¿Por qué la estabilización de imagen tiene un límite?

Ahora que existe un estándar CIPA para medir la estabilización de imagen, cada vez más fabricantes están citando la eficiencia de su estabilización en paradas o medias paradas. Ayer, por ejemplo, Olympus lanzó su M.Zuiko 12-100mm F / 4 IS PRO que tiene estabilización de imagen incorporada y, combinado con estabilización en el cuerpo de 5 ejes presente en Olympus de gama alta sin espejo como el OM-D E-M5 Mark II proporciona 6,5 ​​paradas de estabilización de acuerdo con el estándar CIPA.

Eso parece una increíble cantidad de estabilización. ¡Comprender el significado de Stop significa que es posible disparar a 12 mm con velocidades de obturación de hasta 2.6s y a 100 mm con velocidades de 1 / 3s! Esto se calcula utilizando la regla general de 1 / efectivo-distancia focal. Aún así, incluso si esto se detiene por completo, seguiría siendo extremadamente impresionante.

Sin embargo, la pregunta es, si una estabilización puede estabilizarse durante tanto tiempo, ¿por qué se detiene allí? ¿Por qué no puede seguir haciendo lo que está haciendo y estabilizarse durante 5 o 10 segundos o más? ¿Qué hace que deje de funcionar después de un tiempo?

¿Qué hace que deje de funcionar después de un tiempo?

Supuesto educado: error .

Un sistema de estabilización de imagen es como la navegación por cálculo muerto , en el que se determina dónde se encuentra en función de lo que sabe sobre dónde se encontraba, su velocidad y los cambios de dirección.

Si está en un automóvil que viaja a 60 mph por 5 minutos, sabe que estará a unas 5 millas de donde comenzó. Es posible que se baje un poco si el automóvil se mueve realmente a 59 o 61 mph, pero terminará a poca distancia de su ubicación prevista, tan cerca. Pero, si intenta predecir dónde estará el automóvil después de una hora en lugar de solo 5 minutos, ese mismo pequeño error de 1 mph se acumulará durante ese período de tiempo más largo, y terminará una milla completa desde su ubicación esperada. Ese puede ser un error mayor de lo que estás dispuesto a aceptar.

Es lo mismo con un sistema de estabilización de imagen. La cámara no tiene un punto de referencia absoluto en el espacio: sus acelerómetros y giroscopios solo pueden medir el desplazamiento y la rotación relativos, y aunque son muy precisos, no son perfectos . Además, el hardware que mueve el sensor o el elemento de arrendamiento que mantiene la imagen estable tendrá algún error propio. Algunos errores también son inherentes a los sistemas IS activos debido al hecho de que el sistema tiene que detectar el movimiento antes de que pueda reaccionar, por lo que es probable que haya un retraso que haga que el sistema no siga el movimiento de la cámara a la perfección. Finalmente, es probable que ningún sistema IS pueda garantizar un registro perfecto de la imagen de esquina a esquina mientras compensa el movimiento de la cámara.

Todos estos errores se acumularán con el tiempo. Un buen sistema IS podría hacer que un dispositivo portátil de 10 s dispare mejor de lo que obtendría sin IS, pero no tanto como para que los fabricantes estén dispuestos a afirmar que es útil en una configuración de exposición tan larga.

En otras palabras: no deja de funcionar; solo llega a un punto donde no es lo suficientemente útil.

Sospecho que un problema principal es el error acumulado.

Ninguna medida es perfecta. Siempre hay un error. La estabilización de la imagen tiene que medir el movimiento relativo de la cámara y contrarrestarla.

Durante la exposición, se producen muchas mediciones. Cada uno se basa en el resultado del anterior. Esto significa que el error también se acumula. En algún momento, el error total se considera demasiado grande. Supongo que el estándar especifica que con algún umbral para el error total y la probabilidad de alcanzarlo después de un cierto período de tiempo.

Tiene razón en que si el movimiento fuera cíclico y nunca excediera los límites del recorrido máximo de los sistemas de estabilización, entonces debería poder durar indefinidamente. Pero si el movimiento está en la misma dirección a lo largo de un eje, el sistema finalmente alcanza el límite de su recorrido.

El límite principal es con respecto a la extensión del rango de movimiento que se puede acomodar antes de que el sistema de estabilización llegue al borde de su recorrido. Si un sistema de compensación puede seguir un movimiento en la misma dirección durante solo 3 ° antes de que llegue al final de su recorrido, cualquier movimiento que exceda de 1 ° por segundo significa que el sistema solo puede mantener la compensación durante 3 segundos como máximo.

Con la estabilización basada en el sensor, el problema se agrava cuando se usan lentes más largos porque requiere menos movimiento angular de una lente de mayor distancia focal para producir el mismo desenfoque que una lente de menor distancia focal. Una lente de 600 mm con un sistema de fotograma completo tiene un campo de visión diagonal de solo 4 °. ¡Un movimiento angular de 1 ° es equivalente a 1/4 (25%) de todo el marco! En contraste, una lente de 35 mm tiene un campo de visión diagonal de 63 °. Un movimiento de 1 ° solo equivale a 1/63 o menos del 1.6% de todo el cuadro.

Esa es la razón principal por la que, a medida que han comenzado a ofrecer lentes de mayor distancia focal, los fabricantes que usan la estabilización basada en la cámara también han comenzado a apoyarla con compensación basada en la lente. Los sistemas de estabilización basados ​​en lentes generalmente están muy cerca del centro de la lente, donde un movimiento muy pequeño puede afectar un cambio mucho más grande en el lugar donde se mueve el cono de luz proyectado donde golpea el sensor.

Según el propio Olympus, la rotación de la tierra les impide ir más allá de 6.5 paradas (y luego algo que ver con el giroscopio).

Leí esto en un artículo de hoy sobre PetaPixel , que ellos mismos lo sacaron de Amateur Photographic donde tuvieron una entrevista con el Subdirector de División de Olympus, Setsuya Kataoka:

La estabilización en el propio cuerpo proporciona 5,5 paradas, y Sync IS proporciona 6,5 ​​paradas con lentes OIS. 6.5 paradas es en realidad una limitación teórica en este momento debido a la rotación de la tierra que interfiere con los sensores giroscópicos.

Los números realmente no reflejan ningún tipo de límite duro, sino que reflejan una probabilidad . Podemos considerar el movimiento de la cámara al azar, por lo que cualquier toma tiene una posibilidadde ser borrosa por el movimiento de la cámara. Cuanto más larga sea la exposición, mayor es la posibilidad de que el batido se acumule lo suficiente como para estropear la imagen. La estabilización de imagen puede cancelar la mayor parte del movimiento bajo condiciones razonables, pero no todo, por razones que otros han explicado: los sensores de aceleración no son perfectos, los motores no reaccionan instantáneamente, hay límites físicos para el movimiento, El temblor restante de la cámara aún contribuye a la probabilidad de una imagen borrosa, solo que lo hace más lentamente porque hay menos. Si reclaman 6 paradas de mejora, significa que el desenfoque inducido por la sacudida se acumula 1 / 64o tan rápido en promediocon IS activado como lo hace con IS desactivado, pero cada disparo es diferente. Puedes tener buena suerte sin IS y mala suerte con ella. La prueba real para IS implica tomar una gran cantidad de disparos a velocidades de obturación variables con IS activado y desactivado, y comparar la fracción de imágenes aceptables o la cantidad promedio de desenfoque entre las dos poblaciones. Si cierto combo de cámara / lente obtiene una imagen aceptable el 90% del tiempo a 1 / 30s con IS desactivado, pero aún puede obtener una imagen aceptable el 90% del tiempo a 1s con IS activado, entonces ese es un punto de datos que muestra 5 paradas de mejora. Con muchos puntos de datos como ese, podemos resumir el rendimiento (o, si somos el departamento de marketing, elegir los mejores).

El fotógrafo y la cámara son esencialmente un sistema de circuito abierto. El fotógrafo da la entrada apuntando la cámara al sujeto, y la cámara no tiene medios para influir en esta entrada. Debido a esto, el error acumulado pronto abruma los datos de imagen útiles si se intenta estabilizar durante un período más largo.

Tenga en cuenta que en otras aplicaciones como la astronomía, los sistemas de posicionamiento se controlan directamente mediante el proceso de formación de imágenes, lo que hace que el sistema sea de circuito cerrado: el telescopio sigue al objeto que se dispara. Como resultado, los períodos de estabilización de varios segundos o incluso minutos no son desconocidos. Aquí hay un ejemplo de un telescopio diseñado para tomar imágenes de objetos tan débiles como de magnitud 24, que estabiliza la imagen por hasta 1 minuto:

Después de todo, hay una gran verdad en la respuesta de Paul, pero es poco probable que esas técnicas se apliquen a la fotografía en el corto plazo. Quizás algún día las cámaras tendrán neuro-interfaces para tomar el control de las manos del fotógrafo, pero las lentes con tiempos de estabilización de muchos segundos tendrán que esperar hasta entonces.

Sin embargo, la pregunta es, si una estabilización puede estabilizarse durante tanto tiempo, ¿por qué se detiene allí? ¿Por qué no puede seguir haciendo lo que está haciendo y estabilizarse durante 5 o 10 segundos o más? ¿Qué hace que deje de funcionar después de un tiempo?

Las diversas lentes Canon estabilizadas de imagen que tenía no pararon por completo el movimiento. Solo lo ralentizaron. Al observar el efecto en el visor, quedó claro que las exposiciones no pueden ser infinitas. Todos mis lentes IS estaban en el rango de 70-300 mm, el efecto posiblemente no sea tan obvio con lentes cortos que permiten exposiciones realmente bajas, pero sospecho que el resultado es similar.

Probablemente sea algo dudoso que la exposición de más de 2 segundos (incluso con una lente corta) salga muy bien muy a menudo.

Cuando una persona sostiene una cámara, tiene varios movimientos fundamentalmente diferentes involucrados. Difieren tanto en frecuencia como en magnitud. Los estabilizadores de imagen funcionan bien con los movimientos causados ​​por el temblor muscular, que son (relativamente hablando) de alta frecuencia y de pequeña magnitud. Eso funciona bien para exposiciones de hasta, digamos, una décima de segundo más o menos.

Con exposiciones de varios segundos, tiene diferentes tipos de movimientos con los que lidiar. Por ejemplo, la mayor parte de la parte superior de tu cuerpo se mueve un poco mientras respiras. Este movimiento es mucho más lento, pero también (en muchos casos) mucho más grande. Esto lleva a dos problemas. En primer lugar, es lo suficientemente lento como para que la mayoría de los acelerómetros no estén calibrados para medirlos muy bien. Segundo (y más difícil de manejar) los sistemas de estabilización típicos solo pueden moverse unos pocos milímetros más o menos. El movimiento de la respiración puede ser mucho mayor que eso.

Incluso quedarse completamente quieto durante varios segundos a la vez se vuelve difícil. Esto se vuelve particularmente obvio si intenta hacer una macro fotografía manual. Si está muy cerca (con una profundidad de campo mínima), a menudo es difícil quedarse quieto lo suficiente como para mantener un sujeto bien enfocado. Una vez más, los movimientos aquí son a menudo del orden de (por ejemplo) centímetros en lugar de los milímetros para los que los sistemas de estabilización pueden compensar bien.

En la práctica, cuando se requiere una precisión extrema, se recurre a sistemas anidados, donde dentro de un sistema estabilizado razonablemente preciso que está optimizado para amortiguar movimientos grandes, se coloca un sistema más sofisticado que puede compensar pequeñas fluctuaciones en los movimientos que son los residuos de primer sistema Y dentro de ese sistema, puede colocar otro, etc., etc. Los sistemas de estabilización de la cámara usan una capa, por lo que hay mucho margen de mejora (pero los costos probablemente serían prohibitivos).

Tales sistemas usan típicamente mecanismos de amortiguación pasivos y activos. Desea que la segunda capa esté aislada de la primera capa, por lo que hay un sistema de amortiguación pasiva que une las capas. También hay un sistema activo para compensar los movimientos. En un sistema en capas, esto se hace mejor midiendo el movimiento de la capa anterior y luego calculando la propagación a través del mecanismo de amortiguación para llegar a la compensación requerida.

El experimento LIGO es un buen ejemplo en el que dichos métodos se utilizan para obtener una compensación extremadamente precisa de las vibraciones.

Pregunta interesante, pero creo que algunas premisas están equivocadas.

Es posible disparar a 12 mm con velocidades de obturación de hasta 2.6 s

De Verdad? ¿El fotógrafo se quedará quieto durante 2.6 segundos?

Un sistema de estabilización de imagen física se basa en una propiedad física de la materia: la inercia.

Es como el truco de tirar de la tela sobre la mesa y dejar los platos solos.

Si de alguna manera está suelto, puede mover una pieza hasta cierto punto sin mover la otra pieza.

También están diseñados para algún tipo de frecuencias.

Un péndulo tiene una frecuencia para resonar. Si creas cierto equilibrio con una escoba al revés, estás aplicando este mismo principio. Pero necesita compensar a la velocidad adecuada.

Imagine ahora que desea replantear una imagen y el sistema de estabilización de imagen evita hacerlo. "Oh no, eso es una sacudida, ¡me quedaré en su lugar!".

Sí. Un telescopio grande tiene más masa y estoy seguro de que volver a enmarcar lleva más tiempo que una cámara de mano. Pero en una cámara de mano tiene algunos límites en la estabilización.

Por cierto, el otro dispositivo que proporciona una estabilización más larga se llama trípode. Y confíe en la masa de la Tierra.

Probablemente obtendré una buena cantidad de votos negativos nuevamente ... pero todas las respuestas anteriores son incorrectas desde el principio hasta el final. Y la respuesta ya está en tu pregunta:

Existe un estándar CIPA para medir la estabilización de imagen

Eso es todo. El concepto aquí es "marco de referencia": como existe un estándar, debe haber una forma de probar todas las cámaras de la misma manera y producir un número que sea un indicador válido, es decir, es "comparable" entre cámaras.

Prueba CIPA: cómo funciona

(y probablemente también pruebas internas antes de la estandarización CIPA)

Como "existe un estándar CIPA para medir la estabilización de la imagen", 5 paradas (p. Ej.) De estabilización son el resultado de una prueba estándar que mide en condiciones específicas cuánto se puede empujar la cámara antes de que suceda un determinado conjunto de cosas (es decir, bokeh degradación y desenfoque de movimiento).

_{Nota: hay al menos 50 páginas en el manual de procedimientos de prueba de estabilización de imagen CIPA. Y no los recuerdo a todos, ni tengo el cerebro para comprender cada aspecto de ellos (incluso si produzco software para plataformas de prueba de vibraciones :-D); La siguiente explicación es una gran simplificación: si alguien quiere entrar en detalles, puede leer el procedimiento por sí mismo, está disponible públicamente}

El estándar CIPA utiliza una plataforma vibratoria para probar la cámara. Esa es la magia

La cámara se coloca en una plataforma que produce vibraciones y apunta a una "imagen estándar"; la plataforma se apaga y se toma una foto de referencia. Luego se enciende la plataforma, se producen un conjunto de vibraciones, se toman muchas fotos a diferentes velocidades de obturación y el momento en que la cámara comienza a producir fotos malas es el momento en que el IS no puede corregir la exposición. Luego, imagine esa diferencia entre la velocidad de obturación inicial y la última buena, expresada en stop, es la cantidad de paradas que el sistema de estabilización de la cámara es capaz de manejar.

Además, hay un problema con la pregunta que planteó:

¡es posible disparar a 12 mm con velocidades de obturación de hasta 2.6s y a 100 mm con velocidades de 1 / 3s! Esto se calcula usando la regla general de 1 / distancia focal efectiva

¿Por qué no es posible disparar a 100 mm con una velocidad de obturación superior a 1/3? ¡Simple porque lo has impuesto tú mismo en el ejemplo! :-)

Si establece esa mano, puede disparar 100 mm a un máximo de 1 / 100s, y luego aplica 5 paradas y da como resultado 1 / 3s al máximo ... es porque hizo los cálculos, no porque el sistema de estabilización de imagen se apagará después de ¡1/3 de segundo, ni porque comenzará a funcionar mal después de ese tiempo! De hecho, los sistemas de estabilización de imagen se prueban (si no recuerdo mal) con exposiciones de hasta 32 segundos :-D

Usted establece el marco de referencia aquí, diciendo "Tomo la regla 1 / mm y aplicar el factor de parada", por lo que ve forzado a sí mismo en la esquina. ¿Qué pasa si alguien con una mano realmente firme puede disparar 100 mm a 1 segundo? ¿El sistema deja de funcionar después de 1 / 3s incluso para él porque no puede ir más de 100 mm a 1/100 de segundo?

La estabilización de la imagen está controlada por giroscopios MEMS. Si bien no tengo información completa sobre el uso de las cámaras, puedo trabajar hacia atrás. Comenzando con el hecho de que los giroscopios MEMS se utilizan para medir la rotación de la tierra en muchas universidades y centros de investigación. Estos giroscopios se utilizan en sensores. Cuando un giroscopio es empujado fuera de su eje, ejerce una fuerza para mantener su posición. Esta fuerza se puede medir. El procesamiento de esta medición se puede utilizar para determinar la fuerza de movimiento ejercida contra eso. En un sistema de estabilización, esto conduciría a una fuerza contraria para mantener la posición con las mediciones del giroscopio que controla el control de la fuerza contraria. A medida que la tierra gira, su presión de fuerza sobre el giroscopio le permite medirla. Noté que dijo una limitación teórica de 6.5 paradas. Una limitación teórica significa el máximo que se puede lograr sin errores y todo perfecto. Cuestiono su afirmación de que su cámara está en el límite teórico ya que eso nunca se logra. Siempre hay limitaciones físicas. No tengo sus matemáticas para esta declaración. Debe implicar la fuerza mínima a la que responde su sistema de cámara. Después de 6.5 paradas, la fuerza de la rotación de la tierra es mayor que este movimiento mínimo, en cuyo punto el sistema que no conocía el objeto al que apuntaba la cámara también se había movido, luego intentaría apuntar la cámara hacia donde todavía pensaba que el objeto fue. Luego, las matemáticas para cuando esto ocurriera involucraría el tamaño de píxel, los límites mínimos y máximos que puede corregir y mucho más involucrados con la óptica y la amortiguación incorporada en el sistema. Que incluye al humano que lo sostiene. Cuando una cámara cae desde un avión y se dispara de forma remota, no daría una imagen clara en 1 segundo mucho menos en tiempos más largos. Para las cámaras, sugeriría que la solución para esto sería un sensor de gran tamaño en la cámara para mover la parte del sensor de la que proviene la imagen, así como la óptica y el movimiento físico del sensor. Para hacer esto, necesitan un área de almacenamiento y leer continuamente el sensor que almacena la imagen en el área de almacenamiento y agrega a lo que ya está allí. Siento que esto es posible con un procesador dedicado y que permite un tiempo más largo para estabilizar la imagen. Sin embargo, todavía hay un límite. Por cierto, este tipo de sistema está en uso en algunos lugares donde los gastos no importan. Volviendo a la pregunta original, no indica en qué parte del mundo este es el límite. El límite puede ser menor en el ecuador y más en los polos. Además, la mayoría de las cámaras de hoy ofrecen más estabilización con lentes más largos y menos paradas con menos. Lo que vuelve a sus comentarios de 6.5 puntos sin referencia a la distancia focal ni al tiempo real. Tendería a pensar que esto es más un límite de los giroscopios múltiples que operan en diferentes planos y la interacción entre ellos, ya que es bastante fácil tener un giroscopio para determinar la orientación de la cámara en relación con la rotación de la Tierra y luego programar eso en el procesador de estabilización. Hay muchas matemáticas sobre esto en Internet en artículos sobre la medición de la rotación de la Tierra. Espero que esta sea una explicación sencilla en inglés de por qué hay limitaciones más allá de las cuales el sistema de giroscopio no puede ir. 5 paradas de comentarios sin referencia a la distancia focal ni al tiempo real. Tendería a pensar que esto es más un límite de los giroscopios múltiples que operan en diferentes planos y la interacción entre ellos, ya que es bastante fácil tener un giroscopio para determinar la orientación de la cámara en relación con la rotación de la Tierra y luego programar eso en el procesador de estabilización. Hay muchas matemáticas sobre esto en Internet en artículos sobre la medición de la rotación de la Tierra. Espero que esta sea una explicación sencilla en inglés de por qué hay limitaciones más allá de las cuales el sistema de giroscopio no puede ir. 5 paradas de comentarios sin referencia a la distancia focal ni al tiempo real. Tendería a pensar que esto es más un límite de los múltiples giroscopios que operan en diferentes planos y la interacción entre ellos, ya que es bastante fácil tener un giroscopio para determinar la orientación de la cámara en relación con la rotación de la Tierra y luego programar eso en el procesador de estabilización. Hay muchas matemáticas sobre esto en Internet en artículos sobre la medición de la rotación de la Tierra. Espero que esta sea una explicación sencilla en inglés de por qué hay limitaciones más allá de las cuales el sistema de giroscopio no puede ir. Tendería a pensar que esto es más un límite de los giroscopios múltiples que operan en diferentes planos y la interacción entre ellos, ya que es bastante fácil tener un giroscopio para determinar la orientación de la cámara en relación con la rotación de la Tierra y luego programar eso en el procesador de estabilización. Hay muchas matemáticas sobre esto en Internet en artículos sobre la medición de la rotación de la Tierra. Espero que esta sea una explicación sencilla en inglés de por qué hay limitaciones más allá de las cuales el sistema de giroscopio no puede ir. Tendería a pensar que esto es más un límite de los múltiples giroscopios que operan en diferentes planos y la interacción entre ellos, ya que es bastante fácil tener un giroscopio para determinar la orientación de la cámara en relación con la rotación de la Tierra y luego programar eso en el procesador de estabilización. Hay muchas matemáticas sobre esto en Internet en artículos sobre la medición de la rotación de la Tierra. Espero que esta sea una explicación sencilla en inglés de por qué hay limitaciones más allá de las cuales el sistema de giroscopio no puede ir.

Sugeriría que tienes razón y que no hay un límite absoluto. Debe poder estabilizarse durante 10 minutos o dos horas.

Se ha mencionado el error acumulado en un sistema de control de circuito abierto que es el mecanismo de estabilización. Los sistemas de control abiertos pueden ir más allá de lo que se puede compensar. Se trata de sistemas de control para niños 101 y el problema se resolvió hace siglos en la ingeniería mecánica. Simplemente cierre el ciclo con comentarios.

Si piensa en las dos partes de una cámara, tiene una lente y un sensor. La lente (estabilizada) se mueve para cambiar lo que ve el sensor, y el sensor ve a lo que apunta la lente. Conecte los dos con un circuito de retroalimentación. Un procesador de señal digital debería ser capaz de bloquearse en un objetivo de imagen (después de todo, tenemos un seguimiento facial básico) y detectar si la imagen ha cambiado. El cambio se retroalimenta al control de movimiento de la lente y la lente se desplaza en la dirección opuesta. El truco estaría en detectar los cambios de nivel de píxeles. Es por eso que todavía no tenemos estos, pero nada de lo que he esbozado parece físicamente imposible. Mientras la lente apunte al objetivo con suficiente precisión, podrá exponer todo el día.

La razón por la que estoy seguro de que esto funcionará es que ya está hecho. Los telescopios en estos días tienen espejos activos / flexibles que ajustan constantemente sus geometrías para estabilizar la turbulencia atmosférica y las distorsiones de peso propio. También se fijan en un objetivo y lo rastrean.

No puedo esperar para comprar una lente que pueda estabilizarse por un día completo.