Два метода оптической стабилизации изображения. Что такое оптическая стабилизация в смартфонах

Сотрясение камеры это один из существенных факторов, влияющих на качество видео материала.

До появления систем оптической стабилизации в объективах Canon, существовал единственный спосод обойти это ограничение - использование штатива. Это правильный подход при сьемках в любых условиях, но использование штатива в ряде случаев не дает оперативности и мобильности.

Для того, чтобы обойти это ограничение Canon разработал уникальную, в своем роде, систему оптической стабилизации изображения.

Сразу надо сказать что система стабилизации именно оптическая и хотя и использует гироскопы, но крошечные и только в качестве сенсоров для детекции перемещения объектива, поэтому нет никаких килограммовых крутящихся металлических блинов и носимого танкового аккумулятора и электродвигателя для их вращения. Также хотелось бы отметить, что вопреки распространенному мнению это устройство не потребляет большое количество энергии батареек камеры. Хотя если заставлять его работать часами потребление энергии будет заметно.

Как работает стабилизатор изображения (IS).

Стабилизатор изображения сдвигает группу линз объектива в параллельной к пленке плоскости. Когда объектив перемещается из за сотрясения, световые лучи от объекта (его изображение) сдвигаются относительно оптической оси, вызывая появление смазанного изображения.

Сдвигая группу линз стабилизации в плоскости перпендикулярной плоскости пленки в необходимых пределах для компенсации перемещения объектива можно добиться эффекта, когда лучи достигающие плоскости пленки фактически остаются неподвижными. На картинке показано как механически происходит исправление хода лучей с случае, когда объектив "клюет".

Перемещения камеры улавливаются двумя гироскопическими сенсорами. Сенсоры определяют направление (угол) и скорость перемещения (дрожания) камеры с объективом, обычно возникающей при съемке с рук. Для предохранения гиросенсоров от ошибок, связанных с реакцией на перемещение зеркала камеры или срабатыванием затвора, сенсоры заключены в специальные защитные блоки

Группа линз блока стабилизации имеет прямой привод от сердечников (соленоид). Устройство мало, легко, потребляет более чем умеренное кол-во энергии, отличается малым временем отклика - быстрой реакцией на команды. Устройство позволяет эффективно компенсировать вибрации с частотой от 0.5 до 20гц. Позиция блока стабилизации определяется с помощью инфракрасный светодиодов -излучателей (IREDs -Infrared Emitting Diodes) на оправе блока и устройства определения положения (PSD-Position sensing Device), расположенных на плате электроники блока. Таким образом изначально устройство стабилизации имеет обратную связь для точного позиционирования. Устройство стабилизации имеет также блокиратор, который устанавливает группу линз стабилизации в центральную нейтральную позицию, в случае, когда устройство стабилизации изображения выключено.

Наверняка, каждый из нас слышал о том, что существует такое понятие, как стабилизация камеры. Как и почти мифические, но так популярные ныне режимы 4К, Protune, мало кто действительно понимает, что такое стабилизация, как она работает, и нужна ли стабилизация .

Давайте разберемся вместе.

Что такое стабилизация? Стабилизация изображения - это технология, применяемая в фото- и видеосъёмке, которая предотвращает смазывание изображения. Так называемая «шевеленка» на фото и видео - враг всех фотографов и операторов. Когда камера находится в руках, неизбежно смазывание кадра из-за неустойчивого положения рук, или любого движения оператора - ходьбы, бега, езды на велосипеде и т.д.

Стабилизированное изображение - это четкая картинка или плавное видео, без смазанных и размытых элементов.

Какая бывает стабилизация?

В современных камерах стабилизация бывает двух типов - цифровая и оптическая.

Цифровая стабилизация - программная технология, работающая с процессором камеры. Не предполагает использование в корпусе каких-либо дополнительных устройств. В действительности это работает так: снимается изображение большее по размеру, чем видимая часть фото, при смещении камеры видимая область изображения смещается вместе с камерой. До границ фактически снятого изображения. На матрице это выглядит так:

То, что видим мы без цифровой стабилизации:

То, что мы видим при включении стабилизации:

Таким образом, цифровая стабилизация обрезает видимое изображение по периметру примерно на 10%, и вы получаете стабилизированное изображение без эффекта смазанного кадра.

Оптическая стабилизация - технология, при которой линзы в объективе камеры смещаются в сторону, противоположную движению камеры. То есть, стабилизация достигается за счет того, что оптика камеры устраняет причину смазывания изображения.

Оптическая стабилизация показывает более высокие результаты, чем цифровая. Технология не влияет на качество фотографии и хорошо работает при любом увеличении (зуме). Но из-за нее неизбежно увеличение размера камеры, энергопотребления и ее стоимости.

Какая стабилизация применяется в камерах GoPro?

Карпухин И. В.

В статье исследуются способы стабилизации изображения. Рассмотрены основные технические характеристики, а также достоинства и недостатки разных способов.

Ключевые слова: стабилизация изображения, оптический стабилизатор, цифровой стабилизатор.

Введение

Современные требования, предъявляемые к оптическим приборам, сводятся в основном к сочетанию двух противоречащих друг другу характеристик: высокого углового разрешения и минимальной массы и габаритных размеров прибора. Эти требования сохраняются также для аппаратуры, работающей в условиях подвижного или недостаточно устойчивого основания. Для сохранения потенциальных возможностей оптических приборов в области разрешающей способности чаще сего используют различные дополнительные механические устройства, снижающие влияние движения основания на качество изображения. Такие устройства называют системами стабилизации изображения.

1 Способы стабилизации изображения

Существует два основных способа стабилизации изображения: оптический и цифровой (электронный). Электронная стабилизация изображения использует комплексный программный алгоритм улучшения качества изображения. Оптическая же является аппаратным решением.

1.1 Оптическая стабилизация изображения

Оптический стабилизатор состоит из двух элементов: детектора движения – системы гироскопов, которые фиксируют перемещение прибора в пространстве, и компенсирующей линзы. Принцип действия таков: компенсирующая линза в объективе смещается в противоположном направлении от зарегистрированного датчиком смещения. В результате лучи света на всех кадрах попадают в одну и ту же область на светочувствительной матрице. Снятие показаний с детектора происходит чаще, чем считывание данных с матрицы, и линза успевает скорректировать свое положение еще до снятия изображения с матрицы. Благодаря этому не возникает ни сдвигов изображения между кадрами, ни размытости в рамках одного кадра.

Одним из минусов оптического стабилизатора является использование при его производстве дорогостоящих и сложных механических элементов. Кроме того, наличие оптической группы из нескольких элементов может сказаться на светосиле объектива, то есть на способности обеспечивать тот или иной уровень освещенности изображения при данной яркости объекта.

В общем случае оптические стабилизаторы делятся на два вида: первые перемещают весь прибор на подвижном основании, вторые перемещают оптические элементы внутри прибора. В последних для стабилизации оптического изображения обычно применяются следующие элементы.

Зеркала. Для изменения направления визирного луча может быть использовано плоскопараллельное зеркало с внутренним или наружным отражающим покрытием. Чтобы повернуть линию визирования на заданный угол, зеркало поворачивают на половинный угол.

Клинья. Для малого отклонения визирного луча при значительном механическом перемещении применяются преломляющие оптические клинья. Два одинаковых клина, поворачивающихся в разные стороны на одинаковые угла, образуют клин с переменным углом отклонения луча.

Куб-призма. Состоит из двух прямоугольных призм, склеенных гипотенузными гранями, на которых имеются отражающие покрытия. Куб-призма дает возможность изменения направления визирного луча больше, чем на 180˚.

Призма Дове , или призма прямого зрения. Эта призма оборачивает оптическое изображение сверху вниз. Призмой Дове пользуются для того, чтобы вращать изображение вокруг оси визирования.

Призма Пехана. Поскольку призма Дове имеет значительную длину, то в компактных устройствах для вращения изображения используют призму Пехана, представляющую собой склейку призмы Шмидта и полупентапризмы. Призма Пехана может работать и в сходящихся пучках, но потери света здесь больше, поэтому применяется она реже.

Жидкостный клин . Кювета с эластичными стенками, прозрачными окнами, заполненная прозрачной легкотекучей жидкостью, используется в системах стабилизации оптического изображения как регулируемый оптический клин. В зависимости от наклона стеклянного окна визирный луч, проходящий через кювету, отклоняется в ту или иную сторону.

Количество оптических элементов, используемых для стабилизации оптического изображения, непрерывно увеличивается. Здесь приведены только основные, применение которых в оптическом приборостроении стало традиционным.

1.2 Цифровая стабилизация изображения

Действие цифрового стабилизатора основано на анализе смещения изображения на матрице. Изображение считывается только с части матрицы, таким образом по краям остается запас свободных пикселей. Эти пиксели и используются для компенсации смещения прибора. Т.е. при дрожании кадра картинка перемещается по матрице, а процессор фиксирует колебания и корректирует изображение, смещая его в противоположном направлении.

В цифровых стабилизаторах отсутствуют подвижные части (в частности, оптические группы из нескольких линз). Это положительно сказывается на надежности, так как меньше элементов подвержены поломке. Кроме того, использование цифровых стабилизаторов изображения позволяет увеличить чувствительность светопоглощающих элементов (матрицы). Также скорость реакции цифрового стабилизатора может быть выше, чем оптического.

У цифровых стабилизаторов есть ряд недостатков по сравнению с оптическими, в частности, при плохой освещенности получается изображение низкого качества. С увеличением фокусного расстояния объектива эффективность снижается: на длинных фокусах матрице приходится совершать слишком быстрые перемещения со слишком большой амплитудой, и она просто перестаёт успевать за «ускользающей» проекцией.

Таким образом, считается, что стабилизация сдвигом матрицы менее эффективна, нежели оптическая стабилизация.

2 Основные технические характеристики

Одним из основных параметров, характеризующих качество функционирования систем стабилизации оптического изображения, является динамическая точность, которая определяется ошибками стабилизации оптического изображения и ошибками слежения линии визирования за исследуемым объектом.

Задача определения точности стабилизации оптического изображения сводится к измерению угловых отклонений линии визирования при угловых и возвратно-поступательных переносных движениях основания, обусловленных качкой подвижного объекта. При этом необходимо учитывать ряд специфических особенностей функционирования системы в системах рассматриваемого класса. Это, прежде всего, малые величины ошибок стабилизации и слежения; необходимость измерения точности стабилизации оптического изображения непосредственно на оптическом элементе, который соединен с системой неединичной кинематической связью и совершает колебания в инерциальном пространстве, необходимость измерения ошибок стабилизации и слежения при различных положениях системы и оптического элемента.

Список используемых источников

Система стабилизации и наведения линии визирования с увеличенными углами обзора / В.А, Смирнов, В.С. Захариков, В.В. Савельев // Гироскопия и навигация, № 4. Санкт-Петербург, 2011. С.4-11.

Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д. Н. Еськов, Ю. П., Ларионов, В. А. Новиков [и др.]. Л.: Машиностроение,1988. 240 с.

Стабилизация оптических приборов / А.А. Бабаев -Л.: Машиностроение, 1975. 190 с.

При выборе оборудования для видеосъемки будет ошибкой думать, что достаточно купить навороченную камеру с высоким разрешением и картинка будет выглядеть хорошо. На самом деле, если посмотреть видео, снятое профессионалами, мы уже по плавности перемещения камеры увидим, что камера закреплена на чем-то, позволяющем избежать резких поворотов и тряски. То есть на деле не менее важную роль играют различные системы, фиксирующие камеру, либо позволяющие плавно двигать её. В случае съемки с рук наиболее современным вариантом такой системы являются электронные стабилизаторы (стедикамы), компенсирующие поворот камеры за счет встроенных электромоторов.

Рассмотрим подробнее, что же они делают.

У любого электронного стабилизатора камера и ручка, за которую его удерживают, соединены двумя рамками, расположенными перпендикулярно друг другу. Между рамками присутствуют три шарнира, приводимых электромоторами. Каждый из этих электромоторов удерживает камеру от поворота по одной из трех осей. Эти три оси обычно называют по терминологии авиации:

1. Крен - наклон камеры влево-вправо
2. Тангаж - наклон вперед-назад
3. Рысканье - поворот вокруг вертикальной оси

Также в конструкцию стабилизатора входят гироскопы, которые, собственно, определяют стремление камеры вращаться вокруг этих осей.

Из этого всего понятно, что даже в простейшем виде электронный стабилизатор представляет собой высокотехнологичное устройство, возможности которого раньше можно было реализовать только за очень большие деньги.

В зависимости от задач и бюджета, для видеосъемки могут использоваться разные камеры. Соответственно, поскольку камеры имеют разный вес, стабилизаторы отличаются по максимальной нагрузке. Поэтому мы решили не мешать все в кучу, а рассматривать данные устройства в порядке возрастания максимальной нагрузки.

Электронные стабилизаторы для экшн-камер

Экшн-камеры имеют компактные размеры, поэтому и стабилизаторы для них оказываются легкими. Они могут использоваться с удлинителями-моноподами, которые превращают их в продвинутую “селфи-палку”.

Наиболее популярны и распространены стабилизаторы китайской фирмы Feiyu . Их популярность возникает за счет небольшой цены, которая, в свою очередь, обусловлена функциональной простотой.

Первая из моделей, с которой все и начиналось - , предназначенная для GoPro HERO 3 и - послужила отправной точкой для последующих устройств. Для управления здесь используется всего лишь две кнопки - одна для включения, другая - для переключения режимов. Камера лишь крепится к стабилизатору, управлять камерой со стабилизатора невозможно. Характерная особенность Feiyu FY-G4 - его нельзя включать без нагрузки, то есть камеры.

Имел три режима, в зависимости от того, какие оси остаются зафиксированными с помощью стабилизатора, а какие нет. Позже вышла модель , крепление которой стало универсальным и подходило для камер других производителей.

Основным улучшением еще одной обновленной модели - стала возможность поворота камеры на 360 градусов по горизонтали, а также подключения GoPro к разъему на стабилизаторе для удобства работы, все это вкупе с новым, более удобным креплением самой камеры. На стабилизаторе, наконец, появился джойстик для управления поворотом.

Другой форм-фактор электронных стабилизаторов для экшн-камер представлен моделью . Уже название говорит о том, что он более компактен.

Имеет небольшой корпус без ручки, так как предназначен для установки на различные крепления для экшн-камер.То есть, вы можете поставить его на велосипед, шлем, любую подвижную платформу, а он будет стабилизировать закрепленную экшн-камеру. Впрочем, никто не мешает закрепить и его на монопод и использовать для селфи-видео, как FY-G4 .

Стабилизаторы для смартфонов

Профессионал вряд ли будет целенаправленно снимать на смартфон, а вот для любителя таковой может оказаться основным устройством видеозаписи, благо современные модели “умных телефонов” это позволяют.

Feiyu в этом сегменте выпускает модель FY-G4 Pro и FY-SPG Live .

Основной “фишкой” второго является возможность поворота в вертикальное положение съемки, подключение к смартфону по Bluetooth. При этом, на смартфон ставится специальная программа, с помощью которой можно калибровать стабилизатор.

Но лучшим стабилизатором для такого стиля съемки, пожалуй, является .

Основные преимущества этого устройства:

1. Стабилизатор подключается к смартфону по Bluetooth, и может управлять съемкой фото и видео с помощью выделенных кнопок.
2. Программное обеспечение поддерживает функцию определения лиц, благодаря чему Osmo Mobile может автоматически снимать какого-либо человека, следя за его перемещениями поворотом в его сторону.
3. Стабилизатор поддерживает функцию motion timelapse. Камера смартфона делает серию снимков со смещением на небольшой угол после каждого из них, а затем эти снимки объединяются в видеоролик.
4. Возможность апгрейда качества изображения с появлением новых моделей смартфонов.
5. Возможность использования стабилизатора с GoPro HERO с помощью креплений сторонних производителей.

Стабилизаторы для фотоаппаратов и видеокамер

От компактных стабилизаторов происходят самые простые модели - с одной ручкой. Здесь мы возвращаемся к моделям Feiyu. Дело в том, что они разработали аналогичную FY-G4 модель стабилизатора, только предназначенную для камер большего размера. Называются эта модель FY-MG .

Она поддерживают камеры с весом до 1 килограмма, что, конечно, является не только количественным, но и качественным скачком.

В случае использования подобного стабилизатора необходима не только настройка под вес камеры, но и регулировка под центр тяжести. Поэтому на FY-MG предусмотрена возможность регулировки баланса камеры по всем плоскостям.

У данного устройства существует две версии: FY-MG Lite и FY-MG V2 . Вторая отличается от первой пластиковым кейсом для переноски и, самое важное, наличием в комплекте держателя, позволяющего удерживать стабилизатор двумя руками. Таким образом, стабилизатор имеет несколько используемых конфигураций, представленных на фото ниже.

Устройства серии DJI Ronin , несмотря на такой же принцип работы, как у других производителей, имеют ряд качественных отличий, позволяющих рассматривать их как отдельный класс. Перечислим эти особенности:

Выводы

Выбор электронного стабилизатора определяется, в первую очередь тем, какую камеру вы хотите использовать и какой у вас бюджет. Это не тот случай, когда вам придется выбирать из множества аналогичных моделей, так как на нашем рынке количество производителей весьма ограничено. Так или иначе, любой электронный стабилизатор значительно улучшает продуктивность работы. В некоторых случаях, его может заменить классический механический стедикам, который, как ни странно, дает более натуральный эффект стабилизации, но это совсем другая история.

Для чего нужен стабилизатор изображения в фотоаппарате и что это такое? С применением новых технологий фотокамеры становятся все легче и при работе с ними очень большая вероятность получить нечеткое изображения из-за дрожания рук или других случайных факторов влияющих на устойчивое положение объектива, особенно при съемке отдаленных объектов при их увеличении. Вот для решения таких проблем и применяется такое устройство фотокамеры как стабилизатор изображения (в некоторых фирмах может применяться название: компенсатор колебаний).

Конечно, отлично со стабилизацией изображения справляется , но его применение из-за размеров не всегда оправдано, и штатив невозможно всегда носить с собой. Но если есть возможность, то отказываться от штатива для фотоаппарата не стоит.

Еще один простой способ стабилизации это уменьшить выдержку до величины меньшей обратному от фокусного расстояния (например, при фокусном расстоянии 108 мм выдержка должна быть меньше чем 1/125) и увеличить чувствительность, но при этом может появиться зернистость на изображении. Да и уменьшать выдержку не всегда позволяет малая освещенность.

Стабилизатор изображения может быть оптический или цифровой.

Оптическая система

При оптической стабилизации идет работа с блоком линз , то есть они сдвигаются на необходимое расстояние в сторону противоположную движению самой фотокамеры.

Такие устройства по цене больше других. Но преимуществом оптической системы может служить то, что стабилизированное изображение, которое попадает на матрицу, передается и в видоискатель и в систему автофокуса.

Так же еще есть система на основе перемещения матрицы. Эта система позволяет использовать почти любые объективы (уже не обязательна система оптической стабилизации в объективе), что важно для фотоаппаратов со сменными объективами, ведь объективы не дешевы. Но при такой стабилизации в видоискатель и в систему авто фокуса будет попадать нестабилизированное изображение и при большом фокусном расстоянии такая система теряет свою эффективность, потому что на больших расстояниях от объекта матрице приходиться слишком быстро двигаться и она перестает успевать за движением изображения.

Оптический стабилизатор не влияет на качество фотографии и хорошо работает при любом увеличении. Но из-за него может увеличиться размер фотокамеры и увеличиться его энергопотребление.

Цифровая система

При цифровой стабилизации (EIS Electronic (Digital) Image Stabilizer) идет вычисление сдвига процессором с помощью программ записанных в фотоаппарат, при этом теряется часть информации по краям матрицы.

То есть снимается изображение больше по размеру, чем мы видим на фотографии и при смещении фотокамеры видимая область изображения имеет возможность смещаться на матрице в противоположную сторону, но в пределах фактически снятого изображения.

В дешевых фотоаппаратах при включении цифровой стабилизации часть элементов матрицы переходит в резерв для работы стабилизатора, что может уменьшить четкость фотографии. В дорогих моделях при стабилизации используются те элементы матрицы, которые не принимают участия в формировании изображения в обычном режиме, и поэтому четкость не будет уменьшаться.

Анализ сдвига идет на основе алгоритмов видеоанализа, которые могут распознать сдвиг изображения и компенсировать его. Для того, что бы не было дергания картинки при съемке в стабилизатор должны быть встроены функции, позволяющие отличить движущийся объект от движения камеры, то есть подвижные объекты не должны влиять на стабилизацию изображения.

Недостатком цифрового стабилизатора изображения является его плохая работа совместно с цифровым увеличением, проявляющаяся в появлении помех на изображении.

Дополнительно о стабилизации изображения

Для работы стабилизаторов в фотоаппарат встроены сенсоры, которые регистрируют смещение фотокамеры и его скорость и выдают сигналы или приводам для смещения элемента стабилизации или процессору для дальнейшей обработки в случае цифровой стабилизации.

Система стабилизации изображения позволяет подавить вибрации амплитудой 0,6-0,8 мм.

Применение систем стабилизации изображения позволяет увеличивать значение выдержки на 3-4 ступени, что позволит снимать при плохом освещении и при больших расстояниях до объекта.

Впервые оптический стабилизатор изображения был применен фирмой Canon в 1994 году. И получил он название: Image Stabilization (IS).

Другие фирмы тоже начали использовать такое новшество и по-своему называли его:

• Nikon - Vibration Reduction (VR),
• Panasonic - MEGA O.I.S.(Optical Image Stabilizer),
• Sony - Optical Steady Shot.

Стабилизацию на основе подвижной матрицы впервые применила фирма Konica Minolta в 2003 году, тогда она называлась Anti-Shake (антитряска).

Другие фирмы тоже выпускали такие системы и так называли ее:

• Sony - Super Steady Shot (SSS) - переработанная система Anti-Shake,
• Pentax - Shake Reduction (SR) - разработка Pentax,
• Olympus - Image Stabilizer (IS) - применяется в некоторых моделях зеркальных фотокамер и «ультразумах» Olympus.

Оптический стабилизатор изображения показывает лучшие результаты, чем цифровой . И при наличии средств и не строгом требовании к размерам аппарата выбирайте фотокамеру с оптической стабилизацией изображения.