De flesta tillverkare föreslår att IS-funktionen hos ett objektiv stängs av när objektivet är monterat på ett stativ eftersom det kan orsaka oregelbundna resultat och i allmänhet är onödigt. Många moderna bildstabiliseringsobjektiv (särskilt Canons nyare IS-objektiv) kan automatiskt upptäcka att de är stativmonterade (som ett resultat av extremt låga vibrationsavläsningar) och inaktiverar IS automatiskt för att förhindra detta och eventuell minskning av bildkvaliteten. Systemet drar också batterikraft, så att avaktivera det när det inte behövs förlänger batteriladdningen.
En nackdel med linsbaserad bildstabilisering är kostnaden. Varje objektiv kräver sitt eget bildstabiliseringssystem. Dessutom finns inte alla objektiv tillgängliga i en bildstabiliserad version. Detta är ofta fallet för snabba primer och vidvinkelobjektiv. Det snabbaste objektivet med bildstabilisering är dock Nocticron med en hastighet på f /1,2. Även om den mest uppenbara fördelen med bildstabilisering ligger i längre brännvidder, drar även normala och vidvinkelobjektiv nytta av det i applikationer med svagt ljus.
Linsbaserad stabilisering har också fördelar jämfört med kroppsstabilisering. I situationer med svagt ljus eller låg kontrast kan autofokussystemet (som inte har några stabiliserade sensorer) arbeta mer exakt när bilden som kommer från objektivet redan är stabiliserad. [ citat behövs ] I kameror med optiska sökare avslöjar bilden som fotografen ser genom den stabiliserade linsen (i motsats till in-body stabilisering) fler detaljer på grund av dess stabilitet, och det gör också korrekt inramning lättare. Detta är särskilt fallet med längre teleobjektiv. Denna fördel uppstår inte på kompakta systemkameror , eftersom sensorutgången till skärmen eller den elektroniska sökaren skulle stabiliseras.
Sensor-växling
Sensorn som fångar bilden kan flyttas på ett sådant sätt att den motverkar kamerans rörelse, en teknik som ofta kallas för mekanisk bildstabilisering. När kameran roterar, vilket orsakar vinkelfel, kodar gyroskop information till ställdonet som flyttar sensorn. Sensorn flyttas för att bibehålla projiceringen av bilden på bildplanet, vilket är en funktion av brännvidden på objektivet som används. Moderna kameror kan automatiskt hämta brännviddsinformation från moderna objektiv gjorda för den kameran. Minolta och Konica Minolta använde en teknik som heter Anti-Shake (AS) som nu marknadsförs som SteadyShot (SS) i Sony α- linjen och Shake Reduction (SR) i Pentax K-serien och Q-seriens kameror, 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 att stabiliseringen fungerar med många annars ostabiliserade linser och minskar linsernas vikt och komplexitet. Vidare, när sensorbaserad bildstabiliseringsteknik förbättras, kräver det att endast kameran byts ut för att dra fördel av förbättringarna, vilket vanligtvis är mycket billigare än att ersätta alla befintliga objektiv om man förlitar sig på linsbaserad bildstabilisering. Vissa sensorbaserade bildstabiliseringsimplementeringar kan korrigera kamerarullens rotation , en rörelse som lätt exciteras genom att trycka på avtryckaren. Inget linsbaserat system kan hantera denna potentiella källa till oskärpa. En biprodukt av tillgänglig "rullnings"-kompensation är att kameran automatiskt kan korrigera för lutande horisonter i den optiska domänen, förutsatt att den är utrustad med ett elektroniskt vattenpass, såsom Pentax K-7/K-5 kameror.
En av de främsta nackdelarna med att flytta själva bildsensorn är att bilden som projiceras till sökaren inte stabiliseras. Detta är dock inte ett problem på kameror som använder en elektronisk sökare (EVF), eftersom bilden som projiceras på den sökaren är tagen från själva bildsensorn. På liknande sätt stabiliseras inte bilden som projiceras till ett fasdetekterande autofokussystem som inte är en del av bildsensorn, om den används.
Vissa, men inte alla, kamerakroppar som kan stabiliseras i kroppen kan förinställas manuellt till en given brännvidd. Deras stabiliseringssystem korrigerar som om det brännviddsobjektivet är fäst, så att kameran kan stabilisera äldre objektiv och objektiv från andra tillverkare. Detta är inte lönsamt med zoomobjektiv, eftersom deras brännvidd är variabel. Vissa adaptrar kommunicerar brännviddsinformation från tillverkaren av en lins till kroppen hos en annan tillverkare. Vissa objektiv som inte rapporterar sin brännvidd kan eftermonteras med ett chip som rapporterar en förprogrammerad brännvidd till kamerahuset. Ibland fungerar ingen av dessa tekniker, och bildstabilisering kan inte användas med sådana objektiv.
In-body bildstabilisering kräver att objektivet har en större utgående bildcirkel eftersom sensorn flyttas under exponeringen och därmed använder en större del av bilden. Jämfört med linsrörelser i optiska bildstabiliseringssystem är sensorrörelserna ganska stora, så effektiviteten begränsas av det maximala området för sensorrörelser, där en typisk modern optiskt stabiliserad lins har större frihet. Både hastigheten och omfånget för den erforderliga sensorrörelsen ökar med brännvidden på objektivet som används, vilket gör sensor-shift-tekniken mindre lämpad för mycket långa teleobjektiv, särskilt när man använder längre slutartider, eftersom sensorns tillgängliga rörelseomfång snabbt blir otillräcklig för att klara av 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 kamerasystem med utbytbara linser (av Micro Four Thirds- standarden), sensor-shift-stabilisering som fungerar tillsammans med det befintliga linsbaserade systemet ("Dual IS").
Under tiden (2016) erbjöd Olympus även två objektiv med bildstabilisering som kan synkroniseras med det inbyggda bildstabiliseringssystemet i bildsensorerna i Olympus Micro Four Thirds- kameror ("Sync IS"). Med denna teknik kan en vinst på 6,5 f -stopp uppnås utan suddiga bilder. Detta begränsas av rotationsrörelsen på jordens yta, som lurar kamerans accelerometrar . Därför, beroende på synvinkel, bör den maximala exponeringstiden inte överstiga 1 ⁄ 3 sekund för långa telefotobilder (med en 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.
2015 tillät Sony E- kamerasystemet också att kombinera bildstabiliseringssystem för objektiv och kamerahus, men utan att synkronisera samma frihetsgrader . I det här fallet aktiveras endast de oberoende kompensationsgraderna för den inbyggda bildsensorstabiliseringen för att stödja linsstabilisering.
Canon och Nikon har nu fullformats spegellösa kroppar som har IBIS och som även stödjer respektive företags linsbaserade stabilisering. Canons två första sådana karosser, EOS R och RP , har inte IBIS, men funktionen lades till för de nyare R5 och R6 . Alla Nikons Z- monteringshus i fullformat – Z 6 , Z 7 och Mark II-versionerna av båda – har IBIS. Däremot saknar dess APS-C Z 50 IBIS.
Digital bildstabilisering
Digital bildstabilisering i realtid , även kallad elektronisk bildstabilisering (EIS), används i vissa videokameror. Denna teknik flyttar den elektroniska bilden från bildruta till bildruta av video, tillräckligt för att motverka rörelsen. Den använder pixlar utanför gränsen för den synliga ramen för att tillhandahålla en buffert för rörelsen. Denna teknik minskar distraherande vibrationer från videor genom att jämna ut övergången från en bildruta till en annan. Denna teknik påverkar inte bildens brusnivå, förutom i de extrema gränserna när bilden extrapoleras . Den kan inte göra något åt befintlig rörelseoskärpa, vilket kan leda till att en bild tycks tappa fokus när rörelse kompenseras.
Vissa stillbildskameratillverkare marknadsförde sina kameror med digital bildstabilisering när de egentligen bara hade ett högkänsligt läge som använder en kort exponeringstid – vilket ger bilder med mindre rörelseoskärpa, men mer brus. Det minskar oskärpa när du fotograferar något som rör sig, samt 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 subexponeringarna och lägga ihop dem, och använda gyroskopet för att upptäcka den bästa tiden att ta varje bild.
Stabiliseringsfilter
Många icke-linjära videoredigeringssystem använder stabiliseringsfilter som kan korrigera en icke-stabiliserad bild genom att spåra pixlarnas rörelse 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 beskärs bilden antingen för att dölja bildens rörelse eller försöker återskapa den förlorade bilden i kanten genom rumslig eller tidsmässig extrapolering .
Onlinetjänster, inklusive YouTube , börjar också ge videostabilisering som ett efterbearbetningssteg efter att innehåll har laddats upp. Detta har nackdelen att inte ha tillgång till gyroskopisk realtidsdata, men fördelen av mer datorkraft och möjligheten att analysera bilder både före och efter en viss bildruta.
Ortogonal överföring CCD
Används inom astronomi, en ortogonal överförings-CCD (OTCCD) förskjuter faktiskt bilden i själva CCDn medan bilden tas, baserat på analys av den skenbara rörelsen hos ljusa stjärnor. Detta är ett sällsynt exempel på digital stabilisering för stillbilder. Ett exempel på detta är i det kommande gigapixelteleskopet Pan-STARRS som konstrueras på Hawaii.
Stabiliserar kamerahuset
En teknik som inte kräver några ytterligare funktioner hos en kombination av kamerahus och objektiv består av att stabilisera hela kamerahuset externt snarare än att använda en intern metod. Detta uppnås genom att fästa ett gyroskop på kamerahuset, vanligtvis med hjälp av kamerans inbyggda stativfäste. Detta låter det externa gyrot (kardan) stabilisera kameran och används vanligtvis vid fotografering från ett fordon i rörelse, när en lins eller kamera som erbjuder en annan typ av bildstabilisering inte är tillgänglig.
Ett vanligt sätt att stabilisera rörliga kameror efter ca. år 2015 är genom att använda en kamerastabilisator som ett stabiliserat fjärrkamerahuvud. Kameran och objektivet är monterade i en fjärrstyrd kamerahållare som sedan monteras på allt som rör sig, som rälssystem, 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 varje enhet eller föremål som externt stabiliserar kameran. Detta kan syfta på en Steadicam , ett stativ , kameraoperatörens hand eller en kombination av dessa.
Vid närbildsfotografering blir det otillräckligt att använda rotationssensorer för att kompensera för ändringar i pekriktningen. Att flytta, snarare än att luta, kameran upp/ned eller vänster/höger med en bråkdel av en millimeter blir märkbar om du försöker lösa detaljer i millimeterstorlek på objektet. Linjära accelerometrar i kameran, tillsammans med information som objektivets brännvidd och fokuserat avstånd, kan mata in en sekundär korrigering i enheten som flyttar sensorn eller optiken, för att kompensera för såväl linjär som rotationsskakning.
I biologiska ögon
Hos många djur, inklusive människor, fungerar innerörat som den biologiska analogen till en accelerometer i kamerabildstabiliseringssystem, för att stabilisera bilden genom att flytta 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 av ögonen. Vanligtvis släpar ögonrörelserna efter huvudrörelserna med mindre än 10 ms.