Por que a estabilização de imagem tem um limite?

Agora que existe um padrão CIPA para medir a estabilização de imagem, cada vez mais fabricantes estão citando a eficiência de sua estabilização em paradas ou semi-paradas. Ontem, por exemplo, a Olympus lançou seu M.Zuiko 12-100mm F / 4 IS PRO, que possui estabilização de imagem embutida e, combinado com estabilização no corpo de 5 eixos, presente no Olympus topo de gama, como o OM-D O E-M5 Mark II fornece 6,5 paradas de estabilização de acordo com o padrão CIPA.

Isso parece uma quantidade incrível de estabilização. Compreender o significado de Stop , significa que é possível fotografar a 12 mm com velocidades de obturador de até 2,6 s e a 100 mm com velocidades de 1 / 3s! Isso é calculado usando a regra prática 1 / distância focal efetiva. Ainda assim, mesmo que isso aconteça por uma parada inteira, permaneceria extremamente impressionante.

A questão é, se uma estabilização pode se estabilizar por tanto tempo, por que pára por aí? Por que não pode continuar fazendo o que está fazendo e estabilizar por 5 ou 10s ou mais? O que o faz parar de funcionar depois de um tempo?

O que o faz parar de funcionar depois de um tempo?

Suposição educada: erro .

Um sistema de estabilização de imagem é como navegação por acerto de contas , no qual você descobre onde está com base no que sabe sobre onde estava, sua velocidade e mudanças de direção.

Se você estiver em um carro viajando a 100 km / h por 5 minutos, sabe que estará a cerca de 8 km de onde começou. Você pode sair um pouco se o carro estiver realmente se deslocando a 59 ou 61 km / h, mas acabará a uma curta distância do local previsto, tão perto o suficiente. Mas, se você tentar prever onde o carro estará depois de uma hora em vez de apenas 5 minutos, o mesmo pequeno erro de 1 mph se acumulará durante esse período mais longo e você terminará a milha a partir do local esperado. Esse pode ser um erro maior do que você deseja aceitar.

É a mesma coisa com um sistema de estabilização de imagem. A câmera não tem um ponto de referência absoluto no espaço - seus acelerômetros e giroscópios só podem medir o deslocamento e a rotação relativos, e embora sejam muito precisos, não são perfeitos . Além disso, o hardware que move o sensor ou o elemento de concessão que mantém a imagem estável terá algum erro próprio. Alguns erros também são inerentes aos sistemas IS ativos, devido ao fato de o sistema ter que detectar movimento antes que possa reagir; portanto, existe um atraso que faz com que o sistema não rastreie perfeitamente o movimento da câmera. Por fim, é provável que nenhum sistema de IS possa garantir o registro perfeito de imagens canto a canto enquanto compensa o movimento da câmera.

Todos esses erros serão acumulados ao longo do tempo. Um bom sistema de IS pode ser capaz de tirar uma foto de 10 s do computador de mão melhor do que você obteria sem o IS, mas não tanto que os fabricantes estão dispostos a afirmar que é útil em uma configuração de exposição tão longa.

Em outras palavras: não para de funcionar; apenas chega a um ponto em que não é suficientemente útil.

Suspeito que um dos principais problemas seja o erro acumulado.

Nenhuma medida é perfeita. Sempre há um erro. A estabilização da imagem deve medir o movimento relativo da câmera e combatê-lo.

Durante a exposição, muitas medições ocorrem. Cada um se baseia no resultado do anterior. Isso significa que o erro também ocorre. Em algum momento, o erro total é considerado muito grande. Eu acho que o padrão especifica isso com algum limite para o erro total e a probabilidade em que é atingido após um certo período de tempo.

Você está certo de que, se o movimento for cíclico e nunca exceder os limites do curso máximo dos sistemas de estabilização, ele poderá durar indefinidamente. Mas se o movimento estiver na mesma direção ao longo de um eixo, o sistema atingirá o limite de seu deslocamento.

O limite principal refere-se à extensão da amplitude de movimento que pode ser acomodada antes que o sistema de estabilização atinja o limite de seu deslocamento. Se um sistema de compensação puder acompanhar um movimento na mesma direção por apenas 3 ° antes de chegar ao final de seu percurso, qualquer movimento acima de 1 ° por segundo significa que o sistema só pode manter a compensação por no máximo 3 segundos.

Com a estabilização baseada em sensor, o problema é agravado ao usar lentes mais longas, pois é necessário menos movimento angular de uma lente de maior distância focal para produzir o mesmo desfoque que uma lente de menor distância focal. Uma lente de 600 mm com um sistema de quadro completo possui um FoV diagonal de apenas cerca de 4 °. Um movimento angular de 1 ° é equivalente a 1/4 (25%) de todo o quadro! Por outro lado, uma lente de 35 mm possui um FoV diagonal de 63 °. Um movimento de 1 ° é apenas equivalente a 1/63 ou menos que 1,6% de todo o quadro.

Essa é a principal razão pela qual, ao começarem a oferecer lentes de distância focal mais longa, os fabricantes que usam a estabilização baseada em câmera também começaram a apoiá-la também com compensação baseada em lente. Os sistemas de estabilização baseados em lentes geralmente estão muito próximos do centro da lente, onde um movimento muito pequeno pode afetar uma mudança muito maior no ponto em que o cone de luz projetado se move onde atinge o sensor.

De acordo com a própria Olympus, a rotação da Terra os impede de ultrapassar 6,5 pontos (e depois algo a ver com o giroscópio).

Eu li isso em um artigo publicado hoje na PetaPixel , que foi retirado da Amateur Photographic, onde eles tiveram uma entrevista com o gerente da divisão adjunto da Olympus, Setsuya Kataoka:

A própria estabilização do corpo fornece 5,5 pontos e o Sync IS dá 6,5 pontos com lentes OIS. 6,5 paradas é atualmente uma limitação teórica no momento devido à rotação da terra interferindo nos sensores giroscópicos.

Os números realmente não refletem nenhum tipo de limite rígido, eles refletem uma probabilidade . Podemos considerar a trepidação da câmera efetivamente aleatória, para que qualquer foto tenha uma chancede ser borrado pela trepidação da câmera. Quanto maior a exposição, maior a chance de que a trepidação seja suficiente para estragar a imagem. A estabilização de imagem pode cancelar a maior parte da trepidação em condições razoáveis, mas não todas, por razões que outros explicaram - os sensores de aceleração não são perfeitos, os motores não reagem instantaneamente, há limites físicos para o movimento, etc. O pouco restante da trepidação da câmera ainda contribui para a probabilidade de uma imagem borrada, mas é mais lenta porque há menos. Se eles estão reivindicando 6 paradas de melhoria, significa que o desfoque induzido por vibração acumula 1/64 da velocidade mais rápida, em médiacom IS ligado, como acontece com IS desligado, mas cada foto é diferente. Você pode ter boa sorte sem o EI e azar com isso. O teste real para IS envolve tirar um grande número de fotos em velocidades variadas do obturador com IS ligado e desligado, e comparar a fração de imagens aceitáveis ou a quantidade média de desfoque entre as duas populações. Se uma certa combinação de câmera / lente obtiver uma imagem aceitável 90% do tempo a 1 / 30s com o IS desativado, mas ainda conseguir uma imagem aceitável 90% do tempo a 1s com o IS ativado, esse é um ponto de dados mostrando 5 paradas de melhoria. Com muitos pontos de dados como esse, podemos resumir o desempenho (ou, se formos o departamento de marketing, escolher os melhores).

O fotógrafo e a câmera são essencialmente um sistema de loop aberto. O fotógrafo fornece a entrada apontando a câmera para o assunto, e a câmera não tem meios de influenciar essa entrada. Por esse motivo, o erro acumulado logo sobrecarrega os dados úteis da imagem se tentar estabilizar por um período mais longo.

Observe que em outras aplicações como astronomia, os sistemas de posicionamento são diretamente controlados pelo processo de geração de imagens, tornando o sistema em circuito fechado: o telescópio segue o objeto que está sendo filmado. Como resultado, períodos de estabilização de vários segundos ou até minutos não são inéditos. Aqui está um exemplo de um telescópio projetado para tirar fotos de objetos tão fracos quanto a magnitude 24, que estabiliza a imagem por até 1 minuto:

Afinal, existe uma certa verdade na resposta de Paulo, mas é improvável que essas técnicas sejam aplicadas à fotografia tão cedo. Talvez um dia as câmeras tenham neuro-interfaces para controlar as mãos dos fotógrafos, mas as lentes com tempos de estabilização de muitos segundos terão que esperar até lá.

A questão é, se uma estabilização pode se estabilizar por tanto tempo, por que pára por aí? Por que não pode continuar fazendo o que está fazendo e estabilizar por 5 ou 10s ou mais? O que o faz parar de funcionar depois de um tempo?

As várias lentes estabilizadas da Canon que eu tinha não pararam completamente o movimento. Eles apenas diminuíram a velocidade. Observando o efeito no visor, ficou claro que as exposições não podem ser infinitas. Todas as minhas lentes IS estavam na faixa de 70 a 300 mm, o efeito possivelmente não é tão óbvio com lentes curtas que permitem exposições realmente baixas, mas suspeito que o resultado seja semelhante.

Provavelmente é um pouco duvidoso que a exposição de mais de 2 segundos (mesmo com uma lente curta) saia muito bem com muita frequência.

Quando uma pessoa está segurando uma câmera, você tem vários movimentos fundamentalmente diferentes envolvidos. Eles diferem em frequência e magnitude. Os estabilizadores de imagem funcionam bem com movimentos causados ​​por tremor muscular, que são (relativamente falando) altos em frequência e pequenos em magnitude. Isso funciona bem para exposições de, digamos, um décimo de segundo ou mais.

Com exposições de vários segundos, você tem tipos diferentes de movimentos para lidar. Por exemplo, a maior parte do seu corpo se move um pouco enquanto você respira. Esse movimento é muito mais lento, mas também (em muitos casos) muito maior. Isso leva a dois problemas. Antes de tudo, é lento o suficiente para que a maioria dos acelerômetros não seja calibrada para medi-los muito bem. Segundo (e mais difícil de lidar), os sistemas de estabilização típicos podem se mover apenas alguns milímetros. O movimento da respiração pode ser muito maior que isso.

Mesmo ficar completamente parado por vários segundos de cada vez se torna difícil. Isso se torna particularmente óbvio se você tentar fotografar macro à mão. Se você estiver muito próximo (com profundidade de campo mínima), muitas vezes é difícil ficar parado o suficiente para manter o assunto bem focado. Novamente, os movimentos aqui são geralmente da ordem de (por exemplo) centímetros, em vez dos milímetros pelos quais os sistemas de estabilização normalmente podem compensar bem.

Na prática, quando extrema precisão é necessária, recorre-se a sistemas aninhados, onde, dentro de um sistema estabilizado razoavelmente preciso, otimizado para amortecer grandes movimentos, você coloca um sistema mais sofisticado que pode compensar pequenas flutuações nos movimentos que são resíduos do primeiro sistema. E dentro desse sistema, você pode colocar outro, etc. etc. Os sistemas de estabilização de câmera usam uma camada, para que haja muito espaço para melhorias (mas os custos provavelmente seriam proibitivos).

Esses sistemas geralmente usam mecanismos de amortecimento passivo e ativo. Você deseja que a segunda camada seja isolada da primeira camada, para que exista um sistema de amortecimento passivo que vincule as camadas. Existe também um sistema ativo para compensar os movimentos. Em um sistema em camadas, isso é feito melhor medindo o movimento da camada anterior e calculando a propagação através do mecanismo de amortecimento para obter a compensação necessária.

O experimento LIGO é um bom exemplo de como esses métodos são usados ​​para obter uma compensação extremamente precisa das vibrações.

Pergunta interessante, mas acho que algumas premissas estão erradas.

é possível fotografar a 12mm com velocidades de obturador de até 2.6s

Sério? O fotógrafo ficará parado por 2,6 segundos?

Um sistema de estabilização de imagem física depende de uma propriedade física da questão: inércia.

É como o truque de puxar o pano sobre a mesa e deixar a louça em paz.

Se, de alguma maneira, ele estiver frouxo, você poderá mover uma peça em certa medida sem movê-la.

Eles também são projetados para algum tipo de frequência.

Um pêndulo tem uma frequência para ressoar. Se você criar um equilíbrio com uma vassoura de cabeça para baixo, estará aplicando o mesmo princípio. Mas você precisa compensar na velocidade adequada.

Imagine agora que você deseja reformular uma imagem e o sistema de estabilização de imagem impede isso. "Oh não, isso é um tremor, eu vou ficar no lugar!".

Sim. Um grande telescópio tem mais massa e tenho certeza de que a reformulação leva mais tempo do que uma câmera portátil. Mas em uma câmera portátil, você tem alguns limites para a estabilização.

A propósito, o outro dispositivo que proporciona maior estabilização é chamado de tripé. E confie na massa da Terra.

Provavelmente vou receber um bom número de votos negativos novamente ... mas todas as respostas acima estão erradas do começo ao fim. E a resposta já está em sua pergunta:

existe um padrão CIPA para medir a estabilização de imagem

Isso é tudo. O conceito aqui é "quadro de referência": como existe um padrão, deve haver uma maneira de testar todas as câmeras da mesma maneira e produzir um número que seja um indicador válido, ou seja, "comparável" entre as câmeras.

Teste CIPA: como funciona

(e provavelmente testes internos antes da padronização da CIPA também)

Como "existe um padrão CIPA para medir a estabilização de imagem", 5 paradas (por exemplo) de estabilização são o resultado de um teste padrão que mede sob condições específicas quanto a câmera pode ser pressionada antes que um determinado conjunto de coisas aconteça (a saber, bokeh degradação e desfoque de movimento).

_{Nota: há pelo menos 50 páginas no manual de procedimentos de teste de estabilização de imagem CIPA. E não me lembro de todos eles, nem tenho o cérebro para entender todos os aspectos deles (mesmo que eu produza software para plataformas de teste de vibrações :-D); A explicação a seguir é uma grande simplificação excessiva; se alguém quiser entrar em detalhes, ele pode ler o procedimento sozinho, está publicamente disponível}

O padrão CIPA usa uma plataforma vibratória para testar a câmera. Essa é a mágica.

A câmera é colocada em uma plataforma que produz vibrações e direcionada para uma "imagem padrão"; a plataforma está desligada e é tirada uma foto de referência. Em seguida, a plataforma é ligada, um conjunto de vibrações é produzido, várias fotos são tiradas em velocidades diferentes do obturador, e no momento em que a câmera começa a produzir fotos ruins é o momento em que o IS não é capaz de corrigir a exposição. Então imagine que a diferença entre a velocidade inicial do obturador e a última boa, expressa em parada, é a quantidade de paradas que o sistema de estabilização da câmera é capaz de gerenciar.

Além disso, há um problema com a pergunta que você fez:

é possível fotografar a 12 mm com velocidade de obturador de até 2.6s e a 100mm com velocidade de 1 / 3s! Isso é calculado usando a regra prática 1 / distância focal efetiva

Por que não é possível filmar a 100 mm com velocidade do obturador superior a 1/3? Simples porque você mesmo o impôs no exemplo! :-)

Se você estabelecer esse handheld, poderá disparar 100 mm no máximo 1 / 100s e aplicar 5 paradas e isso resultará em 1 / 3s no máximo ... é porque você fez as contas, não porque o sistema de estabilização de imagem será desligado após 1/3 de segundo, nem porque começará a funcionar mal após esse período! De fato, os sistemas de estabilização de imagem são testados (se bem me lembro) com exposições de até 32 segundos :-D

Você define o quadro de referência aqui, dizendo "Eu pego a regra de 1 / mm e aplico o fator de parada", para que você se force no canto. E se alguém com uma mão realmente firme puder disparar com a mão 100mm a 1seg? O sistema para de funcionar após 1 / 3s, mesmo para ele, porque você não pode ir mais do que 100 mm a 1/100 de segundo?

A estabilização da imagem é controlada pelos giroscópios MEMS. Embora eu não tenha informações completas sobre o uso em câmeras, posso trabalhar para trás. Começando com o fato de que os giroscópios MEMS são usados ​​para medir a rotação da Terra em várias universidades e centros de pesquisa. Esses giroscópios são usados ​​em sensores. Quando um giroscópio é empurrado para fora de seu eixo, ele exerce uma força para manter sua posição. Essa força pode ser medida. O processamento dessa medição pode então ser usado para determinar a força de movimento exercida contra ela. Em um sistema de estabilização, isso levaria a uma força contrária para manter a posição com as medições do giroscópio controlando o controle da força contrária. À medida que a Terra gira, sua pressão de força no giroscópio permite que ela seja medida. Percebo que ele disse uma limitação teórica de 6,5 pontos. Uma limitação teórica significa o máximo que pode ser alcançado sem erros e tudo perfeito. Eu questiono sua afirmação de que a câmera deles está no limite teórico, pois isso nunca é alcançado. Sempre existem limitações físicas. Eu não tenho a matemática dele para esta afirmação. Deve envolver a força mínima a que seu sistema de câmera responde. Após 6,5 paradas, a força da rotação da Terra é maior do que esse movimento mínimo, no qual o sistema que não conhecia o objeto para o qual a câmera foi apontada também se moveu e tentaria apontar a câmera para onde achava que o objeto ainda estava. estava. Em seguida, a matemática para quando isso ocorresse envolveria o tamanho do pixel, os limites mínimo e máximo que ele pode corrigir e muito mais envolvido com a óptica e o amortecimento embutido no sistema. O que inclui o humano segurando-o. Como uma câmera caiu de um avião e disparada remotamente, não daria uma imagem nítida em 1 segundo muito menos em períodos mais longos. Para as câmeras, sugiro que a solução seja um sensor de tamanho grande na câmera para mover a parte do sensor da qual a imagem vem, bem como a óptica e o movimento físico do sensor. Para fazer isso, eles precisam de uma área de armazenamento e ler continuamente o sensor armazenando a imagem na área de armazenamento e adicionando ao que já está lá. Eu sinto que isso é possível com um processador dedicado e permitindo que a imagem possa ser estabilizada por mais tempo. No entanto, ainda há um limite. BTW, esse tipo de sistema está sendo usado em alguns lugares onde a despesa não importa. Voltando à pergunta original, ele não indica onde esse é o limite. O limite pode ser menor no equador e mais nos pólos. Atualmente, a maioria das câmeras hoje oferece mais estabilização com lentes mais longas e menos paradas com menos tempo. O que novamente volta ao seu comentário de 6,5 pontos, sem referência à distância focal nem ao tempo real. Eu tenderia a pensar que isso é mais um limite dos múltiplos giroscópios operando em planos diferentes e da interação entre eles, pois é fácil o suficiente ter um giroscópio para determinar a orientação da câmera em relação à rotação da Terra e depois programar isso. no processador de estabilização. Há muita matemática nisso na internet em artigos sobre como medir a rotação da Terra. Espero que esta seja uma explicação clara em inglês de por que existem limitações além das quais o sistema do giroscópio não pode ir. 5 para o comentário sem fazer referência à distância focal nem à hora real. Eu tenderia a pensar que isso é mais um limite dos múltiplos giroscópios operando em planos diferentes e da interação entre eles, pois é fácil o suficiente ter um giroscópio para determinar a orientação da câmera em relação à rotação da Terra e depois programar isso. no processador de estabilização. Há muita matemática nisso na internet em artigos sobre como medir a rotação da Terra. Espero que esta seja uma explicação clara em inglês de por que existem limitações além das quais o sistema do giroscópio não pode ir. 5 para o comentário sem fazer referência à distância focal nem à hora real. Eu tenderia a pensar que isso é mais um limite dos múltiplos giroscópios operando em planos diferentes e da interação entre eles, pois é fácil o suficiente ter um giroscópio para determinar a orientação da câmera em relação à rotação da Terra e depois programar isso. no processador de estabilização. Há muita matemática nisso na internet em artigos sobre como medir a rotação da Terra. Espero que esta seja uma explicação clara em inglês de por que existem limitações além das quais o sistema do giroscópio não pode ir. Eu tenderia a pensar que isso é mais um limite dos múltiplos giroscópios operando em planos diferentes e da interação entre eles, pois é fácil o suficiente ter um giroscópio para determinar a orientação da câmera em relação à rotação da Terra e depois programar isso. no processador de estabilização. Há muita matemática nisso na internet em artigos sobre como medir a rotação da Terra. Espero que esta seja uma explicação clara em inglês de por que existem limitações além das quais o sistema do giroscópio não pode ir. Eu tenderia a pensar que isso é mais um limite dos múltiplos giroscópios operando em planos diferentes e da interação entre eles, pois é fácil o suficiente ter um giroscópio para determinar a orientação da câmera em relação à rotação da Terra e depois programar isso. no processador de estabilização. Há muita matemática nisso na internet em artigos sobre como medir a rotação da Terra. Espero que esta seja uma explicação clara em inglês de por que existem limitações além das quais o sistema do giroscópio não pode ir.

Eu sugiro que você esteja correto e que não haja limite absoluto. Você deve conseguir estabilizar por 10 minutos ou duas horas.

Foi mencionado o erro acumulado em um sistema de controle de malha aberta que é o mecanismo de estabilização. Os sistemas de controle abertos podem ir além do que pode ser compensado. Trata-se de sistemas de controle para crianças 101 e o problema foi resolvido séculos atrás na engenharia mecânica. Basta fechar o loop com feedback.

Se você pensa nas duas partes da câmera, possui uma lente e um sensor. A lente (estabilizada) se move para alterar o que o sensor vê e o sensor vê para o que a lente está apontando. Conecte os dois com um loop de feedback. Um processador de sinal digital deve ser capaz de travar em um alvo de imagem (afinal, temos um rastreamento de rosto básico) e detectar se a imagem mudou. A mudança é então retornada ao controle de movimento da lente e a lente é deslocada na direção oposta. O truque seria detectar as mudanças de nível de pixel. É por isso que ainda não os temos, mas nada que descrevi parece fisicamente impossível. Desde que a lente aponte para o alvo com alguma precisão suficiente, você poderá expor o dia todo.

A razão pela qual estou confiante de que isso funcionará é que já foi feito. Atualmente, os telescópios têm espelhos ativos / flexíveis que ajustam constantemente suas geometrias para estabilizar a turbulência atmosférica e as distorções de peso próprio. Eles também travam em um alvo e o rastreiam.

Mal posso esperar para comprar uma lente que pode estabilizar por um dia inteiro.