Jeśli Twój materiał filmowy czasami wygląda tak, jakby został nagrany podczas trzęsienia ziemi, to nie Twoja wina. Żadne wideo z ręki nie będzie idealnie stabilne; nawet zdjęcia wykonane na statywie mogą wywołać drgania podczas fotografowania z pełnym teleobiektywem. Ale możesz pozbyć się złych wibracji ze swoich programów, używając stabilizacji obrazu.
Systemy stabilizacji obrazu mogą znacznie zmniejszyć drgania obrazów; ale aby go użyć, musisz zainwestować w kamerę, która go zawiera. Zanim więc rozważysz zrobienie tego, będziesz chciał wiedzieć, jak dobrze działa stabilizacja obrazu, czy jest warta wydatku i jakie masz opcje przy wyborze systemu.
W tym artykule przyjrzymy się rodzajom i przyczynom drgań aparatu, dwóm bardzo różnym metodom ich kompensowania oraz innym sposobom całkowitego kontrolowania wibracji. Zacznijmy od przyczyn drgania aparatu.
Wszystko o drganiach aparatu
Obrazy wideo drżą, ponieważ kamera, która je nagrywała, poruszała się; to wystarczająco oczywiste. Ale różne rodzaje ruchu powodują różne rodzaje drgania.
Najczęstszą przyczyną ruchu jest po prostu ludzki układ mięśniowy. Trzymamy ręce nieruchomo poprzez napięcie między przeciwstawnymi zestawami mięśni, zginaczy i prostowników. Powoduje to ciągłe przeciąganie liny – efektem jest niewielki, ale ciągły ruch tam i z powrotem.
Aby to zademonstrować, wskaż jednym palcem słowo na tej stronie, a następnie zamknij jedno oko i obserwuj palec drugim. Zobaczysz, że nie da się powstrzymać palca przed nieznacznym przesunięciem w stosunku do słowa. To samo dzieje się, gdy trzymasz kamerę.
Drugą największą przyczyną drgania kamery jest przemieszczanie się z miejsca na miejsce. Za każdym razem, gdy robisz krok, wysyłasz przez swoje ciało małą falę uderzeniową, która powoduje lekkie odbicie tego, co widzisz. Nie zauważasz tego, ponieważ Twój mózg kompensuje nierówny obraz, ale Twoja bezmózga kamera sumiennie rejestruje obraz, który podskakuje przy każdym wstrząsającym kroku.
Ostatnim głównym źródłem drgań obrazu są wibracje, rezonans, który powoduje powtarzające się uderzenia w szybkich i regularnych odstępach czasu. Najczęstszym źródłem wibracji są maszyny – na przykład silnik samochodowy.
W niektórych okolicznościach możesz odczuwać dwa lub trzy rodzaje wstrząsów naraz. Na przykład, gdy trzymasz się za rękę w poruszającym się pojeździe, musisz jednocześnie radzić sobie z rywalizującymi mięśniami, wybojami na drodze i wibracjami silnika.
Ważne jest zrozumienie różnych rodzajów ruchu. Czemu? Ponieważ, aby działać dobrze, systemy stabilizacji obrazu wykorzystują różne metody tłumienia różnych rodzajów drgań. Jak wkrótce zobaczymy, ich kontrolujące mikroczipy są bardziej skuteczne w wykrywaniu i kompensowaniu pewnych częstotliwości i amplitud ruchu. Innymi słowy, prawdopodobieństwo, że niechciany ruch znajdzie się w Twoim filmie, zależy od tego, jak często się to dzieje i jak silny jest.
Najczęstsze częstotliwości drgań to od 1 do 20 na sekundę. Zazwyczaj nieznaczne drżenie dłoni i ramion spadnie od trzech do pięciu cykli na sekundę (cps). Rozstrojony silnik samochodu próżnuje przy 1200 obr./min. będzie wibrować z prędkością 20 znaków na sekundę (zakładając jeden cykl wibracji na obrót silnika).
Praktyczne konsekwencje
Rodzaj potrząsania kamerą wpływa na rodzaj występujących drgań obrazu. Powolny, lekki ruch ramion powoduje łagodne drgania, które nie zawsze są nieprzyjemne. Bardzo szybkie, regularne wibracje sprawią, że cały obraz będzie wydawał się nieostry. W międzyczasie wyboisty spacer lub przejażdżka może wywołać nieregularny ruch kołysania, który może wywołać u niektórych widzów mdłości.
Wpływ na obraz zależy również od ogniskowej, przy której ustawiony jest obiektyw kamery. Przy ekstremalnie szerokim kącie większość drgań aparatu jest akceptowalna lub nawet niezauważalna. Ale przy pełnym teleobiekcie powiększasz ruch aparatu wraz z obiektem. Jeśli kiedykolwiek próbowałeś trzymać się za rękę podczas meczu piłki nożnej lub baseballu z daleka, wiesz, że wyniki mogą wyglądać tak, jakbyś kręcił taśmą z łodzi wiosłowej na wzburzonym morzu.
Na drgania kamery wpływa jeszcze jeden czynnik:waga i konstrukcja kamery. Wszystkie inne rzeczy są równe, cięższe pełnowymiarowe kamery VHS są zwykle bardziej stabilne niż ich kuzyni VHS-C i 8 mm. Powód:prosta bezwładność. Im większy ciężar, tym więcej siły potrzeba, aby go przenieść.
W dziale projektowym łatwiej jest utrzymać stabilność kamer, które pozwalają użytkownikom trzymać je z dala od twarzy. Twoje dłonie i ramiona mogą działać jak amortyzatory, ale kostna obwódka wokół oka, którą dociskasz do wizjera, przenosi wszelkie wibracje z ciała na aparat. Z drugiej strony, gdy podczas filmowania przyciśniesz pełnowymiarową kamerę do policzka, solidny korpus jej korpusu zwiększa stabilność. Jest to jeden z powodów, dla których większość operatorów kamer ENG (elektroniczne zbieranie wiadomości) nadal preferuje pełnowymiarowe kamery.
Teraz, gdy zbadaliśmy rodzaje i cechy drgań aparatu, możemy przyjrzeć się, jak różni producenci próbują to zrekompensować. Istnieją dwa podstawowe podejścia:elektroniczne i optyczne.
Elektroniczna stabilizacja obrazu
Jak sama nazwa wskazuje, elektroniczna stabilizacja obrazu (EIS) zmniejsza drgania, manipulując obrazem elektronicznie. Oto jak działa EIS.
W kamerze wyposażonej w elektroniczną stabilizację obrazu obwód sterujący nie rejestruje pełnego obrazu docierającego do chipa wykrywającego światło kamery. Zamiast tego rejestruje około 90 procent powierzchni chipa. Gdy kamera jest nieruchoma, te 90 procent jest wyśrodkowane od lewej do prawej iz góry na dół, jak widać na rysunku 1a. [[[Rysunek 1]]]
Załóżmy teraz, że kamera szarpie się w lewo. To sprawia, że obraz przesuwa się na prawą stronę zarejestrowanej klatki, a rezultatem jest drżący obraz (rysunek 1b).
Ale jeśli kamera ma EIS, to wszystko się zmienia. Po uderzeniu w kamerę wykorzystana część obszaru odczytu obrazu na samym chipie przesuwa się elektrycznie w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu, aby skompensować wielkość ruchu, podążając w ten sposób za obiektem ujęcia (rysunek 1c).
Skąd kamera wie, kiedy i gdzie przesunąć nagraną część obrazu chipa? Analizując jeden z dwóch różnych rodzajów informacji:1) zmiany w samym obrazie; lub 2) zmiany położenia kamery. (Każda konkretna kamera używa tylko jednego z tych dwóch podejść).
Analiza obrazu. Jedną z metod wykrywania ruchu kamery jest użycie mikroczipa do analizy zmian z jednego pola obrazu na drugie. (Jak wiecie, jedna klatka wideo składa się z dwóch przeplecionych pól.) Obwody aparatu zawierają dwie „pamięci pola”, z których każda krótko przechowuje jedno pole. Oznacza to, że jedna pamięć przechowuje pole pierwsze, następnie pole trzecie, a następnie piąte. Drugi przechowuje dwa, cztery, a potem sześć – i tak dalej.
Zasadniczo mikroczip szuka ruchu, porównując wybrane obszary drugiego pola w każdej klatce z tymi samymi obszarami pierwszego pola. Oto, czego szuka:
- Jeśli obraz w niektórych obszarach różni się od pola a do pola b, ale obraz w innych nie, oznacza to, że porusza się obiekt, a nie kamera. Na przykład obiekt porusza się po kadrze, ale tło pozostaje nieruchome.
- Jeśli obraz we wszystkich obszarach różni się o tę samą wartość, oznacza to, że cały obraz się przesuwa – a to może oznaczać drgania aparatu.
Więc jeśli porównanie dwóch pól nie pokazuje jednorodnej zmiany, obwód EIS nic nie robi. Jeśli tak, chip analizuje kierunek ruchu i przesuwa aktywny segment CCD w przeciwnym kierunku. Kiedy obraz porusza się zygzakiem, zagina się dokładnie o tę samą wartość.
Zwróć uwagę na to, co powiedzieliśmy wcześniej:że jednolita zmiana w całym polu może oznaczać drgania aparatu. Czasami duże ilości ruchu mogą być spowodowane, jak się domyślacie, ruchem dużego obiektu. To wyjaśnia największą wadę większości systemów EIS - nie potrafią odróżnić ruchu kamery od ruchu obiektu, który wypełnia większość kadru.
Wykrywanie ruchu. Podczas gdy niektóre systemy EIS analizują zmiany obrazu z pola na pole, inne wykrywają i interpretują ruch samej kamery. Małe, czułe detektory ruchu zgłaszają każde fizyczne przesunięcie kamery. Ponieważ w ogóle nie analizują obrazu, czujniki ruchu nie dają się zwieść ruchowi obiektu.
Ale nadal mogą dać się oszukać. Co się stanie, jeśli kamera porusza się celowo — panoramowanie, przechylanie lub śledzenie? Co powstrzymuje jakikolwiek schemat EIS przed zniszczeniem swojego garbu, próbując skompensować duże ruchy kamery?
Ciepłe i rozmyte chipy komputerowe
„Logika rozmyta”, oto co. Logika rozmyta to specjalny rodzaj zestawu instrukcji, który umożliwia komputerowi zgadywanie. Normalnie komputer musi mieć absolutnie idealną sytuację „jeśli/to/inaczej”, aby mógł funkcjonować. Dla bardzo uproszczonego przykładu wyobraźmy sobie samochód sterowany komputerowo. Dzięki programowaniu komputer wie, że jeśli światło jest czerwone, to zatrzymaj samochód; jeśli światło jest inne, idź dalej. Na następnym skrzyżowaniu komputer mówi do czujnika na powierzchni:„Czy światło jest czerwone, czy nie?”
„Nie”, odpowiada czujnik, a samochód jedzie dalej.
Ale przy następnym skrzyżowaniu komputer pyta:„Czerwony czy nie?” Czujnik zgłasza:„Tu nie ma światła stop”.
„To nie jest czerwone”, mówi komputer i kieruje samochód prosto na wypadek.
Ale przy programowaniu logiki rozmytej komputer może zamiast tego odpowiedzieć:„Brak światła? W porządku, czy coś się zbliża na skrzyżowaniu?”
„Nie”.
„W takim razie prawdopodobnie będzie w porządku, więc zaryzykuję”.
W skrócie, logika rozmyta umożliwia komputerowi w obliczu niepewnych okoliczności wykonanie najlepszego ujęcia, które w kamerze jest stabilne. Jeśli cały obraz będzie się zmieniał równomiernie, chip uświadamia sobie, że jest to ruch kamery, a nie drgania, i nie próbuje tego kompensować.
Logika rozmyta jest również przydatna w wykrywaniu i kompensowaniu różnych rodzajów wstrząsów. Tutaj wracamy do częstotliwości i amplitudy. Analizując i identyfikując konkretny rodzaj wstrząsu, mikroczip może zoptymalizować jego kompensację.
Wczesne próby stabilizacji obrazu były ograniczone tym, że były skuteczne tylko w wąskim zakresie częstotliwości. System zoptymalizowany pod kątem ruchów ramion przy czterech lub pięciu cyklach na sekundę nie mógł reagować wystarczająco szybko na gwałtowne wibracje. Z drugiej strony system zaprojektowany do tłumienia wibracji miał tendencję do nadmiernego reagowania na wolniejsze ruchy.
Jednak w dzisiejszych systemach stabilizacji obwód sterujący jest w stanie precyzyjnie dostroić reakcję, aby dopasować ją do rodzaju wstrząsu.
Chociaż omawialiśmy czujniki ruchu, układy sterujące i logikę rozmytą w kontekście elektronicznej stabilizacji obrazu, dokładnie to samo dotyczy również stabilizacji optycznej. Ale jeśli wykrywanie i programowanie są zasadniczo takie same, kompensacja optyczna to zupełnie inne podejście.
Optyczna stabilizacja obrazu
Optyczna stabilizacja obrazu działa, zanim obraz dotrze do matrycy CCD, więc żadne regulacje elektroniczne nie są konieczne, a obraz może wypełnić 100% powierzchni chipa.
W rzeczywistości systemy optyczne wykonują swoją pracę, zanim obraz dostanie się do obiektywu kamery. Zasadniczo pomysł jest prosty:umieść pryzmat optyczny między sceną a soczewką, aby wygiąć przesunięty obraz z powrotem na środku.
Proste? Tak! Pryzmat załamuje światło tylko w jednej osi; ale drgania obrazu zmieniają się w nieskończoność zarówno w kierunku, jak i amplitudzie. Żaden pojedynczy pryzmat nie byłby w stanie zrekompensować wszystkich rodzajów kołczan i ósemek.
Tak więc inżynierowie z firmy Canon opracowali genialne rozwiązanie:„miękki” pryzmat, którego oś załamania zmienia się, gdy go zginasz. Aby stworzyć ten zmienny pryzmat, umieszczają dwa kawałki szkła optycznego z przerwą między nimi, otoczone plisowanym korpusem (patrz rysunek 2).
[[[Rysunek 2 tutaj]]]
Wypełniają przestrzeń między szklanymi elementami płynnym silikonem o bardzo wysokim współczynniku załamania światła.
Rozciągnięcie rurki akordeonu w dowolnym miejscu wokół jej obrzeża powoduje ściskanie jej po przeciwnej stronie, co zmienia kąt pomiędzy szklanymi elementami. Jeśli pomyślisz o tym jako o tarczy zegara, rozszerzenie obręczy na godzinie dziewiątej przechyla szkło w kierunku godziny trzeciej; rozszerzenie o godzinie dziesiątej przechyla szkło w kierunku godziny czwartej i tak dalej. Lekko rozszerz obręcz, aby uzyskać wąski kąt; rozwiń go pełniej, aby uzyskać szerszy kąt.
Wynik:pryzmat, którego oś jest nieskończenie zmienna w zakresie 360 stopni i którego kąt załamania jest również zmienny. W praktyce oznacza to, że niezależnie od kierunku odchylenia obrazu, pryzmat może skierować go z powrotem na środek CCD.
Aby zobaczyć, jak to działa, spójrz na rysunek 3.
[[[rysunek 3 tutaj]]]
Rysunek 3a przedstawia obraz mężczyzny i kobiety skierowany przez soczewkę na CCD. (Pamiętaj, że obiektywy kamkorderów są znacznie bardziej złożone niż ten prosty schemat). Na rysunku 3b obiektyw odchyla się nieznacznie w dół, więc obraz przesunął się w górę w kadrze i zmienił położenie na przetworniku CCD. Wynik pojawia się jako wstrząs obrazu.
Rysunek 3c pokazuje, co się dzieje po wstawieniu pryzmatu zmiennego Canona. Rozszerzając się u góry na tyle, aby skompensować przesunięcie obrazu, pryzmat załamuje obraz z powrotem do środka CCD. Dzięki temu obiekty nie przesuwają się względem kadru, a drgania obrazu są skutecznie niwelowane.
Krótka podróż w bok
Zaprojektowany w celu kompensacji drgań aparatu, zarówno systemy elektroniczne, jak i optyczne próbują cofnąć jego efekty po ich wystąpieniu. Inne podejście do stabilizacji:przede wszystkim zapobiegaj drganiom aparatu. Zamiast stabilizować obraz, ta metoda ma na celu ustabilizowanie samej kamery.
Najbardziej znanym stabilizatorem aparatu jest Steadicam firmy Cinema Products, pomysłowo wykorzystujący system sprężynowych ramion, który tłumi ruchy aparatu. Pełnowymiarowe uprzęże Steadicam do pracy przy filmach są tak duże, że operatorzy je noszą. I chociaż rezultaty mogą być spektakularne – pływanie z aktorem przez drzwi, w górę trzy kondygnacje schodów, w wąskim korytarzu i przez kolejne drzwi – wymagają one znacznej siły i zręczności do działania, a także mnóstwa praktyki.
Steadicam kompensuje ogromne drgania kamery, takie jak podczas wbiegania po schodach. To zupełnie inna liga niż stabilizatory obrazu w aparatach, mające kompensować drżenie rąk.
Jednak w ostatnich latach Steadicam JR stał się popularną metodą stabilizacji. Zaprojektowany dla kamer ważących poniżej czterech funtów, Steadicam JR działa poprzez unoszenie ciężaru kamery na ramieniu egzoszkieletu trzymanym przez operatora. To izoluje kamerę od ruchów operatora.
Chociaż Steadicamy są w rzeczywistości aparatami, a nie stabilizatorami obrazu, uwzględniliśmy je tutaj pokrótce ze względu na perspektywę, jaką oferują w odniesieniu do zalet i wad metod elektronicznych i optycznych.
Wady i zalety
Wszystkie trzy metody stabilizacji oferują mieszankę pozytywnych i negatywnych cech.
Elektroniczne systemy stabilizacji są kompaktowe, ponieważ nie zwiększają objętości obiektywu i są szybkie, ponieważ nie muszą niczego fizycznie poruszać. Całe podnoszenie ciężkich przedmiotów odbywa się elektronicznie, z bardzo dużą prędkością.
Z drugiej strony wiele systemów elektronicznych poświęca jakość obrazu, ponieważ wykorzystuje tylko 90 procent CCD. W rezultacie obraz musi zostać elektronicznie powiększony, aby wypełnić pozostałe 10 procent kadru, z nieuniknioną utratą ostrości.
Aby rozwiązać ten problem, producenci przechodzą obecnie na chipy oversize, których 90 procent powierzchni odpowiada 100 procentom konwencjonalnego chipa. Na przykład model JVC GR-SZ7 zapewnia bezstratną EIS dzięki przetwornikowi CCD, który zawiera 570 000 czujników!
Kolejnym problemem z niektórymi urządzeniami jest to, że ich skuteczność różni się znacznie w zależności od tłumionych częstotliwości.
Systemy stabilizacji optycznej nie wymagają drogich, nadwymiarowych przetworników CCD, ponieważ wykorzystują one cały obszar chipa. Modele, które widzieliśmy, takie jak kamera Canon ES1000 Hi8, oferują niezwykle spójne wyniki w szerokim zakresie częstotliwości wibracji. ES1000 skutecznie tłumi wibracje od 1 do ponad 20 cykli na sekundę; między 3 a 15 cps, jego kompensacja jest skuteczna w ponad 90%.
Aby mieć pewność, systemy optyczne płacą niewielką karę za wagę i masę. Przynajmniej teoretycznie nie mogą reagować tak szybko, jak systemy elektroniczne, ponieważ muszą poruszać fizycznymi komponentami swoich pryzmatów. Ale te wady są prawie niezauważalne w rzeczywistym użytkowaniu kamery.
Jeśli chodzi o Steadicam JR, efekty, które można dzięki niemu osiągnąć, są naprawdę niezwykłe — tak, jakby Twoja kamera leciała na grzbiecie pikującego ptaka. Z drugiej strony jest drogi jak akcesoria (około 400 USD, cena detaliczna). A nawet w swojej najmniejszej formie dodaje znacznego rozmiaru i objętości.
Ponadto niektórzy użytkownicy zgłaszają, że urządzenie ma swój własny niepokojący umysł, gdy próbujesz nim poruszać. Ale może uczciwiej byłoby powiedzieć, że opanowanie nawet najmłodszego Steadicam wymaga sporo praktyki.
Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie trzy systemy zwiększają lub zmniejszają wagę, koszt i złożoność zestawu wideo. Ale dobrą wiadomością jest to, że działają świetnie! Porównaj podobne materiały nagrane zarówno ze stabilizacją obrazu, jak i bez niej, a zobaczysz oczywistą różnicę. (Szczegółowy raport na temat stabilizowanych kamkorderów z testów polowych można znaleźć w artykule Robert J. Kerr’s Image Stabilizers w wydaniu Videomaker z sierpnia 1993 r.)
Genealogie stabilizatorów
Następne pytanie brzmi zatem, kto co robi? Gdzie szukać aparatu z elektroniczną stabilizacją – czy z systemem optycznym? Oto nieformalne zestawienie niektórych producentów i ich oferty produktów.
Elektroniczne systemy stabilizacji obrazu są dostępne w firmach Hitachi, JVC, Panasonic i Mitsubishi.
Canon opracował system optyczny; jego trzecie nowe i ulepszone wcielenie pojawia się w modelach takich jak wspomniany wcześniej ES1000.
Jeśli chodzi o Sony, cóż, musisz sprawdzić każdy model aparatu, ponieważ ten producent sprzedaje trzy różne systemy:
- Jednostki o skromniejszej cenie wykorzystują EIS z klasycznym elektronicznym systemem analizy obrazu w terenie.
- Ulepszaj sposoby, znajdziesz modele takie jak Hi8 TR400. Nadal korzysta z EIS, ale z czujnikami ruchu kamery zamiast analizy pola.
- Tam w białym krawacie i ogonach jest Sony Hi8 TR700, który wykorzystuje prawdziwą stabilizację optyczną na licencji firmy Canon.
I jakby to nie było wystarczająco mylące:system optyczny Sony jest uważany za pierwszą generację Canona, podczas gdy sam Canon jest do wersji trzeciej, jak wspomniano powyżej.
Kto tego potrzebuje?
Kiedy wszystko zostało powiedziane i zrobione, czy naprawdę potrzebujesz stabilizacji obrazu?
Krótka odpowiedź:jeśli robisz dużo filmów sportowych lub przyrodniczych - lub cokolwiek innego, jeśli o to chodzi, gdy zaparkujesz obiektyw w pełnym teleobiekcie i trzymasz go tam - idź na stabilizację. Poprawa stabilności obrazu będzie dramatyczna.
Jeżeli Twoje dłonie są po prostu nieco niepewne (i zwróć uwagę, większość z nas nie urodziła się jako neurochirurg), prawdopodobnie będziesz konsekwentnie korzystać ze stabilizacji obrazu przy wszystkich ogniskowych obiektywu.
W przeciwnym razie sprawdź to. W zaprzyjaźnionym sąsiedzkim sklepie wideo podłącz stabilną kamerę do dużego monitora, ustaw obiektyw zmiennoogniskowy na pełny teleobiektyw i pobaw się systemem. Następnie wyłącz stabilizację obrazu i sprawdź różnicę na monitorze.
Jeśli zdecydujesz się na elektroniczny schemat analizy pola, sprawdź, czy wybrana kamera ma ponadwymiarowy przetwornik CCD, aby nie rezygnować z rozdzielczości.
To byłaby ironia losu, prawda, gdybyś musiał stracić jakość obrazu w jednym dziale, aby zyskać go w innym?
Redaktor współpracujący z filmowcem, Jim Stinson, tworzy filmy przemysłowe, uczy profesjonalnej produkcji wideo i pisze kryminały.