Стабілізація екшн-камери не йшла по одному лінійному шляху. Протягом останнього десятиліття співіснували та конкурували три різні підходи, кожен з яких вирішував проблему по-різному.

Механічні кардани (2013 рік–2018 пік). три-вісь безщіткового двигуна карданних підвісів фізично протилежна-поверніть корпус камери, щоб скасувати рух. Вони чудово працюють — нульове кадрування, нульове погіршення зображення — ціною ваги, обсягу, енергоспоживання та механічної крихкості. Карданний підвіс-споряджена бойова установка важить 300–600 грамів проти 80–120 грам для окремої камери.

Малюнок 2: трійка-вісь gimbal використовує незалежні безщіточні двигуни для повороту (базове обертання), крок (бічний нахил), і рулон (обертання стовбура). Корпус камери підвішений на перетині всіх трьох осей. Коли рука користувача тремтить, двигуни протидіють-повертати в режимі реального часу, щоб утримувати камеру рівно — доставка кіно-стабільність класу з нульовою деградацією зображення ціною значної ваги та механічної складності.

Оптична стабілізація зображення — OIS (2015 рік–присутній). Плаваючий лінзовий елемент, керований голосом-спіральні двигуни або приводи MEMS, фізично зміщуються, щоб компенсувати невеликі кутові рухи. OIS виправляє, можливо, 1–2 ступеня струсу — корисний для тремтіння рук і слабкої вібрації платформи, але недостатній для різкого руху під час автоспорту чи катання на гірських лижах. Більшість сучасних екшн-камер використовують OIS як доповнення до електронної стабілізації, а не як заміну.

 [ ФІГУРА — Як оптична стабілізація зображення (OIS) працює ]

Рисунок 3: OIS працює за замкнутим контуром зворотного зв’язку. Мікросхема гіроскопа виявляє кутову вібрацію та надсилає сигнали корекції голосу-спіральні двигуни (VCM) з боків одного плаваючого елемента лінзи. VCM зсувають лінзу вбік, щоб перенаправити шлях світла назад у центр датчика — виправлення 1-2 ступені струшування без втрати врожаю. Однак обмежений діапазон руху плаваючого елемента означає, що OIS сам по собі не може впоратися з жорстоким, мульти-вісь руху дійових видів спорту.

Електронна стабілізація зображення — EIS (2018 рік–присутній, домінуючий). Немає рухомих частин. Камера використовує дані гіроскопа та акселерометра — відібрано на 200–1000 Гц — щоб визначити точну орієнтацію корпусу камери для кожного кадру. Потім процесор сигналу зображення обрізає трохи більшу область датчика та цифровим способом зміщує, повертає та деформує кожен кадр, щоб скасувати виміряний рух. Це технологія, яка лежить в основі HyperSmooth від GoPro, RockSteady від DJI та всіх флагманських екшн-камер з 2018 року.

 [ ФІГУРА — Як електронна стабілізація зображення (EIS) працює ]

Рисунок 4: EIS спирається на два-етапний конвеєр даних з нульовими рухомими частинами. Етап перший (зліва): дані гіроскопа, акселерометра та датчика зображення надходять у ISP на 200–1000 Гц. Інтернет-провайдер виконує оцінку руху, трансформацію деформації та корекцію шторки за один прохід. Етап другий (правильно): ISP обрізає повне зчитування датчика (наприклад, 48 Мп) до вихідної роздільної здатності (наприклад, 4K / 8,3 Мп), використовуючи додаткову зону датчика як запас стабілізації. Стабілізована рама геометрично ідеальна — але 5–15% зони датчика відкидається в процесі.

Рисунок 1. Три підходи до стабілізації екшн-камери порівняно з п’ятьма параметрами продуктивності. EIS домінує над сучасними флагманами, оскільки забезпечує близькість-Стабільність підвісу при незначній вазі, розмірі та вартості електроенергії — хоча він поставляється з урожаєм-факторна торгівля-повністю уникати карданних підвісів. Три принципові схеми на наступних сторінках пояснюють фізичний механізм кожного підходу.

Магія сучасної EIS відбувається в конвеєрі, який працює 30 або 60 разів на секунду. Ось що відбувається між моментом потрапляння світла на датчик і моментом запису стабілізованого кадру на SD-карту.

Крок 1: вибірка гіроскопа. Гіроскоп MEMS вимірює кутову швидкість по трьох осях при 200–1000 Гц. Це означає, що камера знає своє точне положення обертання — тангаж, поворот і крен — до суб-ступінь точності, набагато швидше, ніж частота кадрів відео. Потік даних гіроскопа – це час-синхронізується зі зчитуванням датчика зображення, щоб кожен рядок пікселів можна було пов’язати з точною орієнтацією.

Крок 2: Розрахунок траєкторії руху. ISP обчислює траєкторію руху камери протягом тривалості кожного кадру. Цей крок є інтенсивним з точки зору обчислень, оскільки датчики ролетних штор виставляють пікселі рядок за рядом — нижня частина кадру фіксується трохи пізніше, ніж верхня, і під час швидкого руху ця різниця в часі перетворюється на геометричне спотворення, яке алгоритм також має виправити.

Крок 3: Деформація та обрізка. Використовуючи траєкторію руху, ISP застосовує перспективну деформацію до повного зображення датчика — зміщення, обертання та де-перекос кожного пікселя — щоб вихідний кадр виглядав так, ніби камера була повністю нерухома під час експозиції. Оскільки деформація тягне пікселі від країв до центру, вихідний кадр є кадруванням повного зчитування датчика. Типові коефіцієнти культури коливаються від 5% в м'яких умовах до 15% в екстремальному русі — тому стабілізація зазвичай більш агресивна в широкому діапазоні-кутові режими, які починаються з додаткового поля зору.

Крок 4: Корекція рулонного затвора. Швидкий горизонтальний рух у поєднанні зі зчитуванням із рухомим затвором створює характерний ефект перекосу «желе». Сучасні конвеєри EIS виправляють це, застосовуючи per-геометричне перетворення рядків, ефективно випрямляючи вертикальні лінії, які інакше виглядали б похилими.

EIS - це програмне забезпечення-керований, але обладнання під ним визначає його стелю. Критичними є три компоненти.

Якість гіроскопа та частота дискретизації. Споживач-гіроскопи класу MEMS зазвичай відбирають при 200 Гц. Високий-кінцеві екшн-камери використовують 400–Гіроскопи 1000 Гц з нижчим рівнем шуму, що дозволяє точніше оцінювати рух на високих швидкостях. Це єдиний компонент, який безпосередньо корелює з якістю стабілізації.

Запас урожаю — роздільна здатність датчика та поле зору. EIS стабілізується шляхом кадрування. А 12-мегапіксельний датчик для зйомки відео 4K (8,3 Мп) має приблизно 30% запасні пікселі для стабілізаційного кадрування, перш ніж роздільна здатність впаде нижче 4K. А 48-мегапіксельний датчик для зйомки 4K має величезний запас — тому вище-мегапіксельні датчики забезпечують більш агресивну EIS без видимої втрати роздільної здатності.

Обчислювальна потужність ISP. Кожен кадр має бути геометрично деформований у реальному часі зі швидкістю 30 або 60 кадрів\/с. Для цього потрібен потужний Інтернет-провайдер із спеціальним апаратним забезпеченням механізму деформації, а не генерал-призначення CPU. Чіпсети, такі як H22 від Ambarella та NT96683 від Novatek, містять апаратні блоки деформації, спеціально розроблені для конвеєрів EIS.

Рисунок 5: Основна торгівля-вимкнено в електронній стабілізації зображення. Більш агресивна стабілізація (менше розмиття в русі, більш плавне відео) вимагає більшої обрізки — що звужує поле зору. Найкраще місце для більшості випадків використання екшенів знаходиться між 5% і 10% урожай, де якість стабілізації різко покращується з мінімальним поразкою кута зору. Поза 12–15%, втрата кута огляду стає візуально помітною, і більшість виробників відповідно обмежують свої алгоритми стабілізації.

Більшість споживачів знають стабілізацію за назвами брендів — HyperSmooth, RockSteady, FlowState — але вони побудовані на невеликій кількості базових чіпсетних платформ ISP.

Розрив між флагманським і початковим-рівень EIS драматичний. Гіроскоп 1000 Гц живить мету-Вбудований двигун деформації створює кадри, які справді конкурують із механічним підвісом. Гіроскоп 100 Гц із програмним забезпеченням-тільки цифрова стабілізація зображення дає на межі непридатні для використання результати у високих-сценарії руху.

Для покупців OEM цей рівень чіпсета є місцем, де обговорюються вартість і якість. Вибір виробником платформи ISP визначає межу досяжної якості стабілізації незалежно від роздільної здатності датчика чи якості об’єктива.

Рисунок 6: Еволюція частот дискретизації MEMS-гіроскопа в чіпсетах екшн-камер, 2015 р.–2025. Стрибок зі 100 Гц до 400–1000 Гц між 2018 і 2020 роками — це те, що дозволило програмне забезпечення-заснована на електронній стабілізації, щоб нарешті перевершити механічні підвіси в практичній продуктивності. Кожне збільшення частоти дискретизації безпосередньо покращує точність оцінки руху — особливо для високих-швидкість обертальних рухів.

Розуміння технології безпосередньо перетворюється на прийняття кращих рішень щодо покупки. Ось на що звернути увагу.

Не всі EIS однакові. «Електронна стабілізація зображення» в технічних характеристиках нічого не говорить про якість. Чіпсет і частота дискретизації гіроскопа є справжніми характеристиками. Якщо виробник не може повідомити вам платформу ISP і специфікації гіроскопа, що лежать в основі реалізації EIS, стабілізація, швидше за все, програмна.-єдиний і низький-якість.

Мегапікселі сенсора важливі для стабілізації. Вищий-зйомка датчика роздільної здатності із заданою вихідною роздільною здатністю забезпечує більший запас кадрування, що безпосередньо забезпечує кращу продуктивність EIS. Це одна з причин, чому датчики 48 МП у камерах 4K забезпечують помітно кращу стабілізацію, ніж датчики 12 МП у камерах 4K — навіть коли обидва стверджують "EIS".

Тест із швидким обертальним рухом. Найпоширенішим режимом відмови стабілізації є швидке обертання — через швидке панорамування чи вібрацію керма-встановлені камери на пересіченій місцевості. Вертикальне лінійне струшування(ходьба, біг) це рух, який EIS найлегше скасувати. Оцінюючи якість стабілізації камери, випробуйте навмисне швидке панорамування — саме тут найбільш помітна різниця частоти дискретизації гіроскопа між 200 Гц і 1000 Гц.

OIS + EIS стає стандартом у середині-ярус. Оскільки витрати на OIS приводи знижуються, виробники поєднують OIS для мікро-корекція тремтіння з EIS для великих-стабілізація руху. Комбінація дає кращі результати, ніж будь-яка технологія окремо, особливо в низьких-умови освітлення, де кроп-фактори EIS можуть посилювати шум датчика.

Технологія стабілізації в екшн-камерах наближається до плато в традиційній якості EIS — ми близькі до точки, де подальша частота дискретизації гіроскопа збільшує врожайність, зменшуючи віддачу. Наступний рубіж, ймовірно, ШІ-сприяння стабілізації. Ранні реалізації використовують аналіз сцени, щоб розпізнати навмисний рух камери (панорамування, щоб стежити за об’єктом) від ненавмисного струсу, застосовуючи асиметричну корекцію, яка зберігає навмисний рух. Ця функція вже присутня в GoPro HyperSmooth 5.0 із Horizon Lock і AutoBoost і майже напевно стане стандартною для цієї категорії через два-три покоління продуктів.

Для виробників конкурентна диференціація зміщується від «наскільки стабільний відзнятий матеріал» до «наскільки стабільний відзнятий матеріал, зберігаючи відчуття руху». Найкраща стабілізація – та, яку глядач не помічає.