なぜ画像安定化には限界があるのですか？

画像安定化を測定するためのCIPA標準が存在するようになったため、ストップやハーフストップでの安定化の効率を引用するメーカーが増えています。たとえば、昨日、オリンパスは、M.Zuiko 12-100mm F / 4 IS PROを発売しました。これは、内蔵の画像安定化機能と、OM-Dなどのハイエンドのオリンパスミラーレスに存在する5軸の体内安定化機能とを組み合わせたものですE-M5 Mark IIは、CIPA標準に従って6.5の安定化停止を提供します。

それは信じられないほどの安定化のようです。ストップの意味を理解することは、最大2.6秒のシャッター速度で12mmで、1/3秒の速度で100mmで撮影できることを意味します！これは、1 /有効焦点距離の経験則を使用して計算されます。それでも、これが完全に停止したとしても、それは非常に印象的なままです。

問題は、安定化がその間安定化できる場合、なぜそこで停止するのかということです。なぜそれがやっていることをし続け、5または10秒以上安定しないのですか？しばらくして機能しなくなるのはなぜですか？

しばらくして機能しなくなるのはなぜですか？

経験に基づいた推測：エラー。

画像安定化システムは、推測航法によるナビゲーションのようなもので、自分がどこにいるか、速度、方向の変化について知っていることに基づいて、どこにいるかを把握します。

あなたが60mphで5分間走行する車に乗っているなら、あなたはあなたが出発した場所から約5マイルのところにいることを知っています。車が実際に時速59マイルまたは61マイルで動いている場合は少し離れているかもしれませんが、予測した場所から歩いて行ける距離内に収まるので、十分近くにいます。しかし、車がわずか5分ではなく1時間後にどこにあるかを予測しようとすると、同じ小さな1 mphエラーがその長い期間にわたって蓄積し、予想される場所から1マイル離れてしまいます。それはあなたが受け入れようとするよりも大きなエラーかもしれません。

画像安定化システムでも同じです。カメラには空間内に絶対的な基準点がありません。加速度計とジャイロは相対的な変位と回転しか測定できません。非常に正確ですが、完璧ではありません。さらに、イメージを安定させるセンサーまたはリース要素を移動するハードウェアには、何らかのエラーがあります。また、システムが反応する前に動きを感知する必要があるため、アクティブなISシステムに固有のエラーもあります。そのため、システムがカメラの動きを完全に追跡しない原因となる遅延が必ずあります。最後に、ISシステムは、カメラの動きを補正しながら、コーナーからコーナーまでの完璧な画像レジストレーションを保証できない可能性があります。

これらのエラーはすべて、時間の経過とともに蓄積されます。優れたISシステムは、ハンドヘルド10秒ショットをISなしで得られるものよりも良くすることができるかもしれませんが、メーカーはそのような長い露出設定で有用であると主張するほど良いものではありません。

言い換えると、動作を停止しません。十分に役に立たないところまで来ています

主な問題の1つは累積エラーであると思われます。

完璧な測定はありません。常にエラーがあります。画像安定化は、カメラの相対的な動きを測定し、それを打ち消す必要があります。

暴露中、多くの測定が行われます。それぞれが前の結果に基づいています。これは、エラーも蓄積されることを意味します。ある時点で、総誤差は大きすぎると見なされます。規格では、総誤差のしきい値と、一定の時間後に到達する確率を指定していると思います。

モーションが周期的で、安定化システムの最大移動の制限を決して超えなかった場合、無期限に継続できるはずです。しかし、動きが軸に沿って同じ方向にある場合、システムは最終的に移動の限界に達します。

主な制限は、安定化システムが移動の端に到達する前に対応できる可動域の範囲に関するものです。補正システムが移動の最後に到達する前に3°だけ同じ方向の動きに追いつくことができる場合、1秒あたり1°を超える動きは、システムが最大3秒間しか補正を維持できないことを意味します。

センサーベースの安定化では、長いレンズを使用すると、長い焦点距離のレンズの角運動が少なくなり、短い焦点距離のレンズと同じボケが生じるため、問題が悪化します。フルフレームシステムを備えた600mmレンズの対角FoVは約4°です。1°の角運動は、フレーム全体の1/4（25％）に相当します！対照的に、35mmレンズの対角FoVは63°です。1°の移動は、フレーム全体の1/63または1.6％未満に相当します。

それが、焦点距離の長いレンズの提供を開始した主な理由であり、カメラベースの安定化を使用するメーカーもレンズベースの補正でそれをサポートし始めました。レンズベースの安定化システムは通常、レンズの中心に非常に近く、非常に小さな動きが、センサーに当たる場所で投影される光の円錐が移動するスポットのはるかに大きなシフトに影響を与える可能性があります。

オリンパス自身によると、地球の自転はそれらを6.5ストップを超えて停止させています（そしてジャイロスコープと関係がある）。

本日、PetaPixelの記事でこれを読みました。PetaPixel自身は、アマチュアフォトグラフィックからそれを取り上げ、オリンパス副部長の片岡哲也とのインタビューを行いました。

体内安定化自体は5.5ストップを与え、Sync ISはOISレンズで6.5ストップを与えます。ジャイロセンサーに干渉する地球の回転のために、現時点では6.5停止は実際には理論上の制限です。

数値は実際にはいかなるハードリミットも反映していません。確率を反映しています。手ぶれは効果的にランダムであると考えることができますので、どんなショットにもチャンスがあります手ぶれでぼけている。露出が長ければ長いほど、その揺れが画像を台無しにするのに十分になる可能性が高くなります。画像安定化は、合理的な条件下でほとんどの揺れをキャンセルできますが、すべてではありません。他の人が説明した理由によります。など。カメラのブレの残りの部分は、依然として画像のぼけの可能性に寄与しますが、画像の数が少ないため、非常に遅くなります。彼らが改善の6つの停止を主張している場合、それは揺れに起因するブラーが平均で 64分の1の速度で蓄積することを意味しますISがオフの場合と同様にISがオンの場合、すべてのショットが異なります。あなたはISなしで幸運を得ることができます。ISの実際のテストでは、ISをオンおよびオフにして、さまざまなシャッタースピードで多数のショットを撮影し、2つの母集団間で許容可能な画像の割合または平均ぼかし量を比較します。特定のカメラ/レンズのコンボが、ISがオフの1/30秒で90％の時間の許容可能な画像を取得し、ISがオンの1sで90％の時間の許容可能な画像を取得できる場合、それは5つの停止を示すデータポイントです改善の。このような多くのデータポイントを使用して、パフォーマンスを要約できます（または、マーケティング部門の場合は、最適なものを選択します）。

フォトグラファーとカメラは、本質的にオープンループシステムです。写真家は、被写体にカメラを向けることで入力を行いますが、カメラにはこの入力に影響を与える手段がありません。このため、長期間にわたる安定化を試みた場合、蓄積されたエラーはすぐに有用な画像データを圧倒します。

天文学のような他のアプリケーションでは、位置決めシステムはイメージングプロセスによって直接制御され、システムを閉ループにしていることに注意してください。その結果、数秒または数分の安定化期間は前代未聞ではありません。以下は、マグニチュード 24 程度の淡い物体の写真を撮るように設計された望遠鏡の例で、最大1分間画像を安定させます。

ポールの答えには結局のところ真実の粒がありますが、それらのテクニックがすぐに写真に適用される可能性は低いでしょう。おそらくいつかはカメラが写真家の手を制御するためのニューロインターフェイスを持つかもしれませんが、何秒もの安定化時間を持つレンズはそれまで待たなければなりません。

問題は、安定化がその間安定化できる場合、なぜそこで停止するのかということです。なぜそれがやっていることをし続け、5または10秒以上安定しないのですか？しばらくして機能しなくなるのはなぜですか？

私が持っていたさまざまな画像安定化キヤノンレンズは、動きを完全に止めませんでした。彼らはそれを遅くしただけです。ビューファインダーで効果を観察することから、露出が無限になり得ないことは明らかでした。私のISレンズはすべて70〜300mmの範囲でした。露出が非常に低いショートレンズの場合、効果はおそらくそれほど明白ではありませんが、結果は似ていると思います。

おそらく、2秒間の露出（短いレンズを使用した場合でも）が非常に頻繁に行われることは、やや疑わしいでしょう。

人がカメラを保持している場合、根本的に異なる動きが多数あります。それらは、周波数と大きさの両方が異なります。イメージスタビライザーは、筋肉の振戦によって引き起こされる動きにうまく機能します。筋肉の振戦は、（比較的）頻度が高く、大きさが小さいです。これは、たとえば、10分の1秒程度の露出に適しています。

数秒の露出では、まったく異なる種類の動きに対処する必要があります。たとえば、呼吸すると上半身のほとんどが多少動きます。この動きはずっと遅くなりますが、（多くの場合）はるかに大きくなります。これは2つの問題につながります。まず第一に、ほとんどの加速度計は、それらを非常にうまく測定するために較正されていないほど遅いです。2番目の（そして対処が難しい）典型的な安定化システムは数ミリメートル程度しか動かせません。呼吸からの動きはそれよりもはるかに大きくなる可能性があります。

一度に数秒間完全に静止するだけでも困難になります。これは、手持ちマクロ撮影を行おうとすると特に顕著になります。（被写界深度を最小限に抑えて）非常に近くにいる場合、被写体の焦点を十分に合わせておくために十分に静止するのが難しい場合があります。繰り返しますが、ここでの動きは、多くの場合、安定化システムが通常十分に補正できるミリメートルではなく、（たとえば）センチメートルのオーダーです。

実際には、極端な精度が必要な場合、ネストされたシステムに頼ります。そこでは、大きな動きを減衰させるように最適化された合理的に正確な安定化システム内で、最初のシステム。そして、そのシステム内に別のものなどを置くことができます。カメラ安定化システムは1つのレイヤーを使用するので、改善の余地がたくさんあります（しかしコストは恐らく法外なものになるでしょう）。

そのようなシステムは、通常、パッシブとアクティブの両方の減衰メカニズムを使用します。2番目のレイヤーを最初のレイヤーから分離するには、レイヤーをリンクするパッシブダンピングシステムが必要です。動きを補正するアクティブなシステムもあります。層状システムでは、これは前の層の動きを測定し、減衰メカニズムを介して伝播を計算し、必要な補償を得るのが最良の方法です。

LIGOの実験は、そのような方法は、振動の非常に正確な補償を得るために使用されている良い例です。

興味深い質問ですが、いくつかの前提が間違っていると思います。

最大2.6秒のシャッター速度で12mmで撮影することが可能です

本当に？写真家は2.6秒間静止しますか？

物理的な画像安定化システムは、物質の1つの物理的特性、つまり慣性に依存しています。

それはテーブルの上の布を引っ張り、皿を放っておくトリックのようなものです。

どういうわけか、一方がもう一方からゆるんでいる場合は、もう片方を動かさずに、ある程度片方を動かせます。

また、ある種の周波数に合わせて設計されています。

振り子には共振する周波数があります。逆さまのほうきとの平衡を作成する場合、この同じ原則を適用しています。ただし、適切な速度で補正する必要があります。

画像を再フレーム化したい場合、画像安定化システムがそれを防ぐことを想像してください。「ああ、それは揺れです、私はその場に留まります！」。

はい。大きな望遠鏡は質量が大きく、手持ちカメラよりも再フレーミングに時間がかかると確信しています。しかし、手持ちカメラでは、安定化にいくつかの制限があります。

ところで、より長い安定化を提供する他のデバイスは三脚と呼ばれます。そして、地球の質量に依存しています。

私はおそらくまた良い投票数を得るでしょう...しかし、上記の答えはすべて最初から最後まで間違っています。そして、答えはすでにあなたの質問にあります：

画像安定化を測定するためのCIPA標準があります

それで全部です。ここでの概念は「参照フレーム」です。標準があるため、すべてのカメラを同じ方法でテストし、有効な指標である数値を生成する方法が必要です。つまり、カメラ間で「同等」です。

CIPAテスト：仕組み

（おそらくCIPA標準化前の社内テストも）

「画像安定化を測定するCIPA標準がある」ため、安定化の5ストップ（例）は、特定の条件下で特定の条件（つまり、ボケ）が発生する前にカメラをどれだけプッシュできるかを測定する標準テストの結果です。劣化とモーションブラー）。

_{注：CIPA画像安定化テスト手順マニュアルには、少なくとも50ページがあります。そして、私はそれらのすべてを覚えていませんし、脳のすべての側面を理解することもできません（振動テストプラットフォーム用のソフトウェアを作成したとしても:-D）。以下の説明は非常に単純化されすぎています。誰かが自分で手順を読むことができる細かい詳細に行きたい場合、それは公開されています}

CIPA標準では、振動プラットフォームを使用してカメラをテストします。それが魔法です。

カメラは、振動を生成するプラットフォーム上に置かれ、「標準画像」を目指しています。プラットフォームの電源がオフになり、参照ショットが撮影されます。その後、プラットフォームの電源がオンになり、一連の振動が生成され、さまざまなシャッタースピードで多くのショットが撮影されます。カメラが悪い写真を生成し始める瞬間は、ISが露出を修正できない瞬間です。次に、最初のシャッタースピードと最後の良いシャッタースピードの違いを想像してみてください。これはストップで表され、カメラ安定化システムが管理できるストップの量です。

さらに、あなたが提起した質問には問題があります：

最大2.6秒のシャッター速度で12mmで、1/3秒の速度で100mmで撮影することが可能です！これは、1 /有効焦点距離の経験則を使用して計算されます

シャッタースピードが1/3より長い100mmで撮影できないのはなぜですか？例で自分に課しているので簡単です！:-)

ハンドヘルドを確立すると、最大100分の1で100mmを撮影できます。その後、5ストップを適用すると、最大で1/3になります。 1/3の秒、またはそれ以降にひどく動作し始めるからです！実際、画像安定化システムは最大32秒の露出でテストされます（正しく覚えている場合）：-D

あなたは、あなたが隅に自分自身を強制ので、「私は1 / mmのルールを取り、停止要因を適用する」と言って、ここでは参照のフレームを設定します。本当に安定した手を持っている人が1秒あたり100mmのハンドヘルドを撮影できるとしたらどうでしょう？あなたは100mm @ 1/100秒を超えることができないので、システムは彼にとっても1/3秒後に動作を停止しますか？

画像の安定化は、MEMSジャイロスコープによって制御されます。カメラでの使用に関する完全な情報はありませんが、逆方向に作業することができます。MEMSジャイロスコープは、多くの大学や研究センターで地球の回転を測定するために使用されているという事実から始まります。これらのジャイロスコープはセンサーで使用されます。ジャイロスコープがその軸から押し出されると、ジャイロスコープはその位置を維持する力を発揮します。その後、この力を測定できます。次に、この測定の処理を使用して、それに対して加えられる運動力を決定できます。安定化システムでは、これにより、カウンターフォースが制御され、ジャイロスコープからの測定値で位置を維持し、カウンターフォースを制御します。地球が回転すると、ジャイロスコープにかかる力の圧力により、地球を測定できます。彼は、6.5ストップという理論上の制限があると言ったことがわかります。理論上の制限とは、エラーなしですべてが完璧に達成できる最大値を意味します。私は彼らのカメラは理論的な限界に達しているという彼の声明に疑問を呈しています。常に物理的な制限があります。この声明に対する彼の数学はありません。カメラシステムが応答する最小の力が必要です。6.5停止後、地球の回転からの力は、カメラが向けられたオブジェクトを知らないシステムも移動したこの最小移動より大きくなり、オブジェクトが静止していると思われる場所にカメラを向けようとしますだった。次に、これが発生したときの数学には、ピクセルサイズ、修正可能な最小および最大制限が含まれ、システムに組み込まれた光学系および減衰にさらに多くの関連があります。それはそれを保持している人間を含みます。カメラが飛行機から落ち、リモートでトリガーされると、1秒で鮮明な画像が得られなくなります。カメラの場合、これに対する解決策は、画像の元となるセンサーの一部だけでなく、センサーの光学的および物理的な動きを動かすカメラ内の特大センサーであることをお勧めします。これを行うには、ストレージ領域が必要であり、ストレージ領域に画像を保存し、すでにあるものに追加するセンサーを継続的に読み取る必要があります。これは専用のプロセッサで可能になり、画像を安定させるための時間が長くなります。ただし、まだ制限があります。ところで、このタイプのシステムは、費用が問題にならない場所で使用されています。元の質問に戻って、これが地球上のどこに限界があるかは述べていません。赤道では制限が少なく、極では制限が大きくなる場合があります。また、今日のほとんどのカメラは、長いレンズでより多くの安定化を提供し、短いレンズでより少ないストップを提供します。これは、焦点距離や実際の時間を参照せずに、彼の6.5ストップコメントに再び戻ります。これは、異なる平面で動作する複数のジャイロスコープと、それらの相互作用の限界であると考えがちです。なぜなら、地球の回転に関連してカメラの向きを決定し、それをプログラムするジャイロスコープがあれば十分だからです。安定化プロセッサに。地球の回転の測定に関する記事で、インターネット上でこれに関する多くの数学があります。これが、なぜジャイロスコープシステムが超えられない限界があるのか​​についてのわかりやすい英語の説明であることを願っています。5は、焦点距離も実際の時間も参照せずにコメントを停止します。これは、異なる平面で動作する複数のジャイロスコープと、それらの相互作用の限界であると考えがちです。なぜなら、地球の回転に関連してカメラの向きを決定し、それをプログラムするジャイロスコープがあれば十分だからです。安定化プロセッサに。地球の回転の測定に関する記事で、インターネット上でこれに関する多くの数学があります。これが、なぜジャイロスコープシステムが超えられない限界があるのか​​についてのわかりやすい英語の説明であることを願っています。5は、焦点距離も実際の時間も参照せずにコメントを停止します。これは、異なる平面で動作する複数のジャイロスコープと、それらの相互作用の限界であると考えがちです。なぜなら、地球の回転に関連してカメラの向きを決定し、それをプログラムするジャイロスコープがあれば十分だからです。安定化プロセッサに。地球の回転の測定に関する記事で、インターネット上でこれに関する多くの数学があります。これが、なぜジャイロスコープシステムが超えられない限界があるのか​​についてのわかりやすい英語の説明であることを願っています。これは、異なる平面で動作する複数のジャイロスコープと、それらの相互作用の限界であると考えがちです。なぜなら、地球の回転に関連してカメラの向きを決定し、それをプログラムするジャイロスコープがあれば十分だからです。安定化プロセッサに。地球の回転の測定に関する記事で、インターネット上でこれに関する多くの数学があります。これが、なぜジャイロスコープシステムが超えられない限界があるのか​​についてのわかりやすい英語の説明であることを願っています。これは、異なる平面で動作する複数のジャイロスコープと、地球の回転に対するカメラの向きを決定し、それをプログラムするのに十分なほど簡単であるため、それらの間の相互作用の限界であると考えがちです安定化プロセッサに。地球の回転の測定に関する記事で、インターネット上でこれに関する多くの数学があります。これが、なぜジャイロスコープシステムを超えることのできない限界があるのか​​についてのわかりやすい英語の説明であることを願っています。

あなたが正しいこと、絶対的な制限はないことをお勧めします。10分または2時間安定させることができるはずです。

安定化メカニズムであるオープンループ制御システムの累積誤差について言及されています。オープンエンドの制御システムは、補償可能な範囲を超えてドリフトする可能性があります。これは子供用制御システム101であり、問​​題は数世紀前に機械工学で解決されました。フィードバックでループを閉じるだけです。

カメラの2つの部分を考えると、レンズとセンサーがあります。（安定化された）レンズが動き、センサーが見るものを変え、センサーはレンズが指しているものを見る。フィードバックループで2つを接続します。デジタルシグナルプロセッサは、画像ターゲットにロックでき（結局、基本的な顔追跡機能があります）、画像がシフトしたかどうかを検出できるはずです。次に、シフトがレンズモーションコントロールにフィードバックされ、レンズが反対方向にシフトされます。トリックは、ピクセルレベルのシフトを検出することです。そのため、これらはまだありませんが、私が概説したものは物理的に不可能と思われます。レンズが十分な精度でターゲットを指している限り、1日中露出できます。

これがうまくいくと私が確信している理由は、それが既に行われているからです。最近の望遠鏡には、大気の乱流と自重による歪みを安定化させるために、常に形状を調整するアクティブ/フレキシブルミラーがあります。また、ターゲットをロックして追跡します。

1日中安定するレンズを購入するのが待ち遠しい。