Почему у стабилизации изображения есть предел?

Question

Теперь, когда существует стандарт CIPA для измерения стабилизации изображения, все больше и больше производителей указывают эффективность их стабилизации на остановках или полуостопах. Вчера, например, Olympus выпустила модель M.Zuiko 12-100 мм F / 4 IS PRO, которая имеет встроенную стабилизацию изображения и в сочетании с 5-осевой стабилизацией в теле, присутствующей в высококачественном Olympus без зеркала, таком как OM-D E-M5 Mark II дает 6,5 ступеней стабилизации в соответствии со стандартом CIPA.

Это похоже на невероятную степень стабилизации. Понимание значения Стоп , которое может означать, что можно снимать на 12 мм с выдержкой до 2,6 с и на 100 мм со скоростью 1/3 с! Это рассчитывается по эмпирическому правилу 1 / эффективное-фокусное расстояние. Тем не менее, даже если это будет сделано из-за полной остановки, это останется чрезвычайно впечатляющим.

Вопрос в том, что если стабилизация может стабилизироваться так долго, то почему она там останавливается? Почему он не может просто продолжать делать то, что он делает, и стабилизироваться в течение 5 или 10 секунд или дольше? Что заставляет его перестать работать через некоторое время?

Answer 1

Что заставляет его перестать работать через некоторое время?

Образованное предположение: Ошибка .

Система стабилизации изображения похожа на навигацию по мертвому расчету , в котором вы выясняете, где находитесь, исходя из того, что вы знаете о том, где вы были, вашей скорости и изменениях направления.

Если вы едете на машине со скоростью 60 миль в час в течение 5 минут, вы знаете, что будете в 5 милях от того места, где вы начали. Вы можете быть немного отключены, если автомобиль на самом деле движется со скоростью 59 или 61 миль в час, но вы окажетесь в нескольких минутах ходьбы от вашего предполагаемого местоположения, поэтому достаточно близко. Но если вы попытаетесь предсказать, где автомобиль будет через час, а не через 5 минут, та же самая маленькая ошибка в 1 милю в час будет накапливаться в течение этого более длительного периода времени, и вы окажетесь в полной миле от ожидаемого местоположения. Это может быть большая ошибка, чем вы готовы принять.

То же самое и с системой стабилизации изображения. Камера не имеет абсолютной точки отсчета в пространстве - ее акселерометры и гироскопы могут измерять только относительное смещение и вращение, и, хотя они очень точные, они не идеально . Более того, аппаратное обеспечение, которое перемещает датчик или элемент аренды, который поддерживает стабильность изображения, будет иметь свою собственную ошибку. Некоторая ошибка также присуща активным системам ИС из-за того, что система должна ощущать движение, прежде чем она сможет реагировать, поэтому обязательно должна быть задержка, из-за которой система не может точно отслеживать движение камеры. Наконец, вполне вероятно, что ни одна система IS не может обеспечить идеальную регистрацию изображения от угла к углу, в то время как она компенсирует движение камеры.

Все эти ошибки будут накапливаться со временем. Хорошая система IS может сделать снимок на 10 секунд лучше, чем то, что вы получили бы без IS, но не намного лучше, чем производители готовы заявить, что она полезна при такой длительной выдержке.

Другими словами: Не перестает работать; оно просто достигает точки, когда оно недостаточно полезно.

Answer 2

Я подозреваю, что одной из основных проблем является накопленная ошибка.

Нет идеального измерения. Там всегда ошибка. Стабилизация изображения должна измерять относительное движение камеры и противодействовать ему.

Во время воздействия происходит много измерений. Каждый из них основан на результате предыдущего. Это означает, что ошибка также накапливается. В какой-то момент общая ошибка считается слишком большой. Я предполагаю, что стандарт определяет это с некоторым пороговым значением для общей ошибки и вероятностью, с которой она будет достигнута через определенный промежуток времени.

Answer 3

Вы правы в том, что если движение было циклическим и никогда не выходило за пределы максимального хода систем стабилизации, то оно должно быть в состоянии длиться бесконечно. Но если движение в одном направлении вдоль оси в конечном итоге достигает предела своего хода.

Основное ограничение касается степени диапазона движения, который может быть достигнут до того, как система стабилизации достигнет края своего хода. Если компенсирующая система может не отставать от движения в том же направлении всего лишь на 3 °, прежде чем она достигнет конца своего хода, то любое движение, превышающее 1 ° в секунду, означает, что система может поддерживать компенсацию не более 3 секунд.

При использовании сенсорной стабилизации проблема усугубляется при использовании более длинных объективов, поскольку для получения такого же размытия, как у объектива с более коротким фокусным расстоянием, требуется меньшее угловое перемещение объектива с большим фокусным расстоянием. Объектив с фокусным расстоянием 600 мм и диагональю поля зрения составляет всего около 4 °. Угловое перемещение на 1 ° эквивалентно 1/4 (25%) всего кадра! Напротив, 35-мм объектив имеет диагональ поля зрения 63 °. Движение на 1 ° эквивалентно только 1/63 или менее 1,6% от всего кадра.

Это основная причина того, что, поскольку они начали предлагать объективы с большим фокусным расстоянием, производители, использующие стабилизацию на основе камеры, также начали поддерживать ее с помощью компенсации на основе объектива. Системы стабилизации на основе линз обычно располагаются очень близко к центру линзы, где очень небольшое движение может повлиять на гораздо большее смещение точки, в которой проецируемый конус света движется там, где он падает на сенсор.

Answer 4

Согласно самим Олимпам, вращение Земли останавливает их, выходя за пределы 6,5 ступеней (а затем что-то связанное с гироскопом).

Я читал это сегодня в статье на PetaPixel , которая сама подняла его с Amateur Photographic , где у них было интервью с заместителем руководителя отдела Olympus Сецуей Катаокой:

Сама внутренняя стабилизация дает 5,5 ступеней, а Sync IS дает 6,5 ступеней с объективами OIS. 6,5 остановок на самом деле является теоретическим ограничением на данный момент из-за вращения земли, мешающего гироскопическим датчикам.

Answer 5

Фотограф и камера представляют собой по существу разомкнутую систему. Фотограф дает ввод, наведя камеру на объект, и камера не имеет возможности влиять на этот ввод. Из-за этого накопленная ошибка вскоре выходит за рамки полезных данных изображения при попытке стабилизации в течение более длительного периода.

Обратите внимание, что в других приложениях, таких как астрономия, системы позиционирования напрямую контролируются процессом формирования изображения, что делает систему замкнутой: телескоп следует за снимаемым объектом. В результате, периоды стабилизации в несколько секунд или даже минут не являются неслыханными. Здесь - это пример телескопа, предназначенного для съемки объектов с такими же бледными оттенками, как величина 24, который стабилизирует изображение в течение 1 минуты:

В конце концов, в ответе Павла есть доля правды, но эти методы вряд ли будут применены к фотографии в ближайшее время. Возможно, когда-нибудь дневные камеры будут иметь нейронные поверхности для контроля над руками фотографа, но линзы с временем стабилизации в несколько секунд должны будут ждать до тех пор.

Answer 6

Числа на самом деле не отражают каких-либо жестких ограничений, они отражают вероятность . Мы можем считать дрожание камеры практически случайным, поэтому любой снимок имеет шанс размывания при дрожании камеры. Чем дольше выдержка, тем выше вероятность того, что сотрясения будет достаточно, чтобы испортить изображение. Стабилизация изображения может отменить большую часть дрожания при разумных условиях, но не все, по причинам, которые другие объяснили - датчики ускорения не совершенны, двигатели не реагируют мгновенно, есть физические ограничения на движение, и т. д. Остаток дрожания камеры все еще увеличивает вероятность размытого изображения, просто медленнее, потому что его меньше. Если они заявляют о 6 ступенях улучшения, это означает, что вызванное дрожанием размытие накапливает на 1/64-ю скорость в среднем при включенном IS, как при отключенном IS, но каждый снимок отличается. Вы можете иметь удачу без IS, и неудачу с этим. Фактическое тестирование для IS включает в себя большое количество снимков с разными выдержками при включенном и выключенном IS, и сравнение либо доли разрешенных изображений 1008 *, либо среднего значения размытия между двумя популяции. Если определенная комбинация камеры / объектива получает приемлемое изображение в 90% времени при 1/30 с отключенным IS, но все еще может получить приемлемое изображение в 90% при 1 с при включенном IS, то это точка данных, показывающая 5 ступеней улучшения. Имея множество таких данных, мы можем обобщить результаты (или, если мы отдел маркетинга, выбрать лучшие).

Answer 7

Вероятно, несколько сомнительно, что 2-секундная экспозиция (даже с короткой линзой) будет очень хорошо получаться очень часто.

Когда человек держит камеру, у вас есть несколько принципиально разных движений. Они отличаются как по частоте, так и по величине. Стабилизаторы изображения хорошо работают с движениями, вызванными мышечным тремором, которые (условно говоря) имеют высокую частоту и малую величину. Это хорошо работает для экспозиций, скажем, до одной десятой секунды или около того.

С выдержками в несколько секунд вы имеете дело с совершенно разными видами движений. Например, большая часть верхней части вашего тела несколько дышит, когда вы дышите. Это движение намного медленнее, но также (во многих случаях) намного больше. Это приводит к двум проблемам. Во-первых, он достаточно медленный, поэтому большинство акселерометров не откалиброваны для их очень хорошего измерения. Во-вторых (и труднее иметь дело) типичные системы стабилизации могут двигаться только на несколько миллиметров или около того. Движение от дыхания может быть намного больше, чем это.

Даже просто стоять совершенно неподвижно в течение нескольких секунд одновременно становится трудно. Это становится особенно очевидным, если вы попытаетесь сделать ручную макросъемку. Если вы очень близки (с минимальной глубиной резкости), часто бывает трудно стоять на месте, чтобы просто сфокусировать объект. Опять же, здесь движения часто имеют порядок (например) сантиметров, а не миллиметров, которые системы стабилизации обычно могут хорошо компенсировать.

Answer 8

Вопрос в том, что если стабилизация может стабилизироваться так долго, то почему она там останавливается? Почему он не может просто продолжать делать то, что он делает, и стабилизироваться в течение 5 или 10 секунд или дольше? Что заставляет его перестать работать через некоторое время?

Различные стабилизированные изображения объективы Canon, которые у меня были, не полностью останавливали движение. Они только замедлили это. Из наблюдения эффекта в видоискателе было ясно, что выдержки не могут быть бесконечными. Все мои объективы IS были в диапазоне 70-300 мм, эффект, возможно, не так очевиден с короткими объективами, которые позволяют действительно низкие экспозиции, но я подозреваю, что результат похож

Answer 9

На практике, когда требуется чрезвычайная точность, прибегают к вложенным системам, где в пределах достаточно точной стабилизированной системы, оптимизированной для демпфирования больших движений, вы устанавливаете более сложную систему, которая может компенсировать крошечные колебания в движениях, которые являются остатки первой системы. А внутри этой системы вы можете поместить еще один и т. Д. И т. Д. Системы стабилизации камеры используют один слой, поэтому есть много возможностей для улучшения (но затраты, вероятно, будут чрезмерными).

В таких системах обычно используются как пассивные, так и активные демпфирующие механизмы. Вы хотите, чтобы второй слой был изолирован от первого, поэтому существует пассивная система демпфирования, которая связывает слои. Существует также активная система компенсации движений. В многоуровневой системе это лучше всего сделать, измерив движение предыдущего слоя и затем рассчитав распространение через механизм демпфирования, чтобы получить требуемую компенсацию.

Эксперимент LIGO является хорошим примером, где такие методы используются для достижения чрезвычайно точной компенсации вибраций.

Answer 10

Стабилизация изображения контролируется гироскопами MEMS. Хотя у меня нет полной информации об использовании в камерах, я могу работать в обратном направлении. Начиная с того, что MEMS-гироскопы используются для измерения вращения Земли в различных университетах и ​​исследовательских центрах. Эти гироскопы используются в датчиках. Когда гироскоп отталкивается от своей оси, он прикладывает усилие, чтобы сохранить свое положение. Эта сила может быть измерена. Обработка этого измерения может затем использоваться для определения движущей силы, действующей на него. В стабилизирующей системе это может привести к противодействию, поддерживающему положение с помощью измерений на гироскопе, контролирующих управление противодействием. Когда земля вращается, ее силовое давление на гироскоп позволяет ее измерять. Я заметил, что он сказал, теоретическое ограничение 6,5 ступеней. Теоретическое ограничение означает максимум, который может быть достигнут без ошибок и все идеально. Я подвергаю сомнению его утверждение, что их камера находится на теоретическом пределе, поскольку это никогда не достигается. Всегда есть физические ограничения. У меня нет его математики для этого заявления. Это должно включать минимальное усилие, на которое реагирует его система камер. После 6,5 остановок сила вращения Земли тогда больше, чем это минимальное движение, и в этот момент система, не знающая объект, на который также указывала камера, переместилась, затем попыталась бы направить камеру туда, где она думала, что объект еще было. Затем математика для случая, когда это произошло, будет включать в себя размер пикселя, минимальные и максимальные пределы, которые он может исправить, и гораздо больше связана с оптикой и демпфированием, встроенным в систему. Который включает человека, держащего это. Поскольку камера, упавшая с самолета и запущенная дистанционно, не дала бы четкого изображения через 1 секунду, а в более длительное время - намного меньше. Что касается камер, я бы предложил решение для этого, если бы датчик камеры увеличенного размера перемещал часть датчика, с которой поступает изображение, а также оптику и физическое перемещение датчика. Для этого им затем требуется область хранения и для непрерывного считывания датчик хранит изображение в области хранения и добавляет к тому, что уже есть. Я чувствую, что это возможно с выделенным процессором и позволяет более длительное время стабилизировать изображение. Однако есть еще предел. Кстати, этот тип системы используется в некоторых местах, где расходы не имеют значения. Возвращаясь к первоначальному вопросу, он не указывает, где на земле это предел. Ограничение может быть меньше на экваторе и больше на полюсах. Кроме того, большинство камер сегодня обеспечивают большую стабилизацию при использовании более длинных объективов и меньше остановок при более коротких. Который снова возвращается к его 6.5 комментариям остановки, без ссылки ни на фокусное расстояние, ни на фактическое время. Я склонен думать, что это больше предел множества гироскопов, работающих на разных плоскостях, и взаимодействия между ними, поскольку достаточно легко иметь гироскоп, чтобы определять ориентацию камеры относительно вращения Земли, а затем программировать, что в процессор стабилизации. Об этом много в интернете, в статьях об измерении вращения Земли. Я надеюсь, что это простое английское объяснение того, почему существуют ограничения, за которые система гироскопа не может идти.