Estabilización de imagen - Image stabilization
La estabilización de imagen ( IS ) es una familia de técnicas que reducen el desenfoque asociado con el movimiento de una cámara u otro dispositivo de imágenes durante la exposición .
Por lo general, compensa el giro y la inclinación (movimiento angular, equivalente a la orientación y el cabeceo ) del dispositivo de imágenes, aunque la estabilización electrónica de la imagen también puede compensar la rotación. Se utiliza principalmente en la gama alta de los prismáticos con estabilizador de imagen , aún y vídeo cámaras, astronómicos telescopios , así como los teléfonos inteligentes . Con las cámaras fijas , el movimiento de la cámara es un problema particular a velocidades de obturación lentas o con lentes de larga distancia focal ( telefoto o zoom ). Con las cámaras de video , el movimiento de la cámara causa una fluctuación visible de cuadro a cuadro en el video grabado. En astronomía, el problema del movimiento de la lente se suma a la variación en la atmósfera , que cambia las posiciones aparentes de los objetos a lo largo del tiempo.
Aplicación en fotografía fija
En fotografía, la estabilización de imagen puede facilitar velocidades de obturación de 2 a 5,5 pasos más lentas (exposiciones de 4 a 22+1 ⁄ 2 veces más), e incluso se han reportado velocidades efectivas más lentas.
Una regla general para determinar la velocidad de obturación más lenta posible para sostener la mano sin que se note un efecto borroso debido al movimiento de la cámara es tomar el recíproco de la distancia focal equivalente de 35 mm del lente, también conocida como la "regla de 1 / mm". Por ejemplo, a una distancia focal de 125 mm en una cámara de 35 mm, la vibración o el movimiento de la cámara podrían afectar la nitidez si la velocidad de obturación es inferior a 1 ⁄ 125 segundo. Como resultado de las velocidades de obturación más lentas de 2 a 4.5 pasos permitidas por IS, una imagen tomada a una velocidad de 1 ⁄ 125 segundos con una lente normal podría tomarse a 1 ⁄ 15 o 1 ⁄ 8 de segundo con una lente equipada con IS y producir casi la misma calidad. La nitidez que se puede obtener a una velocidad determinada puede aumentar drásticamente. Al calcular la distancia focal efectiva, es importante tener en cuenta el formato de imagen que utiliza una cámara. Por ejemplo, muchas cámaras SLR digitales utilizan un sensor de imagen de 2 ⁄ 3 , 5 ⁄ 8 o 1 ⁄ 2 del tamaño de un fotograma de película de 35 mm. Esto significa que el marco de 35 mm es 1,5, 1,6 o 2 veces el tamaño del sensor digital. Los últimos valores se denominan factor de recorte , factor de recorte del campo de visión, multiplicador de longitud focal o factor de formato. En una cámara con factor de recorte de 2 ×, por ejemplo, una lente de 50 mm produce el mismo campo de visión que una lente de 100 mm que se usa en una cámara de película de 35 mm y, por lo general, se puede usar con la mano en 1 ⁄ 100 de segundo.
Sin embargo, la estabilización de imagen no evita el desenfoque de movimiento causado por el movimiento del sujeto o por movimientos extremos de la cámara. La estabilización de imagen solo está diseñada y es capaz de reducir la borrosidad que resulta del movimiento normal y mínimo de un objetivo debido al disparo manual. Algunas lentes y cuerpos de cámara incluyen un modo de panorámica secundario o un 'modo activo' más agresivo, ambos descritos con mayor detalle a continuación bajo estabilización óptica de imagen .
La astrofotografía hace un gran uso de la fotografía de larga exposición , que requiere que la cámara esté fija en su lugar. Sin embargo, sujetarlo a la Tierra no es suficiente, ya que la Tierra gira . La Pentax K-5 y Kr, cuando están equipadas con el accesorio GPS O-GPS1 para datos de posición, pueden usar su capacidad de cambio de sensor para reducir los rastros de estrellas resultantes .
La estabilización se puede aplicar en el objetivo o en el cuerpo de la cámara. Cada método tiene ventajas y desventajas distintivas.
Técnicas
Estabilización de imagen óptica
Un estabilizador óptico de imagen ( OIS , IS u OS ) es un mecanismo que se utiliza en las cámaras de fotos o de video que estabiliza la imagen grabada variando la ruta óptica hacia el sensor. Esta tecnología se implementa en la lente misma, a diferencia de la estabilización de imagen en el cuerpo ( IBIS ), que opera moviendo el sensor como el elemento final en la ruta óptica. El elemento clave de todos los sistemas de estabilización óptica es que estabilizan la imagen proyectada en el sensor antes de que el sensor convierta la imagen en información digital . IBIS puede tener hasta 5 ejes de movimiento: X, Y, Roll, Yaw y Pitch. IBIS tiene la ventaja adicional de trabajar con todos los objetivos.
Beneficios de OIS
La estabilización de imagen óptica prolonga la velocidad de obturación posible para la fotografía de mano al reducir la probabilidad de que la imagen se vea borrosa por el movimiento durante el mismo tiempo de exposición.
Para la grabación de video portátil , independientemente de las condiciones de iluminación, la estabilización óptica de la imagen compensa las sacudidas menores cuya apariencia aumenta cuando se ve en una pantalla grande, como un televisor o un monitor de computadora .
Nombres por proveedores
Diferentes empresas tienen diferentes nombres para la tecnología OIS, por ejemplo:
- Reducción de la vibración (VR): Nikon (produjo la primera lente óptica estabilizada de dos ejes, un zoom de 38-105 mm f /4-7.8 integrado en la cámara Nikon Zoom 700VR (EE. UU .: Zoom-Touch 105 VR) en 1994)
- Estabilizador de imagen (IS): Canon introdujo el EF 75–300 mm f / 4–5,6 IS USM) en 1995. En 2009, introdujeron su primer objetivo (el EF 100 mm F2,8 Macro L) para utilizar un híbrido de cuatro ejes. ES .)
- Anti-Shake (AS): Minolta y Konica Minolta (Minolta introdujo el primer estabilizador de imagen de dos ejes basado en sensores con la DiMAGE A1 en 2003)
- IBIS - Estabilización de imagen corporal - Olympus
- SteadyShot óptico (OSS) - Sony (para Cyber-shot y varios objetivos con montura α E )
- Estabilización de imagen óptica (OIS) - Fujifilm
- MegaOIS, PowerOIS - Panasonic y Leica
- SteadyShot (SS), Super SteadyShot (SSS), SteadyShot INSIDE (SSI) - Sony (basado en Anti-Shake de Konica Minolta originalmente, Sony introdujo una variante de fotograma completo de 2 ejes para la DSLR-A900 en 2008 y una de 5 ejes estabilizador para el ILCE-7M2 de fotograma completo en 2014)
- Estabilización óptica (OS) - Sigma
- Compensación de vibraciones (VC) - Tamron
- Reducción de vibración (SR) - Pentax
- PureView - Nokia (produjo el primer sensor óptico estabilizado para teléfono celular, integrado en el Lumia 920 )
- UltraPixel - HTC (la estabilización de imagen solo está disponible para HTC One 2013 y HTC 10 2016 con UltraPixel. No está disponible para HTC One (M8) o HTC Butterfly S, que también tienen UltraPixel)
La mayoría de los teléfonos inteligentes de gama alta a finales de 2014 utilizan estabilización de imagen óptica para fotos y videos.
Basado en lentes
En la implementación de Nikon y Canon , funciona mediante el uso de un elemento de lente flotante que se mueve ortogonalmente al eje óptico de la lente mediante electroimanes. La vibración se detecta mediante dos sensores piezoeléctricos de velocidad angular (a menudo llamados sensores giroscópicos ), uno para detectar el movimiento horizontal y el otro para detectar el movimiento vertical. Como resultado, este tipo de estabilizador de imagen corrige solo las rotaciones del eje de cabeceo y guiñada, y no puede corregir la rotación alrededor del eje óptico. Algunas lentes tienen un modo secundario que contrarresta el movimiento de la cámara solo vertical. Este modo es útil cuando se utiliza una técnica de panorámica . Algunas de estas lentes la activan automáticamente; otros usan un interruptor en la lente.
Para compensar el movimiento de la cámara al grabar videos mientras camina, Panasonic introdujo Power Hybrid OIS + con corrección de cinco ejes: rotación del eje, rotación horizontal, rotación vertical y movimiento horizontal y vertical.
Algunos objetivos Nikon habilitados para VR ofrecen un modo "activo" para disparar desde un vehículo en movimiento, como un automóvil o un barco, que se supone que corrige las sacudidas más grandes que el modo "normal". Sin embargo, el modo activo utilizado para el disparo normal puede producir peores resultados que el modo normal. Esto se debe a que el modo activo está optimizado para reducir los movimientos de velocidad angular más alta (generalmente cuando se dispara desde una plataforma en movimiento con velocidades de obturación más rápidas), donde el modo normal intenta reducir los movimientos de velocidad angular más baja en una amplitud y un marco de tiempo más grandes (por lo general, el movimiento del cuerpo y la mano). cuando está parado sobre una plataforma estacionaria o que se mueve lentamente mientras usa velocidades de obturación más lentas).
La mayoría de los fabricantes sugieren que la función IS de una lente se apague cuando la lente está montada en un trípode, ya que puede causar resultados erráticos y generalmente no es necesaria. Muchas lentes de estabilización de imagen modernas (en particular las lentes IS más recientes de Canon) pueden detectar automáticamente que están montadas en un trípode (como resultado de lecturas de vibración extremadamente bajas) y deshabilitar IS automáticamente para evitar esto y cualquier reducción consecuente de la calidad de la imagen. El sistema también consume energía de la batería, por lo que desactivarlo cuando no es necesario prolonga la carga de la batería.
Una desventaja de la estabilización de imagen basada en lentes es el costo. Cada lente requiere su propio sistema de estabilización de imagen. Además, no todos los objetivos están disponibles en una versión con imagen estabilizada. Este suele ser el caso de los objetivos primarios rápidos y de gran angular. Sin embargo, el objetivo más rápido con estabilización de imagen es el Nocticron con una velocidad de f /1.2. Si bien la ventaja más obvia para la estabilización de imagen radica en distancias focales más largas, incluso los lentes normales y de gran angular se benefician de ella en aplicaciones con poca luz.
La estabilización basada en lentes también tiene ventajas sobre la estabilización en el cuerpo. En situaciones de poca luz o bajo contraste, el sistema de enfoque automático (que no tiene sensores estabilizados) puede funcionar con mayor precisión cuando la imagen proveniente de la lente ya está estabilizada. En las cámaras con visores ópticos, la imagen que ve el fotógrafo a través de la lente estabilizada (a diferencia de la estabilización en el cuerpo) revela más detalles debido a su estabilidad y también facilita el encuadre correcto. Este es especialmente el caso de los teleobjetivos más largos. Esta ventaja no ocurre en las cámaras de sistema compacto , porque la salida del sensor a la pantalla o al visor electrónico se estabilizaría.
Cambio de sensor
El sensor que captura la imagen se puede mover de tal manera que contrarreste el movimiento de la cámara, una tecnología a la que a menudo se hace referencia como estabilización de imagen mecánica. Cuando la cámara gira, provocando un error angular, los giroscopios codifican información al actuador que mueve el sensor. El sensor se mueve para mantener la proyección de la imagen en el plano de la imagen, que es una función de la distancia focal de la lente que se está utilizando. Las cámaras modernas pueden adquirir automáticamente información de distancia focal a partir de lentes modernos hechos para esa cámara. Algunas lentes se pueden adaptar con un chip que comunica la distancia focal. Minolta y Konica Minolta utilizaron una técnica llamada Anti-Shake (AS) que ahora se comercializa como SteadyShot (SS) en la línea α de Sony y Shake Reduction (SR) en las cámaras de la serie Pentax K y Q , que se basa en una cámara angular muy precisa. sensor de frecuencia para detectar el movimiento de la cámara. Olympus introdujo la estabilización de imagen con su cuerpo E-510 D-SLR , empleando un sistema construido alrededor de su Supersonic Wave Drive. Otros fabricantes utilizan procesadores de señal digital (DSP) para analizar la imagen sobre la marcha y luego mover el sensor de forma adecuada. El cambio de sensor también se utiliza en algunas cámaras de Fujifilm, Samsung, Casio Exilim y Ricoh Caplio.
La ventaja de mover el sensor de imagen , en lugar de la lente, es que la imagen se puede estabilizar incluso en lentes fabricadas sin estabilización. Esto puede permitir que la estabilización funcione con muchas lentes que de otro modo no estarían estabilizadas y reduce el peso y la complejidad de las lentes. Además, cuando mejora la tecnología de estabilización de imagen basada en sensores, es necesario reemplazar solo la cámara para aprovechar las mejoras, lo que generalmente es mucho menos costoso que reemplazar todas las lentes existentes si se confía en la estabilización de imagen basada en lentes. Algunas implementaciones de estabilización de imagen basadas en sensores son capaces de corregir la rotación del rollo de la cámara , un movimiento que se excita fácilmente presionando el botón del obturador. Ningún sistema basado en lentes puede abordar esta posible fuente de imagen borrosa. Un subproducto de la compensación de "balanceo" disponible es que la cámara puede corregir automáticamente los horizontes inclinados en el dominio óptico, siempre que esté equipada con un nivel de burbuja electrónico, como las cámaras Pentax K-7 / K-5.
Una de las principales desventajas de mover el sensor de imagen en sí es que la imagen proyectada en el visor no está estabilizada. Sin embargo, esto no es un problema en las cámaras que utilizan un visor electrónico (EVF), ya que la imagen proyectada en ese visor se toma del propio sensor de imagen. De manera similar, la imagen proyectada en un sistema de enfoque automático por detección de fase que no es parte del sensor de imagen, si se usa, no se estabiliza.
Algunos cuerpos de cámara capaces de estabilización en el cuerpo, pero no todos, pueden preconfigurarse manualmente a una distancia focal determinada. Su sistema de estabilización corrige como si la lente de distancia focal estuviera conectada, por lo que la cámara puede estabilizar lentes más antiguas y lentes de otros fabricantes. Esto no es viable con lentes con zoom, porque su distancia focal es variable. Algunos adaptadores comunican información de distancia focal del fabricante de una lente al cuerpo de otro fabricante. Algunas lentes que no informan su distancia focal pueden tener un chip agregado a la lente, que informa una distancia focal preprogramada al cuerpo de la cámara. A veces, ninguna de estas técnicas funciona y la estabilización de imagen simplemente no se puede utilizar con tales lentes.
La estabilización de imagen en el cuerpo requiere que la lente tenga un círculo de imagen de salida más grande porque el sensor se mueve durante la exposición y, por lo tanto, usa una parte más grande de la imagen. En comparación con los movimientos de la lente en los sistemas ópticos de estabilización de imagen, los movimientos del sensor son bastante grandes, por lo que la efectividad está limitada por el rango máximo de movimiento del sensor, donde una lente típica moderna estabilizada ópticamente tiene mayor libertad. Tanto la velocidad como el rango del movimiento requerido del sensor aumentan con la distancia focal del objetivo que se utiliza, lo que hace que la tecnología de cambio de sensor sea menos adecuada para teleobjetivos muy largos, especialmente cuando se utilizan velocidades de obturación más lentas, debido a que el rango de movimiento disponible del sensor rápidamente se vuelve insuficiente para hacer frente al creciente desplazamiento de la imagen.
Doble
Comenzando con la Panasonic Lumix DMC-GX8 , anunciada en julio de 2015, y posteriormente en la Panasonic Lumix DC-GH5 , Panasonic, que anteriormente solo equipaba la estabilización basada en lentes en su sistema de cámara de lentes intercambiables (del estándar Micro Four Thirds ), presentó estabilización de cambio de sensor que funciona en conjunto con el sistema basado en lentes existente ("Dual IS").
Mientras tanto (2016), Olympus también ofreció dos lentes con estabilización de imagen que se pueden sincronizar con el sistema de estabilización de imagen integrado de los sensores de imagen de las cámaras Micro Four Thirds de Olympus ("Sync IS"). Con esta tecnología se puede lograr una ganancia de 6.5 f -stops sin imágenes borrosas. Esto está limitado por el movimiento de rotación de la superficie de la Tierra, que engaña a los acelerómetros de la cámara. Por lo tanto, dependiendo del ángulo de visión, el tiempo máximo de exposición no debe exceder 1 ⁄ 3 de segundo para tomas de teleobjetivo largas (con una distancia focal equivalente a 35 mm de 800 milímetros) y un poco más de diez segundos para tomas de gran angular (con una 35 mm de distancia focal equivalente a 24 milímetros), si el movimiento de la Tierra no es tomado en consideración por el proceso de estabilización de imagen.
En 2015, el sistema de cámara Sony E también permitió combinar sistemas de estabilización de imagen de lentes y cuerpos de cámara, pero sin sincronizar los mismos grados de libertad . En este caso, solo los grados de compensación independientes de la estabilización del sensor de imagen incorporado se activan para apoyar la estabilización de la lente.
Canon y Nikon ahora tienen cuerpos sin espejo de fotograma completo que tienen IBIS y también son compatibles con la estabilización basada en lentes de cada empresa. Los dos primeros cuerpos de Canon, la EOS R y RP , no tienen IBIS, pero la función se agregó para las R5 y R6 más recientes . Todos los cuerpos de montura Z de fotograma completo de Nikon (las versiones Z 6 , Z 7 y Mark II de ambas) tienen IBIS. Sin embargo, su APS-C Z 50 carece de IBIS.
Estabilización de imagen digital
La estabilización de imagen digital en tiempo real , también llamada estabilización de imagen electrónica (EIS), se usa en algunas cámaras de video. Esta técnica cambia la imagen electrónica de un fotograma a otro de video, lo suficiente para contrarrestar el movimiento. Utiliza píxeles fuera del borde del marco visible para proporcionar un búfer para el movimiento. Esta técnica reduce las vibraciones que distraen de los videos al suavizar la transición de un fotograma a otro. Esta técnica no afecta el nivel de ruido de la imagen, excepto en los bordes extremos cuando se extrapola la imagen. No puede hacer nada con el desenfoque de movimiento existente, lo que puede resultar en una imagen que aparentemente pierde el enfoque a medida que se compensa el movimiento.
Algunos fabricantes de cámaras fijas comercializaron sus cámaras con estabilización de imagen digital cuando en realidad solo tenían un modo de alta sensibilidad que usa un tiempo de exposición corto, produciendo imágenes con menos desenfoque de movimiento, pero más ruido. Reduce el desenfoque al fotografiar algo en movimiento, así como el movimiento de la cámara.
Otros ahora también usan el procesamiento de señal digital (DSP) para reducir el desenfoque en imágenes fijas, por ejemplo, subdividiendo la exposición en varias exposiciones más cortas en rápida sucesión, descartando las borrosas, realineando las sub-exposiciones más nítidas y sumándolas juntas, y usando el giroscopio para detectar el mejor momento para tomar cada fotograma.
Filtros de estabilización
Muchos sistemas de edición de video no lineales usan filtros de estabilización que pueden corregir una imagen no estabilizada rastreando el movimiento de píxeles en la imagen y corrigiendo la imagen moviendo el marco. El proceso es similar a la estabilización de imagen digital, pero dado que no hay una imagen más grande para trabajar con el filtro, recorta la imagen para ocultar el movimiento del marco o intenta recrear la imagen perdida en el borde mediante extrapolación espacial o temporal .
Los servicios en línea, incluido YouTube , también están comenzando a proporcionar ' estabilización de video como un paso de posprocesamiento después de que se carga el contenido. Esto tiene la desventaja de no tener acceso a los datos giroscópicos en tiempo real, pero tiene la ventaja de una mayor potencia de cálculo y la capacidad de analizar imágenes antes y después de un fotograma en particular.
CCD de transferencia ortogonal
Utilizado en astronomía, un CCD de transferencia ortogonal (OTCCD) en realidad desplaza la imagen dentro del propio CCD mientras se captura la imagen, según el análisis del movimiento aparente de las estrellas brillantes. Este es un raro ejemplo de estabilización digital para imágenes fijas. Un ejemplo de esto es el próximo telescopio de gigapíxeles Pan-STARRS que se está construyendo en Hawái.
Estabilización del cuerpo de la cámara
Una técnica que no requiere capacidades adicionales de ninguna combinación de cuerpo de cámara y lente consiste en estabilizar todo el cuerpo de la cámara externamente en lugar de utilizar un método interno. Esto se logra colocando un giroscopio en el cuerpo de la cámara, generalmente usando el soporte de trípode integrado de la cámara. Esto permite que el giroscopio externo (cardán) estabilice la cámara, y se usa típicamente en la fotografía desde un vehículo en movimiento, cuando no hay disponible una lente o cámara que ofrezca otro tipo de estabilización de imagen.
Una forma habitual de estabilizar cámaras en movimiento después de aprox. El año 2015 es mediante el uso de un estabilizador de cámara , como un cabezal de cámara remoto estabilizado. La cámara y la lente están montadas en un soporte de cámara controlado a distancia que luego se monta en cualquier cosa que se mueva, como sistemas de rieles, cables, automóviles o helicópteros. Un ejemplo de cabezal estabilizado a distancia que se utiliza para estabilizar cámaras de TV en movimiento que transmiten en vivo es el cabezal estabilizado de Newton.
Otra técnica para estabilizar el cuerpo de una cámara de video o imagen en movimiento es el sistema Steadicam , que aísla la cámara del cuerpo del operador mediante un arnés y un brazo de cámara con contrapeso.
Estabilizador de cámara
Un estabilizador de cámara es cualquier dispositivo u objeto que estabiliza externamente la cámara. Esto puede referirse a una Steadicam , un trípode , la mano del operador de la cámara o una combinación de estos.
En la fotografía de primeros planos, el uso de sensores de rotación para compensar los cambios en la dirección de apuntado resulta insuficiente. Mover, en lugar de inclinar, la cámara hacia arriba / abajo o hacia la izquierda / derecha en una fracción de milímetro se vuelve notable si está tratando de resolver detalles de tamaño milimétrico en el objeto. Los acelerómetros lineales en la cámara, junto con información como la distancia focal de la lente y la distancia enfocada, pueden alimentar una corrección secundaria en la unidad que mueve el sensor o la óptica, para compensar la vibración lineal y rotacional.
En ojos biológicos
En muchos animales, incluidos los seres humanos, el oído interno funciona como el análogo biológico de un acelerómetro en los sistemas de estabilización de imagen de la cámara, para estabilizar la imagen moviendo los ojos . Cuando se detecta una rotación de la cabeza, se envía una señal inhibitoria a los músculos extraoculares de un lado y una señal excitadora a los músculos del otro lado. El resultado es un movimiento compensatorio de los ojos. Normalmente, los movimientos oculares retrasan los movimientos de la cabeza en menos de 10 ms.