アクション カメラの安定化は単一の直線的な道をたどったわけではありません。過去 10 年間、3 つの異なるアプローチが共存および競合してきましたが、それぞれが異なる方法で問題を解決しています。

メカニカルジンバル (2013年–2018年のピーク)。 3-軸ブラシレスモータージンバル物理カウンター-カメラ本体を回転させてモーションをキャンセルします。彼らは美しく機能します — トリミングゼロ、画像劣化ゼロ — 重量、かさばり、消費電力、機械的脆弱性が犠牲になります。ジンバル-装備されたアクションリグの重量は 300–600グラム対80グラム–スタンドアロンカメラの場合は120グラム。

図 2: 3-軸ジンバルはヨーに独立したブラシレスモーターを使用 (ベースローテーション)、ピッチ (横傾斜)、そして巻く (バレル回転)。カメラ本体は 3 つの軸すべての交点で吊り下げられます。ユーザーの手が震えると、モーターがカウンターします。-リアルタイムで回転してカメラを水平に保ちます — 映画を配信する-大幅な重量と機械的複雑性を犠牲にして、画像劣化のない勾配の安定性を実現します。

光学式手ぶれ補正 — OIS (2015年–現在)。 音声によって駆動されるフローティングレンズエレメント-コイル モーターまたは MEMS アクチュエーターは、物理的にシフトして小さな角度の動きを補正します。 OIS はおそらく 1 を修正します–2度の揺れ — 手の震えやプラットフォームの微妙な振動には役立ちますが、モータースポーツやダウンヒルスキーの激しい動きには不十分です。最新のアクション カメラのほとんどは、OIS を電子手振れ補正の代替としてではなく、補完として使用します。

 [ 図 — 光学式手ぶれ補正のしくみ (OIS) 作品 ]

図 3: OIS は閉じたフィードバック ループで動作します。ジャイロスコープチップが角度振動を検出し、補正信号を音声に送信します。-コイルモーター (VCM) 単一のフローティング レンズ要素の側面に配置されます。 VCM はレンズを横にシフトして、光路の方向をセンサーの中心に戻します。 — 修正1-2度の揺れでクロップペナルティなし。しかし、浮遊要素の可動範囲が限られているため、OIS だけでは暴力的で複数の攻撃に対処できません。-アクションスポーツの軸モーション。

電子手ぶれ補正 — EIS (2018年–現在の、支配的な)。 可動部品はありません。カメラはジャイロスコープと加速度計のデータを使用します — 200でサンプリング–1000Hz — フレームごとにカメラ本体の正確な向きをマッピングします。次に、画像信号プロセッサがわずかに大きなセンサー領域に切り取り、各フレームをデジタル的にシフト、回転、ワープして、測定された動きをキャンセルします。これは、GoPro の HyperSmooth、DJI の RockSteady、および 2018 年以降のすべての主力アクション カメラの背後にあるテクノロジーです。

 [ 図 — 電子手ぶれ補正のしくみ (EIS) 作品 ]

図 4: EIS は 2 つに依存します-可動部分のないステージ データ パイプライン。ステージ 1 (左): ジャイロスコープ、加速度計、およびイメージ センサーのデータは 200 で ISP にストリームされます。–1000Hz。 ISP は、動き推定、ワープ変換、ローリング シャッター補正を 1 回のパスで実行します。ステージ 2 (そうだよ): ISP はセンサーの読み取り値全体をトリミングします。 (例: 48MP) 出力解像度まで (例: 4K / 8.3MP)、追加のセンサー領域を安定化ヘッドルームとして使用します。安定化されたフレームは幾何学的に完璧です — でも5–15% センサー領域の一部はプロセス中に破棄されます。

図 1: アクション カメラの安定化に対する 3 つのアプローチを 5 つのパフォーマンスの側面で比較しました。 EIS は、ほぼすべての性能を提供するため、現代の主力製品を支配しています。-わずかな重量、サイズ、電力コストでジンバルの安定性を実現 — 作物が付属していますが-ファクター取引-ジンバルが完全に避けることをオフにします。次のページにある 3 つの原理図は、各アプローチの背後にある物理メカニズムを説明しています。

最新の EIS の魔法は、1 秒あたり 30 回または 60 回実行されるパイプラインで発生します。光がセンサーに当たった瞬間から、安定したフレームが SD カードに書き込まれる瞬間までの間に何が起こるかを次に示します。

ステップ 1: ジャイロスコープのサンプリング。 MEMS ジャイロスコープは 200 度の 3 軸の角速度を測定します。–1000Hz。これは、カメラが正確な回転位置を認識していることを意味します — ピッチ、ヨー、ロール — サブへ-度の精度で、ビデオ フレーム レートよりもはるかに高速です。ジャイロスコープのデータストリームは時間です-イメージセンサーのローリングシャッター読み出しと同期しているため、ピクセルの各行を正確な方向に関連付けることができます。

ステップ 2: 運動軌跡の計算。 ISP は、各フレームの露光期間にわたるカメラの動きの軌跡を計算します。ローリング シャッター センサーはピクセルを行ごとに露光するため、このステップは大量の計算を必要とします。 — フレームの下部は上部よりわずかに遅れてキャプチャされ、速い動きの場合、その時間差は幾何学的歪みに変換され、アルゴリズムはこれも修正する必要があります。

ステップ 3: ワープしてトリミングします。 ISP は、モーション軌跡を使用して、センサー画像全体に遠近法ワープを適用します。 — 移動、回転、およびデ-すべてのピクセルを歪ませる — そのため、出力フレームは、露光中にカメラが完全に静止しているかのように表示されます。ワープはピクセルを端から中心に向かって引っ張るため、出力フレームはセンサーの読み出し全体の一部になります。一般的な作物要素の範囲は 5 です。% 穏やかな条件では15まで% 極端な動きで — これが、通常、安定化がワイド領域でより積極的に行われる理由です。-余裕のある余分な視野から始まる角度モード。

ステップ 4: ローリング シャッター補正。 高速の水平方向の動きとローリング シャッター読み出しの組み合わせにより、独特の「ゼリー状」スキュー効果が生まれます。最新の EIS パイプラインは、per を適用することでこれを修正します。-行の幾何学的変換により、斜めに見える垂直線を効果的にまっすぐにします。

EISはソフトウェアです-駆動されますが、その下のハードウェアによって天井が決まります。 3 つのコンポーネントが重要です。

ジャイロスコープの品質とサンプルレート。 消費者-グレードの MEMS ジャイロは通常 200 Hz でサンプリングします。高-エンドアクションカメラは400を使用します–ノイズ フロアが低い 1000 Hz ジャイロスコープにより、高速でのより正確な動き推定が可能になります。これは、安定化の品質と最も直接的に相関する単一のコンポーネントです。

作物のヘッドルーム — センサーの解像度と視野。 EISはクロップすることで安定します。 A12-メガピクセルセンサーによる4Kビデオ撮影 (8.3MP) およそ30個あります% 解像度が 4K を下回る前に、安定化トリミングのためにピクセルを予備します。 A48-メガピクセルセンサーによる4K撮影には巨大なヘッドルームがある — だからこそ高いのです-メガピクセルセンサーにより、目に見える解像度の損失なしに、より積極的なEISが可能になります。

ISP の処理能力。 すべてのフレームは、30 または 60 fps でリアルタイムに幾何学的にワープする必要があります。これには、一般的なワープ エンジンではなく、専用のワープ エンジン ハードウェアを備えた有能な ISP が必要です。-目的のCPU。 Ambarella の H22 や Novatek の NT96683 などのチップセットには、EIS パイプライン用に特別に設計されたハードウェア ワープ ブロックが含まれています。

図 5: 基本的な取引-電子手ぶれ補正オフ。より積極的な安定化 (モーションブラーを低減し、よりスムーズな映像を実現) より多くのトリミングが必要になる — それは視野を狭めてしまいます。ほとんどのアクションのユースケースのスイートスポットは 5 の間にあります。% そして10% 最小の FOV ペナルティで安定化品質が大幅に向上します。 12を超えて–15%、FOVの損失は視覚的に顕著になり、ほとんどのメーカーはそれに応じて安定化アルゴリズムに制限を設けています。

ほとんどの消費者は安定化をブランド名で知っています — ハイパースムーズ、ロックステディ、フローステート — ただし、これらは少数の基盤となる ISP チップセット プラットフォーム上に構築されています。

フラッグシップとエントリーのギャップ-レベル EIS は劇的です。目的を達成する 1000 Hz ジャイロ-組み込まれたワープ エンジンは、機械式ジンバルに匹敵する映像を生成します。ソフトウェア付き 100 Hz ジャイロ-デジタル画像安定化のみが、高解像度で使用不可能な境界線の結果を生成します。-モーションシナリオ。

OEM バイヤーにとって、このチップセット層はコストと品質の交渉の場となります。メーカーが選択した ISP プラットフォームによって、センサーの解像度やレンズの品質に関係なく、達成可能な安定化品質の上限が決まります。

図 6: アクション カメラ チップセットにおける MEMS ジャイロスコープのサンプル レートの進化、2015 年–2025. 100 Hz から 400 Hz へのジャンプ–2018 年から 2020 年までの 1000 Hz でソフトウェアが可能になった-ベースの電子安定化により、実用的なパフォーマンスで最終的に機械式ジンバルを上回りました。サンプルレートが上がるごとに、動き推定の精度が直接向上します。 — 特に高いものに関しては-回転運動をスピードアップします。

テクノロジーを理解することは、より適切な購入決定に直接つながります。探すべきものは次のとおりです。

すべての EIS が同じように作成されるわけではありません。 仕様書に記載されている「電子手ぶれ補正」は品質については何も語っていません。チップセットとジャイロサンプルレートは実際の仕様です。メーカーが EIS 実装の背後にある ISP プラットフォームとジャイロの仕様を教えてくれない場合、安定化はソフトウェアによるものである可能性があります。-だけで低い-品質。

センサーのメガピクセルは安定化ヘッドルームにとって重要です。 より高い-解像度センサーが特定の出力解像度で撮影すると、より多くのクロッピング ヘッドルームが得られ、直接的に EIS パフォーマンスの向上が可能になります。これが、4K カメラの 48 MP センサーが 4K カメラの 12 MP センサーよりも目に見えて優れた安定化を実現する理由の 1 つです。 — 両方が「EIS」を主張している場合でも。

高速回転運動でテストします。 最も一般的な安定化の失敗モードは急速回転です。 — 高速パンやハンドルバーの振動パターンによるもの-起伏の多い地形に設置されたカメラ。縦リニアブレ(歩く、走る) EIS にとって最も簡単にキャンセルできるモーションです。カメラの安定化品質を評価するときは、意図的な高速パンでテストしてください — これは、200 Hz と 1000 Hz の間のジャイロ サンプル レートの違いが最も顕著に現れる場所です。

OIS + EISは中頃には標準になりつつある-層。 OIS アクチュエータのコストが低下するにつれて、メーカーはマイクロ用の OIS を組み合わせています。-大規模な場合の EIS によるジッター補正-動きの安定化。この組み合わせにより、特に低負荷環境において、どちらかのテクノロジー単独よりも優れた結果が得られます。-EIS クロップファクターによりセンサーノイズが増幅される可能性がある光条件。

アクション カメラの安定化技術は、従来の EIS 品質の頭打ちに近づいています — ジャイロ サンプル レートがさらに増加すると、収量が減少して利益が減少する点に近づいています。次のフロンティアはおそらく AI です-安定化を支援。初期の実装ではシーン分析を使用して意図的なカメラの動きを区別しました (被写体を追うためのパン) 意図しないブレを防ぎ、意図的な動きを維持する非対称補正を適用します。この機能は、Horizo​​n Lock と AutoBoost を備えた GoPro の HyperSmooth 5.0 にすでに搭載されており、2 ～ 3 製品世代以内にこのカテゴリ全体でほぼ確実に標準になるでしょう。

メーカーにとって、競争上の差別化は「映像がどれだけ安定しているか」から「動きの感覚を保ちながら映像がどれだけ安定しているか」へと移りつつあります。最良の安定化とは、視聴者が気付かない安定化です。