Стабилизация экшн-камеры не следовала единому линейному пути. За последнее десятилетие сосуществовали и конкурировали три различных подхода, каждый из которых решал проблему по-своему.

Механические подвесы (2013 год–пик 2018 года). Три-Осевые бесщеточные моторные подвесы физически противостоят-поверните корпус камеры, чтобы отменить движение. Они прекрасно работают — нулевое кадрирование, нулевое ухудшение изображения — за счет веса, объема, энергопотребления и механической хрупкости. Подвес-снаряженная боевая установка весит 300 г.–600 грамм против 80–120 грамм для автономной камеры.

Рисунок 2: Тройка-Осевой подвес использует независимые бесщеточные двигатели для отклонения от курса (базовое вращение), шаг (боковой наклон), и катиться (вращение ствола). Корпус камеры подвешен на пересечении всех трех осей. Когда рука пользователя дрожит, двигатели счетчика-вращаться в реальном времени, чтобы камера оставалась на уровне — доставка кино-стабильность качества изображения без ухудшения качества изображения за счет значительного веса и механической сложности.

Оптическая стабилизация изображения — ОИС (2015 год–настоящий). Плавающая линза, управляемая голосом-катушечные двигатели или приводы MEMS физически смещаются для компенсации небольших угловых перемещений. OIS исправляет возможно 1–2 степени встряхивания — полезен при дрожании рук и легкой вибрации платформы, но недостаточен для резких движений в автоспорте или при катании на горных лыжах. Большинство современных экшн-камер используют OIS в качестве дополнения к электронной стабилизации, а не ее замены.

 [ ФИГУРА — Как оптическая стабилизация изображения (ОИС) работает ]

Рисунок 3: OIS работает по замкнутому контуру обратной связи. Чип гироскопа обнаруживает угловую вибрацию и отправляет корректирующие сигналы в голос.-катушечные двигатели (ВКМ) по бокам одного плавающего элемента линзы. VCM смещают линзу вбок, чтобы перенаправить световой путь обратно в центр датчика. — исправление 1-2 градуса дрожания без штрафа за обрезку. Однако ограниченный диапазон перемещения плавающего элемента означает, что OIS в одиночку не сможет справиться с жестоким, многократным-осевое движение спортивных состязаний.

Электронная стабилизация изображения — ЭИС (2018 год–настоящий, доминирующий). Никаких движущихся частей. Камера использует данные гироскопа и акселерометра. — отобрано на уровне 200–1000 Гц — чтобы отобразить точную ориентацию корпуса камеры для каждого кадра. Затем процессор сигнала изображения обрезает немного большую область датчика и в цифровом виде сдвигает, поворачивает и деформирует каждый кадр, чтобы отменить измеренное движение. Эта технология лежит в основе HyperSmooth от GoPro, RockSteady от DJI и каждой флагманской экшн-камеры с 2018 года.

 [ ФИГУРА — Как электронная стабилизация изображения (ЭИС) работает ]

Рисунок 4. EIS опирается на двойку-конвейер данных этапа без движущихся частей. Первый этап (ушел): поток данных гироскопа, акселерометра и датчика изображения в интернет-провайдер на 200–1000 Гц. Интернет-провайдер выполняет оценку движения, преобразование деформации и коррекцию роллет-ставни за один проход. Второй этап (правильно): интернет-провайдер обрезает все показания датчика (например, 48 МП) вплоть до выходного разрешения (например, 4К / 8,3 МП), используя дополнительную зону датчика в качестве запаса по высоте для стабилизации. Стабилизированная рама геометрически идеальна. — но 5–15% при этом часть площади датчика отбрасывается.

Рисунок 1. Сравнение трех подходов к стабилизации экшн-камеры по пяти параметрам производительности. EIS доминирует над современными флагманами, поскольку обеспечивает-стабильность подвеса за долю веса, размера и затрат на электроэнергию — хотя он идет с кропом-факторная торговля-от этого подвесы полностью избегают. Три принципиальные диаграммы на следующих страницах объясняют физический механизм каждого подхода.

Магия современной EIS происходит в конвейере, который работает 30 или 60 раз в секунду. Вот что происходит между моментом попадания света на датчик и моментом записи стабилизированного кадра на SD-карту.

Шаг 1: Выборка гироскопа. МЭМС-гироскоп измеряет угловую скорость по трем осям под углом 200°.–1000 Гц. Это означает, что камера знает свое точное положение вращения. — тангаж, рыскание и крен — подменить-степень точности, намного быстрее, чем частота кадров видео. Поток данных гироскопа — это время-синхронизируется с показаниями жалюзи датчика изображения, так что каждый ряд пикселей может быть связан с точной ориентацией.

Шаг 2: Расчет траектории движения. Интернет-провайдер вычисляет траекторию движения камеры на протяжении экспозиции каждого кадра. Этот шаг требует больших вычислительных ресурсов, поскольку датчики с рольставнями отображают пиксели ряд за рядом. — нижняя часть кадра захватывается немного позже верхней, и во время быстрого движения эта разница во времени приводит к геометрическим искажениям, которые алгоритм также должен исправить.

Шаг 3: Деформация и обрезка. Используя траекторию движения, интернет-провайдер применяет перспективную деформацию к полному изображению с сенсора. — смещение, вращение и де-искажаю каждый пиксель — так что выходной кадр выглядит так, как будто камера во время экспозиции находилась совершенно неподвижно. Поскольку деформация смещает пиксели от краев к центру, выходной кадр представляет собой обрезку полного показания датчика. Типичные коэффициенты урожая варьируются от 5% в мягких условиях до 15% в крайнем движении — поэтому стабилизация обычно более агрессивна в широком диапазоне-угловые режимы, которые начинаются с дополнительного запаса поля зрения.

Шаг 4: Коррекция рольставней. Быстрое горизонтальное движение в сочетании со считыванием показаний рольставней создает характерный эффект перекоса «желе». Современные конвейеры EIS исправляют это, применяя-геометрическое преобразование строк, эффективно выпрямляющее вертикальные линии, которые в противном случае выглядели бы наклоненными.

ЭИС — это программное обеспечение-управляемый, но оборудование под ним определяет его потолок. Три компонента имеют решающее значение.

Качество гироскопа и частота дискретизации. Потребитель-МЭМС-гироскопы обычно производят выборку с частотой 200 Гц. Высокий-торцевые экшн-камеры используют 400–Гироскопы с частотой 1000 Гц и низким уровнем шума, позволяющие более точно оценивать движение на высоких скоростях. Это единственный компонент, наиболее напрямую коррелирующий с качеством стабилизации.

Высота кадра — Разрешение сенсора и поле зрения. EIS стабилизируется обрезкой. А 12-мегапиксельный сенсор, снимающий видео 4K (8,3 МП) имеет около 30% запасные пиксели для стабилизационной обрезки до того, как разрешение упадет ниже 4K. А 48-мегапиксельный сенсор, снимающий 4K, имеет огромный запас мощности — вот почему выше-мегапиксельные датчики обеспечивают более агрессивную EIS без видимой потери разрешения.

Вычислительная мощность интернет-провайдера. Каждый кадр должен быть геометрически деформирован в реальном времени со скоростью 30 или 60 кадров в секунду. Для этого требуется способный интернет-провайдер со специальным аппаратным обеспечением варп-движка, а не общий-ЦП назначения. Чипсеты, такие как H22 от Ambarella и NT96683 от Novatek, включают в себя аппаратные блоки деформации, специально разработанные для конвейеров EIS.

Рисунок 5. Фундаментальная сделка-выключена при электронной стабилизации изображения. Более агрессивная стабилизация (меньшее размытие изображения, более плавные кадры) требуется больше обрезки — что сужает поле зрения. Оптимальное значение для большинства вариантов использования действий находится между 5% и 10% кадрирование, где качество стабилизации резко улучшается с минимальным ухудшением поля зрения. После 12–15%, потеря поля зрения становится визуально заметной, и большинство производителей соответствующим образом ограничивают свои алгоритмы стабилизации.

Большинство потребителей знают стабилизацию по торговым маркам. — HyperSmooth, RockSteady, FlowState — но они построены на небольшом количестве базовых платформ чипсетов ISP.

Разрыв между флагманом и новинкой-уровень EIS драматичен. Гироскоп с частотой 1000 Гц, питающий цель-Встроенный варп-двигатель производит кадры, которые действительно могут конкурировать с механическим стабилизатором. Гироскоп 100 Гц с программным обеспечением-только цифровая стабилизация изображения дает практически непригодные результаты при высоких-сценарии движения.

Для OEM-покупателей именно на этом уровне набора микросхем согласовываются стоимость и качество. Выбор производителя платформы ISP определяет потолок достижимого качества стабилизации независимо от разрешения сенсора или качества объектива.

Рисунок 6. Эволюция частоты дискретизации MEMS-гироскопов в чипсетах экшн-камер, 2015 г.–2025. Скачок со 100 Гц до 400.–1000 Гц в период с 2018 по 2020 год — вот что позволило программному обеспечению-электронная стабилизация, которая наконец-то превзошла механические подвесы по практическим характеристикам. Каждое увеличение частоты дискретизации напрямую повышает точность оценки движения. — особенно для высоких-скоростные вращательные движения.

Понимание технологии напрямую приводит к принятию более эффективных решений о покупке. Вот что нужно искать.

Не все EIS созданы равными. «Электронная стабилизация изображения» в технических характеристиках ничего не говорит о качестве. Чипсет и частота дискретизации гироскопа соответствуют реальным характеристикам. Если производитель не может сообщить вам платформу ISP и характеристики гироскопа, лежащие в основе реализации EIS, скорее всего, стабилизация является программной.-единственный и низкий-качество.

Мегапиксели сенсора имеют значение для запаса стабилизации. более высокий-Съемка с датчика разрешения при заданном выходном разрешении обеспечивает больший запас кадрирования, что напрямую обеспечивает лучшую производительность EIS. Это одна из причин, почему датчики 48 МП в камерах 4K обеспечивают заметно лучшую стабилизацию, чем датчики 12 МП в камерах 4K. — даже если оба заявляют «EIS».

Тест с быстрым вращательным движением. Наиболее распространенным видом отказа стабилизации является быстрое вращение. — будь то быстрое панорамирование или вибрация руля-установлены камеры на пересеченной местности. Вертикальное линейное встряхивание(ходьба, бег) это самый простой способ отмены EIS. Оценивая качество стабилизации камеры, проверяйте ее с намеренным быстрым панорамированием. — именно здесь наиболее заметна разница в частоте дискретизации гироскопа между 200 Гц и 1000 Гц.

ОИС + EIS становится стандартом в середине-уровень. Поскольку стоимость приводов OIS снижается, производители комбинируют OIS для микросхем.-коррекция джиттера с помощью EIS для больших-стабилизация движения. Комбинация дает превосходные результаты по сравнению с любой технологией по отдельности, особенно при низких температурах.-условия освещенности, когда кроп-факторы EIS могут усиливать шум датчика.

Технология стабилизации в экшн-камерах приближается к плато в традиционном качестве EIS — мы находимся рядом с точкой, где дальнейшая частота дискретизации гироскопа увеличивает выход, уменьшая отдачу. Следующим рубежом, вероятно, станет искусственный интеллект-вспомогательная стабилизация. Ранние реализации используют анализ сцены, чтобы отличить намеренное движение камеры. (панорамирование, чтобы следить за объектом) от непреднамеренного сотрясения, применяя асимметричную коррекцию, сохраняющую преднамеренное движение. Эта возможность уже присутствует в GoPro HyperSmooth 5.0 с Horizon Lock и AutoBoost и почти наверняка станет стандартом для всей категории в течение двух-трех поколений продуктов.

Для производителей конкурентная дифференциация смещается с «насколько стабилен отснятый материал» на «насколько стабилен отснятый материал, сохраняя при этом ощущение движения». Лучшая стабилизация — та, которую зритель не замечает.