Kako deluje optična stabilizacija - Proč s tresočimi rokami

Nismo skupinsko postali bistveno mirnejši, manj tresočih rok in ostrejšega pogleda, kakor bi naivno sklepali iz primerjave domačih video posnetkov izpred 20 let z današnjimi, temveč je stabilizacija slike prispela v praktično vse pametne telefone. Načinov je več, od mehaničnih prek digitalnih do umetne inteligence, vsem pa je skupen cilj. Današnji video posnetki so zato gladki in umirjeni, fotografije pa ostre.

Domači video posnetki iz 90. let, ki smo jih vestno snemali na kasete VHS, so zaradi tresenja često negledljivi. Verjetno ni smučarja, kolesarja ali tekača, ki je poskušal kaj posneti, a je bil rezultat bolj primeren za testiranje zdravil proti morski bolezni kot kaj drugega. Že malenkostni tresljaji, ki ob premikanju sploh niso tako malenkostni, imajo velike posledice za kakovost posnetka. S fotografijami je nekoliko lažje, a še vedno je treba fotoaparat držati pri miru za čas zajema. Danes so te težave bistveno milejše, ker imajo tudi že najcenejši telefoni vsaj eno vrsto stabilizacije slike. Kot za mnogo težav imamo poceni in drage rešitve, mehanske in digitalne rešitve, ki so vedno kompromisi.

Potreba po stabilizaciji slike je stara toliko kot snemanje samo. Snemanje z nepremičnimi kamerami se je že v prvih letih filma izkazalo kot preveč omejujoče, zato so preizkušali različne načine premikanja kamer, kar je prineslo težave s stabilnostjo slike. Prve kamere so bile težke, zato je bilo ročno snemanje redko. Snemanju z vozičkov (camera dolly) je ročno snemanje moglo resno konkurirati šele po zadostni miniaturizaciji kamer. Dotlej pa so pretežno snemali še z žerjavov (camera crane) in višine (aerial shot). Pomemben mejnik predstavlja stabilizator za ročno snemanje (steadicam), ki v celoti razklopi gibanje snemalca in kamere. Leta 1975 ga je izumil Garrett Brown.

Fizična (zunanja) stabilizacija, kakršno nudi steadicam, za domačo uporabo ni praktična. Slika: John E. Fry.

A vse te rešitve so za domačega uporabnika, ki bi želel s svojim pametnim telefonom posneti kolega med plezanjem, neizvedljive. Tu so na pomoč priskočili proizvajalci fotoaparatov, katerih znanje so z leti posvojili tudi proizvajalci pametnih telefonov.

Trije glavni vzroki obstajajo, zakaj fotografija ni ostra. Če fotografirani objekt ni v fokusu, potem bo posnetek meglen, saj bo fotografija izostrena na neko drugo razdaljo (kjer je ozadje ali pa celo nič). Te težave ni mogoče rešiti s stabilizacijo slike, temveč z ustrezno izostritvijo. Na že posnetih fotografijah lahko do neke mere pomaga umetna inteligenca, a gre v tem primeru za inteligentno ugibanje, torej dodajanje informacij, ki jih na fotografiji ni.

Drugi vzrok je premikajoči se objekt. Fotografija se zajema toliko časa, kolikor je izpostavljen detektor. Ključna sta torej velikost zaslonke in to, koliko časa je odprta oziroma izpostavljena svetlobi (shutter speed). Če se predmet premika hitro, mora biti hitrost zaslonke dovolj velika, da se v tem času ne premakne znatno, sicer bo zamazan. Tudi s tem stabilizacija slike nima nič.

Tretji dejavnik pa je premikanje kamere, ki je lahko v obliki tresenja sicer mirujoče kamere oziroma fotoaparata ali pa negladkega premikanja. Te težave pa bolj ali manj uspešno rešuje stabilizacija slike.

Optična stabilizacija

Če odmislimo fizično stabilizacijo, kjer eksterno poskrbimo, da se kamera ali fotoaparat ne premika neželeno, obstajajo trije načini. Običajno sicer govorimo o optični (OIS) in elektronski ali digitalni stabilizaciji (EIS), a ima prva dve podvrsti. Čeprav je bila sprva del dražjih fotoaparatov, so jo tudi pametni telefoni dobili sorazmerno zgodaj.

A LG je že leta 2007 v svoj telefon Viewty vgradil programsko (digitalno) stabilizacijo slike. To ni presenetljivo, saj so bile prav fotografske zmogljivosti glavni adut telefona. Imel je detektor s petimi milijoni točk, optiko Schneider Kreuznach, ksenonsko bliskavico in samodejno ostrenje (autofocus). Zmogljivost programske stabilizacije je bila omejena, kot so bile tedaj omejene tudi računske kapacitete, a vseeno je predstavljala pomemben korak naprej v primerjavi s sodobniki. Optično stabilizacijo pa je pet let pozneje v svojo Lumio 920 vgradila Nokia. Telefon je imel detektor z 8,7 milijona točk, optiko Carl Zeiss in optično stabilizacijo.

Optično stabilizacijo je mogoče izvesti na dva načina. Dražji, nekateri bodo rekli tudi edini pravi, način, ki se s tujko imenuje in lens stabilization, najdemo le v fotoaparatih. Različni proizvajalci ga tržijo z najrazličnejšimi imeni (Nikon Vibration Reduction, Canon Image Stabilizer), koncept pa je v vseh primerih soroden. Canon je prve objektive IS izdal že leta 1995, Nikon pa VR pet let pozneje. Ti objektivi so prilagojeni tako, da se leče v njih premikajo na način, ki kompenzira premikanje fotoaparata. Na senzor tako prileti že »umirjena« svetloba, ki ima tresenje kompenzirano.

Glavne prednosti so boljši rezultati, saj je moč nastavitve prilagoditi za vsak objektiv posebej, večja učinkovitost s telefoto objektivi in boljše delovanje pri nizkih stopnjah osvetlitve, saj senzor zadene že stabilizirana slika. V preteklosti je bila prednost tudi jasna slika na iskalu pri fotoaparatih DSLR (če stabilizacija poteka kasneje, torej na senzorju, potem v iskalu vidimo nestabilizirano sliko), poleg tega pa še manjši in cenejši fotoaparati (ker so bili objektivi pač ustrezno dražji). Slabosti pa so odsotnost nekaterih vrst objektivov, višja cena, potreba po nakupu novih objektivov ob nadgradnji optične stabilizacije in v nekaterih primerih moteč visokofrekvenčni zvok ob uporabi.

Stabilizacijo pa lahko izvajamo neposredno na senzorju (in body image stabilization). V tem primeru so objektivi lahko »neumni«, saj je mehanizem za stabilizacijo slike vgrajen v sam okvir fotoaparata. Prednosti so povezane s tem: deluje na vseh objektivih, ki so tudi manjši, lažji in cenejši; za uporabo novega sistema optimizacije moramo nadgraditi fotoaparat, ne objektivov; ni težav z zvokom. Glavne slabosti pa so slabše delovanje ob šibki osvetlitvi, slabše delovanje osvetlitvene avtomatike (ker prejme nestabilizirano sliko) in slabše delovanje na daljavo (telefoto objektiv), ker že majhni premiki kamere povzročijo velik premik slike. Zadnje je verjetno še največja omejitev.

Stabilizacijo lahko izvajamo v objektivu ali kameri.

Medtem ko sta Canon in Nikon orala ledino s stabilizacijo v objektivu, čemur se niti zdaj zaradi dobrih dobičkov nista želela odpovedati, je konkurenca, ki je sledila, uporabljala konkurenčni način. Konica Minolta je prva uporabila stabilizacijo v aparatu, torej s premikanjem senzorja, zdaj pa to uporabljajo še Sony, Olympus in Pentax. In uporabnikom je to všeč, tako da je tudi Canon lani izdal prvi fotoaparat, ki uporablja stabilizacijo v aparatu in ne v objektivu.

Dejstvo je, da oba sistema delujeta dobro, a obstajajo med njima nekatere razlike. Tudi zato med fotografi najdemo prave »svete vojne«, kateri je boljši. Enoznačnega odgovora tu ni moč podati.

Pri telefonih dileme ni

Pametni telefoni, ki se hvalijo z optično stabilizacijo, uporabljajo stabilizacijo leče v objektivu na glavni kameri. To je pričakovano, ker zaradi svoje majhnosti prostora za kaj več preprosto nimajo. Optično stabilizacijo imajo dražji samsungi, huaweiji, xiaomiji, lgji in seveda appli ter googlovi pixli. Skoraj vsi, tudi cenejši, pa imajo vsaj elektronsko stabilizacijo, ki se izvaja programsko. V zadnjem času postaja priljubljena tudi hibridna stabilizacija, ki uporablja obe metodi.

Šele najnovejši iPhone 12 Pro Max je prinesel stabilizacijo s premikanjem senzorja za širokokotni objektiv. Nekateri telefoni pa se pohvalijo tudi z dvojno optično stabilizacijo (dual OIS), kar pomeni, da je ne uporabljajo le na primarni kameri, temveč tudi drugi.

Pri fotografiranju hibridna stabilizacija nima prednosti, drugače pa je pri snemanju video posnetkov. Zgolj optična stabilizacija močnega tresenja ne more odpraviti, elektronska (digitalna) stabilizacija pa žrtvuje nekaj kakovosti posnetka in ga tudi obreže. Uporaba obeh metod hkrati je v tem primeru koristna.

Izkaže se tudi, da je lahko pri snemanju video posnetkov s telefonom uporaba samo optične stabilizacije v resnici slabša od digitalne (a še vedno boljša kot nič). Pri optični stabilizaciji gre za fizične premike. Z žiroskopi in akcelerometri telefon oziroma aparat zazna premikanje, potem pa z mikroelektromehanskimi sistemi izvede premik leče v nasprotno smer, da efekt izniči. Toda fizični premiki niso hipni, temveč vzamejo nekaj časa. Pri fotografiranju to ni problem, če pa želimo posneti video posnetek s hitrim osveževanjem (frame rate), nas to omejuje. Prav tako lahko optična stabilizacija pri video posnetkih povzroči »žele« efekt.

Elektronska stabilizacija teh težav nima, ker popravljanje poteka digitalno na zajeti sliki. Mehanskega mehanizma ni nikjer. Prav tako omogoča predvidevanje, saj iz podatka o trenutnem premikanju sklepa o zamiku naslednje sličice in ustrezno reagira. Tudi prva generacija telefonov Google Pixel sploh ni imela optične stabilizacije, pa so bili video posnetki dobri. Še ena prednost digitalnih sistemov pa je njihova nadgradljivost s programskimi posodobitvami. Ko proizvajalci telefona naberejo dovolj informacij, kako v praksi delujejo algoritmi za kompenzacijo tresenja, jih lahko izboljšajo, kar redno počnejo.

Isaac Reynolds, ki v Googlu vodi oddelek za kamere na telefonih, je ob izidu prvih pixlov pojasnil: »EIS in OIS imata zelo različna namena, zato ju ni mogoče primerjati in reči, kateri je boljši ali slabši. OIS prvenstveno izboljša fotografiranje ob nizki stopnji osvetlitve s fizično kompenzacijo za tresenje rok na enem posnetku, medtem ko EIS izboljša tresoč video z vzdrževanjem konsistentnega vidnega polja med več sličicami. OIS je v glavnem za fotografije, EIS pa za video posnetke.«

Ni seveda odveč poudariti, da moramo pri snemanju na stojalu ali s fizično stabilizacijo izklopiti optično stabilizacijo. Tedaj namreč neželenega premikanja ni, bi pa lahko šibko gibanje zaradi delovanja žiroskopov zašlo v pozitivno povratno zanko, ko bi čedalje bolj kompenzirali neobstoječ efekt, kar sliko zamegli. Novejše naprave so sposobne take pogoje zaznati in same izključijo vgrajeno stabilizacijo.

Kako deluje

Če smo doslej razpravljali, kaj dosežeta optična stabilizacija – mehanski popravek potovanja svetlobe na poti do senzorja – in digitalna, zdaj poglejmo, kako jima to uspe. Za stabilizacijo leče v objektivu potrebujemo elektromagnete, ki jo premikajo glede na optično os v objektivu. Za zaznavanje premikanja kamere se uporabljajo žiroskopi, ki so vgrajeni v objektiv. Eden zaznava premike po vertikalni osi, drugi pa po horizontalni. V oglasih bomo videli hvaljenje s štiri- ali petosno stabilizacijo. Kako je to mogoče v tridimenzionalnem svetu? Gre za premikanje in vrtenje: tri osi ustrezajo vrtenju okrog lastnih osi po vseh treh dimenzijah (pitch, roll, yaw), dve pa translacijskemu premikanju.

Optična stabilizacija v aparatu, torej s premikanjem senzorja, pa »miri« drugi del fotografskega sklopa. Tudi v tem primeru gibanje celotne naprave zaznavajo žiroskopi, senzor pa potem premikamo na piezoelektrični efekt. Senzor je namreč umeščen v dva nosilca, ki ga premikata vsak po svoji osi.

Čeprav žiroskope iz zgodovine poznamo kot vrtavke, ki se lahko vrtijo okrog vseh treh osi, so današnji žiroskopi v elektronskih napravah konceptualno drugačni, dasi imajo enak namen. Gre za mikroelektromehanske sisteme (MEMS), ki so vgrajeni v čipih in izkoriščajo coriolisov učinek za merjenje spremembe orientacije glede na začetno. V pospešenih sistemih se namreč pojavi sistemska sila, tako imenovan coriolisova sila (v resnici se predmeti zaradi vztrajnosti upirajo spremembi hitrosti), ki jo merijo skozi vpliv na nihanje drobnih delcev.

Slika mikroelektromehanskega žiroskopa z vrstičnim mikroskopom. Slika: Chipworks.com

SLIKA ois.png V telefonih optična stabilizacija skrbi za premikanje plavajoče leče v objektivu.

Močno magnetno polje je eden izmed dejavnikov, ki motijo optično stabilizacijo, kar v dokumentaciji za iphone navaja tudi Apple. Problem so lahko dodatki za telefon, ki ustvarjajo lastna, ne nujno zelo močna, magnetna polja. Ker pa ima telefon magnetne senzorje, ki zaznavajo položaj objektiva glede na senzor, jih zunanja magnetna polja motijo.

Digitalna stabilizacija pa je računski problem. Še vedno dobi informacijo o gibanju iz žiroskopov ali pospeškomerov (akcelerometer), a ne poskuša fizično premikati objektiva ali senzorja, temveč obdela sliko. Algoritmi so zapleteni in zlasti pri video posnetkih upoštevajo več dejavnikov, ne le izmerjenih premikov. Algoritem poskuša najti fiksne točke, denimo mesto močnega kontrasta, ki jih uporabi kot referenco, in potem izračuna premikanje, četudi ni podatka iz akcelerometra (ali pa, ker je gibanje premočno). Digitalna stabilizacija lahko gleda v času nazaj in naprej, saj položaj sličice (frame) primerja s predhodno in z naslednjo. Logična posledica je, da ne moremo uporabiti celotne zajete slike, temveč jo moramo odrezati. To zahteva kompromis med odpravo tresenja video posnetka in velikostjo vidnega polja, trpi pa tudi ločljivost.

Najnovejše tehnike uporabljajo tudi umetno inteligenco oziroma strojno učenje, kar bomo našli pod kratico AIS (artificial image stabilization). Nekateri proizvajalci se že hvalijo, da imajo njihovi telefoni NPU (neural processing unit), kar ni nič drugega kot specializirana strojna oprema za simuliranje umetne inteligence oziroma nevronskih mrež.

Če imamo fotoaparat ali telefon v roki, so z vključeno stabilizacijo slike ostrejše. Slika Sanne/Coolblue.nl

Ni le stabilizacija

Neko vrsto stabilizacije posnetkov imajo danes praktično vsi pametni telefoni. Hibridna stabilizacija, torej uporaba optične in digitalne hkrati, ni le dober kompromis, ampak dejansko najboljša rešitev. In ker imajo elektronsko stabilizacijo vsi, digitalno pa tudi čedalje več telefonov, je široko dostopna. Za vsakdanje razmere ta zadostuje, medtem ko profesionalci tako in tako uporabljajo profesionalne fotoaparate in kamere.

Ne smemo pa pozabiti, da kakovost (video) posnetkov ni odvisna le od stabilizacije. Dinamični razpon, obdelava barv, vidno polje so le nekateri izmed dejavnikov, ki bodo imeli še znatnejši vpliv. Fotografija in video sta široki področji na meji med umetnostjo in obrtjo, kjer je dober izdelek mozaik kopice pomembnih detajlov. Stabilizacija slike je le eden izmed njih.