Почему у стабилизации изображения есть предел?

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 кажется невероятным количеством стабилизации. Понимание значения « Стоп» означает, что можно снимать со скоростью 12 мм со скоростью затвора до 2,6 с и со скоростью 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, почему она на этом 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?

Что заставляет его перестать работать через некоторое время?

Образованное предположение: ошибка .

Система стабилизации изображения похожа на навигацию по безрассудному расчету , в которой вы выясняете, где вы находитесь, основываясь на том, 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. У камеры нет абсолютной точки отсчета в пространстве - ее акселерометры и гироскопы могут измерять только относительное смещение и вращение, и, хотя они очень точные, они не идеальны . 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 экспозиции.

Другими словами: он не перестает работать; это только достигает точки, где это не достаточно полезно.

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

Нет измерения идеально. 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.

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

Основное ограничение касается степени диапазона движения, который может быть приспособлен 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.

С помощью сенсорной стабилизации проблема усугубляется при использовании более длинных объективов, потому что 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-миллиметровый объектив имеет диагональ поля зрения 63 °. Движение на 1 ° эквивалентно только 1/63 или менее 1,6% от всего кадра.

Это главная 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 туда, где он попадает на сенсор.

По словам самого Олимпа, вращение Земли останавливает их, выходя за пределы 6,5 ступеней (а затем что-то связанное с гироскопом).

Я прочитал это в сегодняшней статье о PetaPixel , которая сама взяла его у Amateur Photographic, где у них было интервью с заместителем руководителя подразделения 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.

Числа на самом деле не отражают каких-либо жестких ограничений, они отражают вероятность . Мы можем считать дрожание камеры практически случайным, поэтому любой снимок имеет шансбыть размытым от дрожания 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 в среднем 1/64-ю скоростьс включенным IS, как с выключенным 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, а также сравнение доли приемлемых изображений или среднего количества размытия между двумя популяциями. 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 подвести итоги работы (или, если мы отдел маркетинга, выбрать лучшие).

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, если предпринимается попытка стабилизации в течение более длительного периода.

Обратите внимание, что в других приложениях, таких как астрономия, системы позиционирования напрямую контролируются процессом визуализации, что делает систему замкнутой: телескоп следует за снимаемым объектом. В результате, периоды стабилизации в несколько секунд или даже минут не являются неслыханными. Вот пример телескопа, предназначенного для съемки слабых объектов с величиной 24, которые стабилизируют изображение в течение 1 минуты:

В конце концов, в ответе Пола 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 объективы со временем стабилизации в несколько секунд должны будут ждать до тех пор.

Вопрос в том, что если стабилизация может стабилизироваться так долго, почему она на этом 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 аналогичен.

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) высоки по частоте и малы по величине. Это хорошо работает для выдержек, 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 на месте несколько секунд подряд 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.

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 незначительные колебания в движениях, которые являются остатками Первая система. 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.

ЛИГО Эксперимент является примером хорошо , когда такие методы используются , чтобы получить чрезвычайно точной компенсации вибраций.

Интересный вопрос, но я думаю, что некоторые предпосылки неверны.

можно снимать на 12 мм с выдержкой до 2,6 с

В самом деле? Будет ли фотограф стоять на месте 2,6 секунды?

Физическая система стабилизации изображения опирается на одно физическое свойство материи: инерцию.

Это как трюк с натягиванием ткани на стол и оставлением посуды в покое.

Если он как-то отстегивается один от другого, вы можете переместить одну часть в некоторой степени, не перемещая другую.

Они также предназначены для некоторого типа частот.

Маятник имеет частоту, чтобы резонировать. Если вы создаете некоторое равновесие с метлой вверх дном, вы применяете этот же принцип. Но вам нужно компенсировать на правильной скорости.

Теперь представьте, что вы хотите перефразировать изображение, а система стабилизации изображения не позволяет этого сделать. «О нет, это потрясение, я останусь на месте!».

Да. Большой телескоп имеет большую массу, и я уверен, что перефреймирование займет больше времени, чем ручная камера. Но на ручной камере у вас есть некоторые ограничения по стабилизации.

Кстати, другое устройство, обеспечивающее более длительную стабилизацию, называется штативом. И полагаться на массу Земли.

Я, вероятно, снова получу большое количество отрицательных голосов ... но все приведенные выше ответы неверны от начала и до конца. И ответ уже на ваш вопрос:

существует стандарт CIPA для измерения стабилизации изображения

Вот и все. Концепция здесь - «система отсчета»: поскольку существует стандарт, должен быть способ одинаково протестировать все камеры и получить число, которое является действительным индикатором, то есть оно «сопоставимо» для всех камер.

Тест CIPA: как это работает

(и, возможно, внутренние тесты до стандартизации CIPA тоже)

Поскольку «существует стандарт CIPA для измерения стабилизации изображения», 5-ступенчатая (например) стабилизация является результатом стандартного теста, который измеряет при определенных условиях, сколько камеры можно нажать, прежде чем произойдет определенный набор вещей (а именно, боке). деградация и размытие движения).

_{Примечание: в руководстве по процедурам проверки стабилизации изображения CIPA содержится не менее 50 страниц. И я не помню их всех, и у меня нет мозгов, чтобы понять каждый их аспект (даже если я создаю программное обеспечение для платформ вибрационного тестирования :-D); Следующее объяснение является большим упрощением, если кто-то хочет вдаваться в подробности, он может просто прочитать процедуру сам, это общедоступно}

Стандарт CIPA использует вибрационную платформу для тестирования камеры. Это магия.

Камера установлена ​​на платформе, которая производит вибрации и нацелена на «стандартное изображение»; платформа выключена и сделан контрольный снимок. Затем платформа включается, генерируется набор вибраций, делается много снимков с разной скоростью затвора, и момент, когда камера начинает выдавать плохие фотографии, - это момент, когда IS не может исправить экспозицию. Тогда просто представьте, что разница между начальной скоростью затвора и последней хорошей, выраженной в стопе, заключается в количестве остановок, которые может выдержать система стабилизации камеры.

Более того, есть проблема с заданным вами вопросом:

можно снимать на 12 мм со скоростью затвора до 2,6 с и на 100 мм со скоростью 1/3 с! Это рассчитывается по эмпирическому правилу 1 / эффективное-фокусное расстояние

Почему невозможно снимать на 100 мм с выдержкой больше 1/3? Просто, потому что вы сами наложили это на примере! :-)

Если вы установили, что handeld, вы можете выстрелить 100 мм максимум за 1/100 с, а затем применить 5 стопов, и это приведет к 1/3 с при максимуме ... это потому, что вы сделали математику, а не потому, что система стабилизации изображения выключится после 1/3 секунды, или потому что он начнет плохо работать после этого времени! Действительно, системы стабилизации изображения тестируются (если я правильно помню) с выдержками до 32 секунд :-D

Вы устанавливаете здесь систему отсчета, говоря «Я беру правило 1 / мм и применяю стоп-фактор», поэтому вы загнали себя в угол. Что, если кто-то с действительно устойчивой рукой может выстрелить Хэндельду 100мм @ 1сек? Система перестает работать через 1/3 секунды даже для него, потому что вы не можете пройти больше 100 мм при 1/100 секунды?

Стабилизация изображения контролируется MEMS гироскопами. 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 неподвижен. был. Затем математика для определения того, 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. В интернете есть много математических статей об измерениях вращения Земли. Я надеюсь, что это простое английское объяснение того, почему существуют ограничения, за которые система гироскопа не может идти. 5 останавливает комментарий без ссылки на фокусное расстояние и 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. В интернете есть много математических статей об измерениях вращения Земли. Я надеюсь, что это простое английское объяснение того, почему существуют ограничения, за которые система гироскопа не может идти. 5 останавливает комментарий без ссылки на фокусное расстояние и 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. В интернете есть много математических статей об измерениях вращения Земли. Я надеюсь, что это простое английское объяснение того, почему существуют ограничения, за которые система гироскопа не может идти. 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. В интернете есть много математических статей об измерениях вращения Земли. Я надеюсь, что это простое английское объяснение того, почему существуют ограничения, за которые система гироскопа не может идти. 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. В интернете есть много математических статей об измерениях вращения Земли. Я надеюсь, что это простое английское объяснение того, почему существуют ограничения, за которые система гироскопа не может идти.

Я бы предположил, что вы правы и что нет абсолютного предела. Вы должны быть в состоянии стабилизироваться в течение 10 минут или двух часов.

Упоминалось о накопленной ошибке в системе управления с разомкнутым контуром, которая является механизмом стабилизации. Системы управления с открытым концом могут отклоняться от того, что может быть компенсировано. Это детские системы управления 101 и проблема была решена столетиями назад в машиностроении. Просто закройте цикл с обратной связью.

Если вы думаете о двух частях камеры, у вас есть объектив и датчик. (Стабилизированный) объектив перемещается, чтобы изменить то, что видит датчик, а датчик видит то, на что направлен объектив. Соедините два с обратной связью. Цифровой процессор сигналов должен иметь возможность привязываться к цели изображения (в конце концов, у нас есть базовое отслеживание лица) и определять, сместилось ли изображение. Затем сдвиг возвращается к контролю движения объектива, и объектив сдвигается в противоположном направлении. Хитрость заключается в обнаружении сдвига уровня пикселей. Вот почему у нас их пока нет, но ничего из того, что я обрисовал, кажется физически невозможным. Пока объектив направлен на цель с достаточной точностью, вы сможете подвергать воздействию весь день.

Я уверен, что это сработает, потому что это уже сделано. В наши дни телескопы имеют активные / гибкие зеркала, которые постоянно корректируют свою геометрию, чтобы стабилизировать атмосферную турбулентность и искажения собственного веса. Они также фиксируются на цели и отслеживают ее.

Не могу дождаться, чтобы купить линзу, которая может стабилизироваться на целый день.