Om dina bilder ibland ser ut som om du spelade in den under en jordbävning, är det inte ditt fel. Ingen handhållen video kommer att vara helt stabil; även bilder gjorda på ett stativ kan få skakningar när du fotograferar med helt tele. Men du kan förvisa dåliga vibbar från dina program genom att använda bildstabilisering.
Bildstabiliseringssystem kan avsevärt minska skakningarna i dina bilder; men för att använda en måste du investera i en videokamera som innehåller en. Så innan du överväger att göra det, vill du veta hur bra bildstabilisering fungerar, om det är värt kostnaden och vilka alternativ du har när du väljer ett system.
I den här artikeln kommer vi att titta på typerna och orsakerna till kameraskakning, de två mycket olika metoderna för att kompensera för det och ett helt annat sätt att kontrollera vibrationer. Låt oss börja med orsakerna till kameraskakningar.
Allt om kameraskakning
Videobilder skakar eftersom videokameran som spelade in dem rörde sig; det är uppenbart nog. Men olika typer av rörelser orsakar olika typer av ryckningar.
Den vanligaste orsaken till rörelse är helt enkelt det mänskliga muskelsystemet. Vi håller våra armar stilla genom spänningar mellan motsatta uppsättningar av muskler, flexorer och extensorer. Detta resulterar i en kontinuerlig dragkamp – effekten är en liten men konstant rörelse fram och tillbaka.
För att visa detta, peka ett finger mot ett ord på den här sidan, stäng sedan ena ögat och studera fingret med det andra. Du kommer att se att det är helt omöjligt att hålla fingret från att röra sig något i förhållande till ordet. Samma sak händer när du håller i en videokamera.
Den näst största orsaken till kameraskakning är rörelse från plats till plats. Varje gång du tar ett steg skickar du en liten stötvåg genom din kropp som får det du ser att studsa något. Du märker inte detta eftersom din hjärna kompenserar för den stötande bilden, men din hjärnlösa videokamera spelar plikttroget in en bild som hoppar för varje skakande steg.
Den sista stora källan till bildskakning är vibrationer, en resonans som orsakar upprepade stötar med snabba och regelbundna intervall. Den vanligaste källan till vibrationer är maskiner – till exempel en bilmotor.
I vissa fall kan du drabbas av två eller tre typer av skakningar samtidigt. När du till exempel håller i ett fordon i rörelse måste du klara av kämpande muskler, gupp på vägen och motorvibrationer samtidigt.
Det är viktigt att förstå de olika typerna av rörelser. Varför? För att fungera bra använder bildstabiliseringssystem olika metoder för att dämpa olika typer av skakningar. Som vi snart kommer att se är deras styrande mikrochips mer effektiva för att detektera och kompensera för vissa frekvenser och rörelseamplituder. Med andra ord, oddsen för att oönskad rörelse hittar in i din video beror på hur ofta det händer och hur starkt det är.
De vanligaste skakfrekvenserna ligger mellan en och 20 per sekund. Vanligtvis kommer en lätt hand-och-arm-darrning att falla mellan tre och fem cykler per sekund (c.p.s.). En urtrimmad bilmotor kör med vid 1 200 r.p.m. kommer att vibrera vid 20 c.p.s. (förutsatt en vibrationscykel per motorvarv).
Praktiska konsekvenser
Typen av videokameraskakning påverkar typen av bildflimmer som uppstår. Långsamma, lätta armrörelser skapar en mild vacklande som inte alltid är obehaglig. En mycket snabb, regelbunden vibration kommer att få hela bilden att verka ur fokus. Däremellan kan en ojämn promenad eller åktur skapa en oregelbunden slingrande rörelse som faktiskt kan göra vissa tittare illamående.
Effekten på bilden beror också på brännvidden som du ställer in kameralinsen på. Vid extrem vidvinkel är de flesta kameraskakningar acceptabelt eller till och med obemärkt. Men vid fullt telefoto förstorar du kamerarörelsen precis med motivet. Om du någonsin har försökt hålla i handen medan du täcker en fotbolls- eller basebollmatch på distans, vet du att resultaten kan se ut som om du tejpade från en roddbåt i tung sjö.
En annan faktor påverkar kameraskakning:videokamerans vikt och design. Allt annat lika tenderar tyngre VHS-videokameror i full storlek att vara stabilare än sina VHS-C- och 8 mm-kusiner. Anledningen:enkel tröghet. Ju mer vikt, desto mer kraft krävs för att flytta den.
På designavdelningen är videokameror som tillåter användare att hålla dem borta från ansiktet lättare att hålla stabila. Dina händer och armar kan fungera som stötdämpare, men den beniga kanten runt ögat du trycker mot sökaren överför varje vibration från din kropp till kameran. Å andra sidan, när du trycker en videokamera i full storlek mot kinden under fotografering, ökar den solida bålen stabiliteten. Detta är en anledning till att de flesta ENG-kameraoperatörer (elektronisk nyhetsinsamling) fortfarande föredrar kameraenheter i full storlek.
Så nu när vi har undersökt typerna och egenskaperna hos kameraskakning kan vi titta på hur olika tillverkare försöker kompensera för det. Det finns två grundläggande tillvägagångssätt:elektronisk och optisk.
Elektronisk bildstabilisering
Som namnet antyder minskar elektronisk bildstabilisering (EIS) skakning genom att manipulera bilden elektroniskt. Så här fungerar EIS.
I en videokamera utrustad med elektronisk bildstabilisering registrerar inte styrkretsen hela bilden som träffar kamerans ljusavkännande chip. Istället registrerar den cirka 90 procent av chipets yta. När kameran är stilla är den 90 procenten centrerad från vänster till höger och uppifrån och ned, som du kan se i figur 1a. [[[Figur 1]]]
Anta nu att kameran rycker åt vänster. Det gör att bilden flyttas till höger sida av den inspelade ramen och resultatet blir en skakig bild (Figur 1b).
Men om kameran har EIS så förändras saker och ting. När du stöter på kameran växlar den använda delen av bildavläsningsområdet på själva chippet elektriskt motsatt rörelseriktningen för att kompensera för mängden rörelse, och följer därigenom motivet för bilden (Figur 1c).
Hur vet kameran när och var den inspelade delen av chipbilden ska flyttas? Genom att analysera en av två olika typer av information:1) förändringar i själva bilden; eller 2) ändringar i videokamerans position. (Varje videokamera använder bara en av dessa två metoder.)
Bildanalys. En metod för att detektera kamerarörelser är att använda ett mikrochip för att analysera förändringar från ett bildfält till nästa. (Som ni vet består en videoram av två sammanflätade fält.) Kamerans kretsar inkluderar två "fältminnen", som vart och ett kortvarigt lagrar ett fält. Det vill säga, ett minne lagrar fält ett, sedan fält tre, sedan fem. De andra butikerna två, fyra och sedan sex – och så vidare.
I grund och botten letar mikrochippet efter rörelse genom att jämföra utvalda områden i det andra fältet i varje bildruta med samma områden i det första fältet. Så här letar den efter:
- Om bilden i vissa områden skiljer sig från fält a till fält b, men bilden i andra områden inte gör det, är det motivet som rör sig, inte kameran. Till exempel går motivet över ramen men bakgrunden förblir stilla.
- Om bilden i alla områden skiljer sig lika mycket betyder det att hela bilden förskjuts – och det kan innebära kameraskakning.
Så om jämförelsen av de två fälten inte visar enhetlig förändring, gör EIS-kretsen ingenting. Om den gör det analyserar chippet rörelsens riktning och flyttar det aktiva segmentet av CCD i motsatt riktning. När bilden sickrar, sackar den, med exakt samma mängd.
Observera vad vi sa tidigare:att en enhetlig förändring över hela fältet kan innebära kameraskakning. Ibland kan stora mängder rörelser orsakas av, du gissade rätt, rörelsen hos ett stort motiv. Detta förklarar den största nackdelen med de flesta EIS-system – de kan inte se skillnaden mellan kamerarörelse och rörelsen hos ett motiv som fyller större delen av bilden.
Rörelseavkänning. Där vissa EIS-system analyserar bildförändringar från fält till fält, känner andra av och tolkar själva kamerans rörelser. Små, känsliga rörelsedetektorer rapporterar varje fysiskt skift av videokameran. Eftersom de inte analyserar bilden alls, låter sig inte rörelsesensorer luras av motivets rörelser.
Men de kan fortfarande bli lurade. Vad händer om kameran rör sig med avsikt – panorering eller lutning eller spårning? Vad hindrar ett EIS-system från att slå sönder sin puckel och försöka kompensera för stora videokamerarörelser?
Varma och luddiga datorchips
"Oklar logik," det är vad. Fuzzy logic är en speciell typ av instruktionsuppsättning som gör att en dator kan gissa. Normalt måste en dator ha en helt perfekt "om/då/annars"-situation för att fungera. För ett mycket förenklat exempel, föreställ dig en bil som styrs av dator. Genom sin programmering vet datorn att om lampan lyser rött, stanna då bilen; om ljuset är annat, fortsätt. Vid nästa korsning talar datorn till en sensor på ytan, "Är ljuset rött eller inte?"
"Inte", svarar sensorn och bilen fortsätter.
Men vid nästa korsning frågar datorn:"Rött eller inte?" Sensorn rapporterar:"Det finns inget stoppljus här."
"Det är inte rött", säger datorn och den styr bilen rakt in i en olycka.
Men med suddig logisk programmering kan datorn istället svara:"Inget ljus? Okej, då närmar sig något på tvärgatan?”
“Nej.”
"Då är det förmodligen okej att gå, så jag riskerar det."
Suddig logik, kort sagt, gör det möjligt för en dator som ställs inför osäkra omständigheter att göra sitt bästa skott – vilket i en videokamera är ett stadigt skott. Om hela bilden fortsätter att förändras jämnt inser chipet att detta är kamerarörelse snarare än skakning, och det försöker inte kompensera.
Fuzzy logik är också användbar för att upptäcka och kompensera för olika typer av skakning. Här återgår vi till frekvens och amplitud. Genom att analysera och identifiera den speciella typen av shake kan mikrochippet optimera sin kompensation.
Tidiga försök till bildstabilisering begränsades av det faktum att de endast var effektiva inom ett smalt frekvensområde. Ett system optimerat för armrörelser med fyra eller fem cykler per sekund kunde inte reagera tillräckligt snabbt på snabba vibrationer. Å andra sidan tenderade ett system utformat för att dämpa vibrationer att överreagera på långsammare rörelser.
I dagens stabiliseringssystem kan dock styrkretsen finjustera responsen för att matcha typen av skakning.
Även om vi har diskuterat rörelsesensorer, kontrollchips och luddig logik i samband med elektronisk bildstabilisering, gäller exakt samma saker för optisk stabilisering också. Men om avkänningen och programmeringen är i huvudsak samma, är optisk kompensation ett helt annat tillvägagångssätt.
Optisk bildstabilisering
Optisk bildstabilisering fungerar innan bilden träffar CCD:n, så inga elektroniska justeringar behövs och bilden kan fylla 100 procent av chipytan.
Faktum är att optiska system gör sitt jobb innan bilden ens kommer in i videokamerans lins. I princip är idén enkel:placera ett optiskt prisma mellan scenen och linsen för att böja tillbaka den förskjutna bilden i mitten.
Enkelt? Suuure! Ett prisma bryter ljus längs bara en enda axel; men bildskakningar varierar oändligt i både riktning och amplitud. Inget enskilt prisma skulle möjligen kunna kompensera för alla typer av koger och kvarts.
Så ingenjörerna på Canon tog fram en genialisk lösning:ett "mjukt" prisma vars brytningsaxel ändras när du böjer det. För att skapa detta variabla prisma placerar de två bitar av optiskt glas med ett mellanrum mellan dem, omslutna av ett dragspelsveckat fat (se figur 2).
[[[Figur 2 här]]]
De fyller utrymmet mellan glaselementen med flytande kisel som har ett mycket högt brytningsindex.
Om du expanderar dragspelsröret när som helst runt dess kant komprimeras det på motsatt sida, vilket ändrar vinkeln mellan glaselementen. Om du tänker på det som en urtavla, lutar glaset mot klockan tre om du expanderar kanten vid niotiden; expanderar vid tiotiden lutar glaset mot klockan fyra och så vidare. Expandera fälgen något för en smal vinkel; expandera den mer fullständigt för en bredare vinkel.
Resultatet:ett prisma vars axel är steglöst variabel över 360 grader och vars brytningsvinkel också är variabel. Rent praktiskt betyder detta att oavsett hur en bild avböjer kan prismat rikta den tillbaka mot centrum av CCD:n.
För att se hur detta fungerar, titta på figur 3.
[[[figur 3 här]]]
Figur 3a visar bilden av en man och kvinna riktade av en lins på en CCD. (Kom ihåg att videokameralinser är mycket mer komplexa än det här enkla diagrammet.) I figur 3b böjs linsen något nedåt, så att bilden har flyttats upp i ramen och ändrat position på CCD:n. Resultatet visas som bildskakning.
Figur 3c visar vad som händer när du lägger in Canons variabla prisma. Genom att expandera upptill precis tillräckligt för att kompensera för bildförskjutningen bryter prismat bilden tillbaka till mitten av CCD:n. Som ett resultat av detta förskjuts inte motiven i förhållande till ramen, och bildskakningen avbryts effektivt.
En kort utflykt
Designade för att kompensera för kameraskakningar, både elektroniska och optiska system försöker ångra effekterna efter att de inträffat. Ett annat tillvägagångssätt för stabilisering:se till att kameraskakning inte inträffar i första hand. Istället för att stabilisera bilden försöker den här metoden att stabilisera själva videokameran.
Den mest kända kamerastabilisatorn är Steadicam från Cinema Products, en genialisk användning av fjäderarmssystem som dämpar kamerarörelser. Steadicam-selar i full storlek för filmarbete är så stora att operatörerna bär dem. Och även om resultaten kan vara spektakulära – att sväva med en skådespelare genom en dörr, uppför tre trappor, nedför en smal korridor och genom en annan dörröppning – kräver de avsevärd styrka och skicklighet för att fungera, tillsammans med mycket övning.
Steadicam kompenserar för massiva kameraskakningar som från att springa uppför trappor. Den är i en helt annan liga än kamerans bildstabilisatorer designade för att kompensera för skakiga händer.
Men de senaste åren har Steadicam JR blivit en populär metod för stabilisering. Steadicam JR är designad för kameror som väger mindre än fyra pund och fungerar genom att flyta kamerans vikt på en exoskelett gimblearm som hålls av operatören. Detta isolerar kameran från operatörens rörelser.
Även om Steadicams faktiskt är kamera snarare än bildstabilisatorer, har vi inkluderat dem kort här för perspektivet de erbjuder på för- och nackdelar med elektroniska och optiska metoder.
För- och nackdelar
Alla tre stabiliseringsmetoderna erbjuder en blandning av positiva och negativa egenskaper.
Elektroniska stabiliseringssystem är kompakta eftersom de inte tillför någon bulk till linsen och snabba eftersom de inte fysiskt behöver flytta någonting. Alla tunga lyft sker elektroniskt, i ultrahög hastighet.
På minussidan offrar många elektroniska system bildkvalitet eftersom de bara använder 90 procent av CCD:n. Som ett resultat måste bilden förstoras elektroniskt för att fylla de återstående 10 procenten av ramen, med oundviklig förlust av skärpa.
För att komma till rätta med detta problem går tillverkarna nu över till överdimensionerade chip, där 90 procent av ytan är lika med 100 procent av ett konventionellt chip. JVC-modellen GR-SZ7, till exempel, levererar förlustfri EIS tack vare en CCD som innehåller 570 000 sensorer!
Ett annat problem med vissa enheter är att deras effektivitet varierar avsevärt, beroende på vilka frekvenser som dämpas.
Optiska stabiliseringssystem kräver inte dyra överdimensionerade CCD:er eftersom de utnyttjar hela chipområdet. Modeller vi har sett, som Canon ES1000 Hi8-videokameran, har anmärkningsvärt konsekventa resultat över ett brett spektrum av vibrationsfrekvenser. ES1000 dämpar effektivt vibrationer från 1 till 20 plus cykler per sekund; mellan tre och 15 c.p.s. är dess kompensation över 90 procent effektiv.
För att vara säker betalar optiska system en liten straffavgift i vikt och bulk. Och åtminstone teoretiskt kan de inte svara lika snabbt som elektroniska system eftersom de måste flytta de fysiska komponenterna i sina prismor. Men dessa nackdelar är nästan omärkliga vid faktisk videokameraanvändning.
När det gäller Steadicam JR är effekterna du kan uppnå med den verkligen anmärkningsvärda – som om din videokamera körde på en svepande fågel. På den negativa sidan är det dyrt som tillbehör (cirka 400 $, gatupris). Och även i sin minsta form tillför den avsevärd storlek och bulk.
Också, vissa användare rapporterar att enheten har ett eget oroande sinne när du försöker flytta runt den. Men det kanske vore mer rättvist att säga att även den mest juniora Steadicam kräver en hel del övning för att bemästra.
Allmänt sett lägger alla tre systemen mer eller mindre vikt, kostnad och komplexitet till din videooutfit. Men den goda nyheten är att de fungerar utmärkt! Jämför liknande bilder tagna både med och utan bildstabilisering så ser du den uppenbara skillnaden. (För en djupgående rapport om fälttestning av stabiliserade videokameror, se Robert J. Kerr's Image Stabilizers i augusti 1993 Videomaker.)
Stabiliseringssläktforskning
Nästa fråga är då vem som tillverkar vad? Vart vänder man sig för en elektroniskt stabiliserad kamera – eller för en med optiskt system? Här är en informell sammanfattning av vissa tillverkare och deras produkterbjudanden.
Elektroniska bildstabiliseringssystem finns tillgängliga från Hitachi, JVC, Panasonic och Mitsubishi.
Canon utvecklade det optiska systemet; dess tredje nya och förbättrade inkarnation visas i modeller som ES1000 som nämndes tidigare.
När det gäller Sony, ja, du måste kolla in varje kameramodell, eftersom den här tillverkaren säljer tre olika system:
- Mer blygsamt prissatta enheter använder EIS med det klassiska elektroniska fältbildanalyssystemet.
- Uppskala på ett sätt, du hittar modeller som Hi8 TR400. Den använder fortfarande EIS, men med kamerarörelsesensorer istället för fältanalys.
- Där uppe i vit slips och svansar finns Sony Hi8 TR700, som använder äkta optisk stabilisering licensierad från Canon.
Och som om det inte vore tillräckligt förvirrande:Sonys optiska system rapporteras vara den första Canon-generationen, medan Canon själv är upp till version tre, som nämnts ovan.
Vem behöver det?
När allt är sagt och gjort, behöver du verkligen bildstabilisering?
Det korta svaret:om du gör mycket sport eller filmer med vilda djur – eller något annat, för den delen, där du parkerar ditt objektiv med fullt tele och håller det där – gå för stabilisering. Förbättringen av bildstabiliteten kommer att bli dramatisk.
Om dina händer bara naturligt är något ostadiga (och inse det, de flesta av oss föddes inte till att vara neurokirurger), kommer du förmodligen att dra konsekvent nytta av bildstabilisering vid alla objektivets brännvidder.
I annat fall, kolla upp det. I din trevliga videobutik, koppla upp en stabiliserad videokamera till en stor bildskärm, ställ in zoomobjektivet på fullt tele och lek med systemet. Stäng sedan av bildstabiliseringen och kolla skillnaden på monitorn.
Om du bestämmer dig för ett elektroniskt fältanalysschema, kontrollera att videokameran du väljer har en överdimensionerad CCD så att du inte offra upplösning.
Det vore ironiskt, eller hur, om du var tvungen att förlora bildkvalitet på en avdelning för att få den på en annan?
Videoskaparens bidragande redaktör Jim Stinson gör industriella videor, undervisar i professionell videoproduktion och skriver mystery fiction.