Стабилизаторы изображения применяются во всех цифровых фотоаппаратах. Они необходимы, ведь камеры в руках у пользователей в момент снимка часто находятся в движимом положении: легкое дрожание рук или другие возможные факторы, влияющие на неустойчивое положение камеры. Без стабилизации снимки всегда бы получались смазанными, для решения этой проблемы и были придуманы стабилизаторы изображения. Некоторые компании называют их компенсаторами колебаний.
Самый простой и доступный для понимания стабилизатор изображения – это штатив , вот только его использование часто невозможно. Он большой и неудобный, носить его с собой всегда и везде немыслимо. Его часто используют профессиональные фотографы для получения снимков на большой выдержке.
Есть также и программные приемы стабилизации картинки: уменьшение выдержки и увеличение светочувствительности (iso), однако на таком кадре может появиться зернистость. Но это уже не самые лучшие приемы, учитывая тот факт, что уменьшать выдержку часто нельзя из-за плохой освещенности.
Есть 2 системы стабилизации: цифровая, оптическая. Начнем по порядку.
Оптическая система стабилизации изображения
По названию можно догадаться, что речь идет о работе блока линз (оптика). Принцип прост: блок линз сдвигается на нужное расстояние в противоположную сторону движения камеры.
Сама по себе эта система хороша, она стоит дороже и технически является более сложной. Однако она имеет преимущества: стабилизированная картинка, которая попадает в видоискатель, передается и на матрицу, и в систему автофокуса.
Есть еще система стабилизации, основанная на перемещении матрицы фотоаппарата. Т.е. принцип тот же, только вместо блока линз объектива будет сдвигаться матрица на определенное расстояние при смещении камеры. Система имеет достоинства и недостатки. Плюс в том, что камера с такой системой стабилизации предполагает использование более дешевых сменных объективов (без системы оптической стабилизации). Минус – изображение передается в видоискатель и в систему фокусировки нестабилизированным, хотя матрица его «видит» стабилизированным (что важно). Однако при больших фокусных расстояниях такая система становится почти бесполезной, т.к. матрице приходится очень быстро сдвигаться в стороны, и она не успевает это делать.
Важно: на качество картинки оптический стабилизатор не влияет и работает неплохо даже при увеличении. Впрочем, он требует достаточно больших затрат энергии и является технически сложным, поэтому размеры камеры увеличиваются.
Цифровая стабилизация в фотоаппарате
Цифровая стабилизация не предполагает использования в корпусе дополнительных устройств. В данном случае задействуется процессор фотоаппарата и предварительно записанные программы. Однако при этом часть информации (по краям матрицы) исчезает.
По сути, изображение изначально снимается большее по размеру (больше, чем мы видим на фотографии) и при смещении камеры видимая область картинки может смещаться на матрице в противоположную сторону, но не далее фактически снятого изображения.
Звучит это сложно, но на самом деле все гораздо проще. Просто объяснить это сложно. Главное, что нужно извлечь: цифровая стабилизация предполагает использование программы и ресурсов процессора. По сути, в камере уже есть алгоритмы – они распознают сдвиг картинки и компенсируют его. При этом алгоритмы умны, и они легко определяют сдвиг картинки и движение объектов в кадре. То есть подвижные элементы никак не влияют на стабилизацию изображения.
Недостаток такой системы есть – это плохая совместная работа с цифровым увеличением. Если использовать зум камеры, то на изображении появятся помехи. Преимущество, впрочем, тоже есть. Во-первых, это снижение стоимости камеры. Во-вторых, отсутствие дополнительных аппаратов внутри самой камеры, что позволяет сделать ее более компактной.
Кое-что еще о стабилизации
Работа стабилизатора невозможна без сенсоров. Эти сенсоры чувствительны и фиксируют малейшее смещение фотокамеры и даже скорость смещения. При фиксации смещения они отдают сигналы процессору или приводам для смещения элемента стабилизации.
Самый первый стабилизатор (оптический) был использован компанией Canon в 1994 году. Он назывался Image Stabilization (IS).
Другие компании немного позже тоже стали применять эту технологию, вот только называли ее по-другому:
- Optical Steady Shot (Sony);
- Vibration Reduction (Nikon);
- MEGA O.I.S (Panasonic).
Стабилизатор с подвижной матрицей был использован в 2003 году компанией Konica Minolta, называлась технология Anti-Shake.
Конкуренты подхватили технологию и тоже стали ее применять, назвав по-другому:
- Super Steady Shot (Sony);
- Image Stabilizer (Olympus);
- Shake Reduction (Pentax).
Оптический или цифровой стабилизатор – какой лучше?
Здесь не может быть двух разных вариантов. Определенно, лучше всегда оптический стабилизатор изображения. По тестам (каким именно мы не знаем, просто так говорим) он показывает лучшие результаты. И вообще, убедиться в этом легко самостоятельно. Вам просто потребуется 2 фотоаппарата с разными системами стабилизации. Сделайте снимки на каждый из них, но при этом немного тряся в руках сам фотоаппарат. Результат будет очевидным.
Фотоаппараты с оптической системой стабилизации стоят дороже, и разница в цене полностью оправдана. Если есть возможность выбора между камерой с цифровой или оптической стабилизацией, всегда лучше выбирать последний вариант.
Ваша оценка: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.
Камеры в смартфонах имеют постоянную тенденцию совершенствоваться. Сейчас модули смартфонов приобретают дополнительные функции, которые были доступны ранее только высокому классу камер. Оптическая стабилизация изображения (OIS) является хорошим примером - она делает изображение более четким и плавным. В этом материале мы узнаем более подробно что это за функция и как она работает, а вы поймете насколько она будет нужна в вашем следующем смартфоне.
Впервые функция оптической стабилизации изображения появилась с середины 90-х годов в коммерческих устройствах, таких как компактные фотокамеры и в зеркальных объективах. Благодаря ей пользователи получили возможность снимать более качественные фотографии без использования штатива. OIS работает путем перемещения оптических элементов, чтобы противодействовать дрожанию камеры и тем самым уменьшая размытие изображения.
Впоследствии, через двадцать лет, эта функция добралась и до флагманских смартфонов. Поскольку сенсоры в современных мобильных девайсах значительно меньше, чем в традиционных камерах, нужны определенные усилия, чтобы получить достаточное количество света в неблагоприятных условиях.
Во время работы камера определяет перемещение смартфона с помощью специальных датчиков (гироскопов и вычислителей), и направляет движение линзы, чтобы противодействовать внешним факторам. Линзы перемещаются из стороны в сторону или же вверх и вниз. Есть также и цифровая стабилизация, она использует программное обеспечение для того, чтобы снизить влияние движений.
И несмотря на свои особенности, IOS не может ничего поделать, если объект движется слишком быстро, чтобы его зафиксировать. Функция может улучшать изображение только в случае дрожания руки которой вы будете снимать. Из этого следуют однозначные преимущества оптической стабилизации изображения во время видеозаписи. Конечно же сгладить видео возможно в различных видеоредакторах, однако это займет достаточно много времени и вполне возможно, что необходимый результат так и не будет получено.
OIS требует увеличенный модуль камеры, поэтому на данный момент он встречается в больших смартфонах. Среди таких примеров за последнее время является Samsung Galaxy S7 и S7 Edge и LG G5. Интересно еще и то, что большие iPhone 6 Plus и Plus 6s имеют в своем арсенале OIS, в то время как на моделях обычного размера эта фишка отсутствует. Вероятно, что виной этому факту является небольшой размер обычных iPhone.
Производители камер указывают на своих продуктах равные эквивалентные скорости срабатывания затвора. Таким образом у покупателей камер есть возможность сравнивать в отличие от покупателей смартфонов. Производители последних кажется не хотят повторять подобный опыт и просто отмечают лишь наличие или же отсутствие OIS в своем устройстве.
С того момента как в телефонах появились первые фотокамеры, между производителями мобильных устройств началась гонка фото-возможностей. Сперва она выражалась только в наращивании количества пикселей, но со временем производители начали улучшать камеру и другими способами. Одним из последних нововведений стало появление в смартфонах оптической стабилизации изображения, которая раньше встречалась только фотоаппаратах. В данной статье мы расскажем о том, что такое оптическая стабилизация, как она работает и для чего она нужна в смартфоне.
Для того чтобы разобраться с тем, что такое оптическая стабилизация в смартфоне необходимо объяснить значение нескольких смежных терминов. Начнем со стабилизации изображения.
Стабилизация изображения – это технология, которая пришла в смартфоны из фотоаппаратов и видеокамер. Она заключается в использовании различных способов для компенсации естественных движений камеры в руках оператора. Это позволяет получить более четкие кадры без использования штатива. Кроме этого, наличие стабилизации изображения позволяет использовать более длинную выдержку, что в свою очередь позволяет получать более яркую картинку в условиях плохой освещенности, например, при съемке ночью. Стабилизация изображения может работать на основе оптической или цифровой стабилизации.
Устройство камеры и 4-осевой оптической стабилизации в смартфоне Xiaomi Mi 5.
Оптическая стабилизация работает механически, она изменяет положение матрицы или отдельных элементов объектива таким образом, чтобы компенсировать движение камеры. Впервые оптическая стабилизация появилась в 1994 году, когда компания Cannon представила свою технологию OIS или Optical Image Stabilizer. Данная технология работала на основе специального стабилизирующего элемента объектива, позиция которого изменялась по двум осям согласно командам, которые приходили от сенсоров.
- Vibration Reduction (VR) от Nikon;
- Optical Steady Shot (OSS) от Sony;
- Optical Stabilization (OS) от Sigma;
- Vibration Compensation (VC) от Tamron;
- Dual IS от Panasonic;
С приходом цифровых фотоаппаратов стало возможно стабилизировать изображение не только за счет работы отдельных элементов объектива, но и за счет движения матрицы. В результате начали появляться системы оптической стабилизации с подвижной матрицей. Первой такой системой стала Anti-Shake (AS) от Konica Minolta. Позже аналогичные системы стабилизации представили и другие производители фотоапаратов, например:
- Super Steady Shot (SSS) от Sony;
- Image Stabilizer (IS) от Olympus;
- Shake Reduction (SR) от Pentax;
Цифровая стабилизация или EIS (Electronic (Digital) Image Stabilizer) – это второй способ стабилизации изображения. Она не требует механического движения и может работать по разным принципам, например, сдвиг матрицы может симулироваться за счет резервных пикселей. Для этого под стабилизацию изображения отводится около половины всех пикселей на матрице. Эти пиксели обычно не участвуют в создании изображения, информация с них используется только тогда, когда нужно стабилизировать картинку. В этом случае цифровая стабилизация работает за счет того, что картинка плавает по поверхности матрицы и камера корректирует это движение с помощью резервных пикселей. Данная технология используется в основном в цифровых видеокамерах.
В смартфонах оптическая стабилизация впервые появилась в 2012 году. Первопроходцем стал смартфон Nokia Lumia 920, который впервые получил объектив с оптической стабилизацией изображения (OIS). С тех пор оптическая стабилизация начала регулярно появляться во флагманских смартфонах. Сейчас же оптическая стабилизация встречается даже в смартфонах среднего ценового диапазона, например, она есть в таких моделях как:
- Sony Xperia XA Ultra (14 тыс. руб.);
- Samsung Galaxy A5 (2016) SM-A510F (14 тыс. руб.);
- Sony Xperia XA2 Dual (16 тыс. руб.);
- Samsung Galaxy A7 (2016) SM-A710F (20 тыс. руб.);
- LG G6 32GB (24 тыс. руб.);
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.
