В чем разница между оптической и цифровой стабилизацией изображения?

Если вы когда-нибудь пытались снимать видео на телефон во время ходьбы, вы знаете, что сохранять изображение по-прежнему сложно. Есть некоторая изящная технология, разработанная, чтобы уменьшить тот эффект дрожания камеры, и есть два различных подхода к реализации.

Оптическая стабилизация изображения происходит из мира неподвижной фотографии, используя сложные аппаратные механизмы внутри объектива, чтобы сохранять изображение неподвижным и обеспечивать резкий захват. Это было вокруг в течение долгого времени, но было адаптировано для видео и недавно миниатюризировано для смартфонов. Цифровая стабилизация изображения - это скорее программный трюк, такой как «цифровой зум», но наоборот, активный выбор правильной части изображения на сенсоре, чтобы создать впечатление, что объект и камера меньше двигаются. Давайте посмотрим, как они оба работают, и как они применяются в последних фото гаджетах.

Оптическая стабилизация изображения: стабилизатор для объектива

У How-To Geek уже есть статья, объясняющая, как работает оптическая стабилизация изображения. Но для полноты картины мы подведем итог: оптическая стабилизация изображения, называемая OIS для краткости и называемая также «IS» или «подавление вибраций» (VR, не имеет отношения к виртуальной реальности), в зависимости от марки камеры, является все об оборудовании.

Объектив камеры с оптической стабилизацией изображения имеет внутренний двигатель, который физически перемещает один или несколько стеклянных элементов внутри объектива, когда камера фокусируется и записывает снимок. Это приводит к стабилизирующему эффекту, противодействующему движению объектива и камеры (например, от дрожания рук оператора) и позволяющему записывать более четкое, менее размытое изображение. Это, в свою очередь, позволяет снимать фотографии при слабом освещении или с более низким значением F-стопа, оставаясь при этом четким.

Инженерия, которая входит в этот материал, удивительна. Это супер-крошечная версия внешнего оборудования, такого как многоосевые подвесы, используемые в таких системах, как Steadicam, - те большие кронштейны для крепления на плечах, которые вы, возможно, видели на спортивных мероприятиях или съемочных площадках. Результаты от системы стабилизации в объективе или в камере не такие впечатляющие, как результаты, полученные от внешних гироскопических стабилизаторов, но они все еще довольно впечатляющие. Камера с объективом с оптической стабилизацией изображения может снимать более четкие неподвижные изображения при более низких уровнях освещенности, чем без него, и эту же технологию можно использовать для небольшого улучшения размытого, дрожащего эффекта записи видео на портативную камеру. Большим недостатком является то, что для оптической стабилизации изображения требуется много дополнительных компонентов в объективе, а камеры и объективы, оснащенные OIS, намного дороже, чем менее сложные конструкции..

Оптическая стабилизация изображения раньше ограничивалась высококачественными фотоаппаратами и видеокамерами. Но технология была достаточно итеративной, и теперь вы можете использовать ее в потребительских зеркальных камерах и беззеркальных камерах. Он даже был уменьшен, чтобы объектив OIS мог поместиться в модуле камеры смартфона. Да, это означает, что в некоторых смартфонах толщиной в полдюйма есть крошечный подвижный стеклянный элемент. Если ваш телефон оснащен объективом OIS, вы можете поднести верхний конец к уху, слегка встряхнуть его и даже услышать, как стабилизирующий элемент гремит в модуле задней камеры. (Хм, не делай это слишком сложно, хотя.)

Вот пример крошечного элемента OIS модуля камеры телефона. Обратите внимание, как верхняя часть объектива может перемещаться независимо от датчика изображения под.

С гораздо меньшими объективами и датчиками функция OIS на телефонах не так эффективна, как на больших камерах. Но это все еще помогает вам делать более четкие фотографии и менее шаткое видео. Некоторые известные конструкции телефонов с оптической стабилизацией изображения включают iPhone 6+ и более поздние версии, Samsung Galaxy S7 и более поздние версии, LG G-серии и Google Pixel 2..

Ручная стабилизация изображения: обрезка видео для стабилизации изображения

Цифровая стабилизация изображения выполняется программно. Если вы знакомы с разницей между оптическим и цифровым зумом (то есть раздувом пикселей на изображении без их улучшения), это похоже. Но цифровая стабилизация оказывает гораздо более непосредственное, измеримое влияние на видео.

Чтобы стабилизировать шаткое предварительно записанное видео, вы можете обрезать участки на границах, которые «перемещаются» вокруг каждого кадра, в результате чего видео выглядит более стабильным. Это оптическая иллюзия: пока видео дрожит, кадрирование каждого кадра изображения регулируется, чтобы компенсировать дрожание, и вы «видите» плавную дорожку видео. Для этого необходимо либо увеличить рамку изображения (и пожертвовать качеством изображения), либо уменьшить саму рамку (в результате получается уменьшенное изображение с черными полями, которые перемещаются).

Терпеливые видеоредакторы могут сделать это вручную с законченной записью, кадр за кадром. Вот драматический пример на коротком снимке из Эпизода VII Звездных войн.

Это преувеличенный пример обрезки для стабилизирующего эффекта, но он показывает, как перемещение изображения вокруг видеокадра относительно объекта (корабля) или фона может привести к более плавному видео. Вот коллекция более типичных примеров с реальными предметами.

Цифровая стабилизация изображения: программное обеспечение для обрезки видео для вас

С добавлением передового программного обеспечения компьютеры могут автоматически применять эту технику кадрирования и перемещения к видео. Это можно сделать с помощью таких программ для редактирования видео, как Adobe Premiere, Final Cut Pro и Sony Vegas, которые обычно достигают эффекта, обрезая или увеличивая полноразмерное видео, и динамически стабилизируют его покадрово. Вот пример эффекта автоматической стабилизации видео, выполненного в Final Cut Pro (перейдите к 3:34, если он еще не установлен).

Подобно оптической стабилизации изображения, это программное обеспечение для постобработки становится все дешевле и более распространенным. Можно даже использовать базовую стабилизацию масштабирования и кадрирования, встроенную в некоторые бесплатные видеоуслуги, такие как YouTube и Instagram. Существует предел того, насколько этот эффект может быть применен, так как он должен увеличиваться, чтобы компенсировать дрожание камеры, не показывая черные области на краю видеокадра. Чем больше вы увеличиваете, тем ниже будет качество конечного видео. Обратите внимание, что в следующем видео кадр стабилизированного материала (вверху) меньше полного кадра исходного нестабилизированного видео (внизу) из-за кадрирования, необходимого для стабилизирующего эффекта.

Так вот, как стабилизация изображения может быть применена к существующему видео. Теперь объедините эту технику стабилизации при перемещении и кадрировании, немного больше места на пиксельной сетке датчика неподвижной камеры при съемке видео и сверхсовременное программное обеспечение, которое обнаруживает части изображения и их движение, и вы можете выполнить стабилизацию автоматически, прямо как видео записывается! Это программное обеспечение записывает полное изображение на сенсоре камеры для каждого кадра, автоматически определяет, как камера дрожит относительно основного объекта и фона, и обрезает видео до размера 4K или 1080p, перемещая изображение вокруг, чтобы компенсировать движение сама камера.

Вот что означает «цифровая стабилизация изображения»: применение инструментов кадрирования для видео автоматически и сразу в камере без необходимости в дополнительном программном обеспечении после записи видео.

Эта технология не требует дополнительных движущихся частей в механизме объектива, что делает его более дешевым в производстве. Он не так технически эффективен, как оптически стабилизированный объектив, потому что для применения инструментов кадрирования в реальном времени требуется более продвинутая компьютерная обработка. Но при правильном сочетании аппаратного и программного обеспечения эффекты могут быть драматичными. Вот видео о новейших методах цифровой стабилизации изображения в новой серии GoPro 7.

Обратите внимание, что GoPro 7, как и его предшественники, не имеет движущихся частей стабилизации в самой камере, и видео выше не было стабилизировано с помощью дополнительного программного обеспечения, такого как Premiere или Final Cut. Все это видео берется непосредственно с камеры, а кадрирование автоматически применяется для компенсации дрожания и вибрации. Он не идеален - он недостаточно хорош, чтобы полностью убрать дрожание с велосипеда, спускающегося, например, по ступенькам лестницы, и он дает около 10% обрезки на видеокадре. Но это впечатляющее улучшение по сравнению с нестабилизированной камерой, без затрат и времени, необходимых для OIS или только программной стабилизации. GoPro имеет цифровую стабилизацию изображения в камере начиная с серии Hero 5, и она доступна и на других экшн-камерах.

Цифровая стабилизация изображения может быть применена и к видео на телефонах. Google использовал только программную систему в оригинальном пикселе (называемую «EIS» для «электронной стабилизации изображения»), и теперь большинство телефонов высокого класса применяют, по крайней мере, некоторый уровень цифровой стабилизации, явно или нет. Samsung отмечает, что на Galaxy Note 8, Galaxy S9 и Galaxy S9 + оба оптических а также цифровая стабилизация изображения используется одновременно. Но есть один большой недостаток цифровой стабилизации изображения: в отличие от системы оптической стабилизации, ее нельзя применять к неподвижным изображениям. Поскольку цифровая стабилизация изображения основана на кадрировании серии неподвижных видеокадров, она не работает одновременно с одним кадром..

Изображение предоставлено: Canon, GoPro