ABC fotografii cyfrowej cz. 2 - stabilizacja drgań aparatu

Stabilizacja drgań to coraz popularniejsza funkcja w aparatach cyfrowych. Dzięki niej można wykonywać nieporuszone zdjęcia nawet w słabych warunkach oświetleniowych. W kolejnym odcinku cyklu ABC fotografii cyfrowej opisujemy jak działają różne rodzaje stabilizacji drgań aparatu.
Rodzaje stabilizacji drgań aparatu

Terminy stabilizacja i kompensacja drgań używane są naprzemiennie, choć tak naprawdę stabilizacja to mechanizm nie dopuszczający do drgań a kompensacja to minimalizowanie efektu drgań, które występują. W literaturze dotyczącej amatorskich aparatów cyfrowych powszechnie stosowany jest termin stabilizacja drgań i dla unikania zamętu będziemy też go używać.

Wszelkiego rodzaju drgania aparatu fotograficznego podczas wykonywania zdjęcia mogą powodować pogorszenie ostrości zarejestrowanego obrazu. Najczęściej za te drgania odpowiedzialni jesteśmy my sami trzymając aparat w rękach. Producenci aparatów fotograficznych i kamer filmowych od lat opracowują i stosują różne metody stabilizacji drgań. Niektóre z takich urządzeń są większe i cięższe od samego aparatu, czy kamery filmowej. Takie "monstra" są głównie stosowane w samolotach dla wykonywania zdjęć z powietrza, czy w specjalnych samochodach z których filmuje się dzikie zwierzęta w parkach narodowych.

przykład działania stabilizacji obrazu - różnica w jakości obrazu jest oczywista (źródło: Sony)

Jednak w tym artykule opiszemy zasady działania systemów stabilizacji drgań stosowanych w cyfrowych aparatach fotograficznych, przeznaczonych dla powszechnego użytku. W aparatach tej klasy stosuje się cztery metody stabilizacji drgań. Podstawowym elementem trzech z nich jest urządzenie, które wykrywa i rejestruje drgania aparatu. Nie wnikając w szczegóły konstrukcyjne, takie czujniki ruchu potrafią rejestrować drgania aparatu o częstotliwościach do 20 a nawet 40 tysięcy drgań na sekundę.

1. Stabilizacja położenia matrycy
W aparacie zamontowany jest czujnik drgań, który wykrywa i przekazuje do procesora wielkości i kierunki wychylania się aparatu. Matryca aparatu jest tak zamontowana, że odpowiedni mechanizm elektromagnetyczny może ją przesuwać w pionie i w poziomie. Idea działania tego systemu jest następująca.

Jeżeli na skutek drgnięcia ręki aparat zmienił położenie, to czujnik ruchu zarejestrował tę zmianę i przekazał informację o niej do procesora. Program zapisany w pamięci aparatu analizuje to przesunięcie (jego kierunek i wielkość) i przekazuje odpowiedni sygnał elektryczny do mechanizmu poruszającego matrycę. Sygnał ten jest tak dobrany, by przesunął matrycę o taką odległość o jaką przesunął się aparat, tylko w przeciwnym kierunku. Innymi słowy, aparat przesuwa się w jednym kierunku a matryca w przeciwnym, tak, by obraz padający na nią przez obiektyw był zawsze w tym samym miejscu.

schemat aparatu Pentax K100D - matryca zamontowana jest na specjalnym układzie umożliwiającym jej ruch, a tym samym kompensację drgań aparatu

konstrukcja mocowania matrycy w modelu Pentax K10D

Ten typ stabilizacji drgań jest stosowany głównie w lustrzankach z wymiennymi obiektywami i uważany jest za najdoskonalszy w klasie aparatów amatorskich. Po raz pierwszy na masową skalę system ten zastosowała w swoich aparatach (kompaktowych i lustrzankach) firma Minolta, która następnie została przejęta przez koncern Sony i obecnie system stabilizacji matrycy znajdziemy w lustrzance Sony A100. Stabilizację matrycy stosuje również firma Pentax w wybranych modelach swoich lustrzanek cyfrowych (K100D i K10D).

przekrój modelu Sony A100 - w tylnej części widać skomplikowany układ przesuwający matrycę

2. Stabilizacja optyczna
Czujnik drgań wykrywa drgania aparatu. Elementem kompensującym te drgania jest dodatkowa soczewka (lub układ soczewek) wbudowana w obiektyw. Położenie tej soczewki, sterowane sygnałami z procesora, zmienia się zależnie od kierunku i wielkości drgań aparatu. Zmiana tego położenia jest tak dobierana przez układ stabilizacji, że promień wpadający przez obiektyw trafia w ten sam punkt matrycy, niezależnie od drgań aparatu. Do pewnej granicy wielkości drgań daje to nieruchomy względem matrycy obraz, a więc zapobiega nieostrości wywoływanej małymi ruchami aparatu. System ten jest nieco gorszy od systemu stabilizacji matrycy, gdyż ruchome soczewki w obiektywie pogarszają nieco jakość obrazu. W przypadku lustrzanek, działa tylko w obiektywach skonstruowanych specjalnie dla tego typu stabilizacji drgań. Spośród dużych producentów optyki obiektywy z wbudowaną stabilizacją drgań oferuje Nikon (obiektywy oznaczone VR) i Canon (obiektywy IS).

schemat stabilizacji optycznej o obiektywie modelu Sony Cyber-shot T30 (źródło: Sony


3. Stabilizacja elektroniczna I
Czujnik drgań wykrywa przesunięcia aparatu. Wielkości i kierunki drgań zapisywane są w pamięci procesora. Po wykonaniu zdjęcia, odpowiedni program oparty na bardzo skomplikowanym algorytmie (czyli przepisie obliczeń) dokonuje korekcji zarejestrowanego na matrycy zdjęcia. Korekcja odbywa się w oparciu o informacje jakie ruchy wykonał aparat w trakcie naświetlania zdjęcia. Pozwala to zmniejszyć rozmycie obrazu będące wynikiem drgań aparatu. System ten jest znacznie tańszy od poprzednich ale też mniej doskonały.

Aby zwiększyć jego skuteczność, często do zapisu obrazu używana jest mniejsza, środkowa powierzchnia matrycy światłoczułej. Pozostała część wykorzystywana jest do zapisu tej części zdjęcia, która na skutek drgań aparatu normalnie znalazłaby się poza kadrem. Jednak wykorzystanie tylko części matrycy wiąże się ze zmniejszeniem rozdzielczości zdjęcia, czyli spadkiem jego jakości. Dlatego też, producenci matryc pracują nad specjalnymi matrycami od razu wyposażonymi w dodatkowy obszar wykorzystywany przy kompensacji przesunięć aparatu na skutek drgań. Więcej na temat tego systemu piszemy w rozdziale Stabilizacja drgań w trakcie filmowania, który znajduje się dalej w tym artykule.

4. Stabilizacja elektroniczna II
Jest to system korekcji nieostrości bez zastosowania czujnika drgań. Zarejestrowany na matrycy obraz jest analizowany bardzo skomplikowanym programem, który potrafi identyfikować rozmycia obrazu wywołane drganiami aparatu a kolejne funkcje tego programu potrafią te rozmycia "wyostrzać". Z punktu widzenia konstrukcji jest to system najtańszy ale i najbardziej zawodny. Wszystko zależy od jakości zastosowanych programów a siłą rzeczy, w aparacie nie można mieć potężnych programów zajmujących setki megabajtów. A gdyby nawet je umieścić, to korekcja nieostrości trwała by kilka do kilkunastu sekund. Ponieważ i tak nie dało by to kompensacji drgań tak dobrej, jak w metodach poprzednio opisanych, tę metodę stabilizacji drgań stosuje się w tanich kompaktach. Jest to w końcu lepsze niż zupełny brak stabilizacji.

Również w tym wypadku konstruktorzy pracują nad poprawieniem systemów elektronicznych. Jedną metod jest natychmiastowe wykonanie drugiego zdjęcia. Dzięki temu programy analizując przesunięcie obrazu na dwóch ujęciach mają większą możliwość ustalenia właściwego wyglądu zdjęcia. Taki system używany jest na przykład w niektórych modelach kompaktów cyfrowych firmy Samsung.

Samsung NV10 wyposażony w nowatorski system elektronicznej redukcji drgań Advanced Shake Reduction (ASR)

Systemy elektronicznych stabilizacji drgań określane są angielskim skrótem EIS - Elelctronic Image Stabilization.

Stabilizacja drgań w trakcie filmowania

Drgania aparatu w trakcie filmowania nie są tak groźne dla jakości filmu, gdyż co około 1/30 sekundy powstaje nowe zdjęcie. Ale problemem może być widoczne "skakanie" obrazu. Jeżeli w trakcie filmowania aparat drga w kierunku pionowym, to choć kolejne klatki mogą być ostre, to np. tocząca się po boisku piłka będzie rejestrowana w coraz to innym miejscu (w kierunku pionowym) matrycy. W trakcie wyświetlania będzie ona widoczna jako tocząca się po boisku "podskakującym" w górę co jakiś czas.

Eliminacja takich efektów drgań realizowana jest w inny sposób, niż dla zdjęć statycznych. Podstawą sytemu są:
  • czujnik drgań,
  • matryca światłoczuła o rozmiarach nieco większych niż rozmiary rejestrowanej klatki,
  • i odpowiedni program zapisany w aparacie.
W trakcie filmowania aparatem cyfrowym wykorzystuje się rozdzielczość matrycy wielokrotnie mniejszą, niż do zdjęć statycznych, a więc automatycznie mamy "zapas" powierzchni na jej brzegach.

W przypadku drgania aparatu podczas filmowania, każda klatka jest zapisywana w nieco innym miejscu matrycy a równocześnie czujnik drgań przesyła do procesora informacje o tym jakie było przesunięcie aparatu w momencie rejestrowania każdej klatki. Procesor, w oparciu o odpowiedni program, zapisuje kolejne klatki filmu do pamięci po zrobieniu korekcji na ich położenie względem jakiegoś ustalonego punktu, np. środka matrycy. System daje więc film "płynny", bez nieprzyjemnych dla widza skoków obrazu po ekranie.

Zasady stosowania stabilizacji drgań

Aparat cyfrowy zaopatrzony w opcję stabilizacji obrazu ma zazwyczaj 3 tryby jej pracy:
  • I - wyłączona,
  • II - włączona na stałe,
  • III - włączana na czas otwarcia migawki, czyli robienia zdjęcia.
Najlepszą praktyką jest ustawienie stabilizacji w trybie III. Tryb II powoduje, że aparat zużywa więcej energii elektrycznej - stabilizacja pracuje cały czas, gdy aparat jest włączony. W trybie II następuje też szybsze zużycie elementów mechanicznych, o ile takie są, układu stabilizacji. Tryb I stwarza zagrożenie, że któreś z robionych zdjęć będzie rozmyte w wyniku drgnięcia ręki w momencie jego robienia.

Jeżeli ktoś chce fotografować w trybie I, to musi wiedzieć, że czas otwarcia migawki około 1/60 s jest w zasadzie najdłuższym możliwym do stosowania przy robieniu zdjęć bez statywu. Ten czas dotyczy obiektywu o ogniskowej normalnej, czyli około 50 mm, w przeliczeniu na format 35 mm. Jeżeli robimy zdjęcia z teleobiektywem, to ogólnie akceptowana reguła dla zdjęć bez stabilizacji drgań jest następująca: czas otwarcia migawki nie może być dłuższy niż odwrotność długości ogniskowej, przeliczonej dla formatu 35 mm.

A więc dla ogniskowej F=200 mm czas otwarcia migawki może być co najwyżej 1/200 s, by drgania nie powodowały nieostrości. Większość prostych kompaktowych aparatów cyfrowych ma obiektywy o zmiennej ogniskowej od około 35 mm do około 100 mm. Czyli bezpieczny czas otwarcia migawki powinien być krótszy od 1/100 s.

Stabilizacja drgań może jednak dawać efekty niepożądane np. przy robieniu zdjęć, na których chcemy stworzyć wrażenie ruchu. Dlatego, też profesjonalne obiektywy wyposażone w stabilizację drgań oferują od dwóch do kilku trybów działania tego systemu, które najlepiej sprawdzają się w różnych sytuacjach zdjęciowych. Doświadczony fotografujący powinien więc korzystać ze stabilizatora drgań w sposób przemyślany.

Stabilizacja drgań dobra na wszystko?

Stabilizacja drgań aparatu nie jest lekarstwem na wszystkie problemy z rozmazanym obrazem, o czym często zapominają kupujący nowy aparat cyfrowy i, co gorsza, sprzedawcy tych aparatów. Przede wszystkim nawet najbardziej zaawansowane systemy nie są w stanie zapobiec rozmazaniu szybko poruszających się obiektów. Po prostu działają one tylko na ruch aparatu, a nie na ruch innych obiektów w kadrze. Jedynym lekarstwem w tym wypadku jest skrócenie czasu otwarcia migawki (czasu naświetlenia) poprzez wybranie większej czułości ISO, zastosowanie lampy błyskowej lub wykonywanie zdjęć przy lepszym świetle.

Wiedząc o tym problemie niektórzy producenci (np. Sony, Panasonic) oferują tak zwany "podwójny system stabilizacji drgań". W praktyce sprowadza się on do połączenia optycznego (mechanicznego) układu stabilizacji z funkcją podwyższającą ekwiwalent czułości ISO w aparacie. Należy jednak pamiętać, że samo podwyższenie czułości ISO nie jest stablizacją obrazu w sensie {ITLsystemu stabilizacji drgań] ? mimo, że zapobiega rozmazaniu obrazu również na skutek drgań aparatu. To po prostu zabieg pozwalający na skrócenie czasu otwarcia migawki. Każdy świadomy użytkownik aparatu może osiągnąć podobny efekt samemu podwyższając ekwiwalent czułości ISO w menu aparatu. Należy jednak pamiętać, że podwyższenie ISO wiąże się z pogorszeniem jakości oddania szczegółów na zdjęciu poprzez zwiększenie szumów. Jest to więc rozwiązanie połowiczne i jak do tej pory tylko "prawdziwa" stabilizacja obrazu oferuje kompensancję niepożądanych ruchów aparatu bez pogorszenia jakości obrazu, a z wymienionych w tym artykule rodzajów jak na razie najlepiej sprawdzają się systemy mechaniczne - stabilizacja optyczna i stabilizacja matrycy.

W przyszłym tygodniu, w trzeciej części naszego cyklu opiszemy pojęcie ekwiwalentu ogniskowej w aparatach cyfrowych.

Autor jest profesorem na Wydziale Fizyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza.
 
Komentarze
Polecane artykuły
Polacy wśród finalistów Urban Photo Awards 2018. Zobaczcie nagrodzone zdjęcia
20 Wrz 2018
Międzynarodowy konkurs fotografii miejskiej Urban 2018 wchodzi w fazę finałową. Poznaliśmy nagrodzone cykle i nazwiska finalistów sekcji pojedynczej. Wśród nich znalazło się aż 5 Polaków.
0
Leica Oskar Barnack Award 2018 - oto zwycięskie prace
18 Wrz 2018
Poznaliśmy wyniki jednego z najbardziej prestiżowych konkursów poświęconych fotografii dokumentalnej. Tegoroczną nagrodę główną Leica Oskar Barnack Award otrzymał belgijski fotograf Max Pinckers. Natomiast wyróżnienie dla wschodzącego talentu powędrowało w ręce pochodzącej z Rosji Mary Gelman. Niestety w tym roku na podium zabrakło Polaków.
1
Fotografia przyrodnicza na luzie. Oto najlepsze zdjęcia z konkursu Comedy Wildlife Photography Awards 2018
17 Wrz 2018
Naturze nie brakuje poczucia humoru! Jeśli nie wierzycie, zobaczcie zdjęcia finalistów konkursu Comedy Wildlife Photography Awards, który od 4 lat nagradza najzabawniejsze zdjęcia przyrodnicze.
1
Eduardo Asenjo Matus: “Na zdjęciach staram się pokazać swoją rzeczywistość”
12 Wrz 2018
Przed wejściem do świata fotografii Chilijczyk Eduardo Asenjo Matus zajmował się malarstwem, ale wkrótce w jego domu zaczęło brakować już ścian do powieszenia obrazów. Dziś jako fotograf mierzy się ze swoją chorobą, starając się opowiedzieć o niej za pomocą zdjęć.
0