Vaizdo stabilizavimo giroskopiniai jutikliai

Kas tie giroskopai ir kodėl jie atsidūrė mūsų kamerose

Turbūt pastebėjote, kad šiuolaikiniai telefonai ir kameros sugeba filmuoti stebėtinai stabilius kadrus net ir tada, kai jūsų rankos dreba kaip rudens lapas. Šis technologinis stebuklas neatsitiko per naktį – už jo slypi mažyčiai, bet neįtikėtinai protingi jutikliai, vadinami giroskopais. Šie įrenginiai veikia remdamiesi fizikos principais, kuriuos žmonija pažino dar prieš šimtmetį, tačiau tik pastaraisiais dešimtmečiais sugebėjome juos sumažinti iki tokio dydžio, kad tilptų į jūsų delne laikomą įrenginį.

Giroskopas iš esmės yra prietaisas, kuris jaučia kampinį judėjimą – tai reiškia, kad jis gali nustatyti, kaip greitai ir kokiu kampu pasukote savo telefoną ar kamerą. Įsivaizduokite, kad bandote nufotografuoti draugą, bet jūsų ranka šiek tiek virpa. Giroskopas tą virpesį užfiksuoja akimirksniu ir perduoda informaciją procesoriui, kuris gali kompensuoti tą judėjimą – arba fiziškai pajudinant vaizdo jutiklį priešinga kryptimi, arba skaitmeniškai pakoreguodamas vaizdą.

Kaip tie mažyčiai prietaisai jaučia judėjimą

Šiuolaikinėse kamerose ir telefonuose naudojami MEMS (mikro-elektromechaniniai sistemos) giroskopai – tai tokie mikroskopiniai mechaniniai įrenginiai, pagaminti iš silicio. Jie veikia pagal Koriolio jėgos principą, kuris gali skambėti sudėtingai, bet iš tikrųjų yra gana paprasta koncepcija.

Įsivaizduokite mažytę masę, kuri nuolat vibruoja tam tikru dažniu. Kai visas įrenginys (jūsų telefonas ar kamera) pasisuka, ta vibruojanti masė pradeda judėti šiek tiek kitaip dėl Koriolio jėgos poveikio. Šis pokytis yra matuojamas naudojant elektrodus, kurie fiksuoja net mažiausius talpos pokyčius. Skamba sudėtingai? Galvokite apie tai kaip apie labai jautrią svarstykles, kurios pastebi net mažiausią svorio pasikeitimą.

Dauguma šiuolaikinių įrenginių turi trijų ašių giroskopus – tai reiškia, kad jie gali aptikti judėjimą visomis trimis erdvės kryptimis: pasukimą į kairę-dešinę, pakreipimą aukštyn-žemyn ir pasvirimo judesį. Kartu su akselerometrais (kurie matuoja tiesinį greitį) šie jutikliai sukuria labai tikslų įrenginio padėties ir judėjimo žemėlapį.

Nuo mechaninių gigantu iki mikroskopinių stebuklų

Pirmieji giroskopai buvo didžiuliai mechaniniai įrenginiai su besisukančiais ratais. Jie buvo naudojami laivuose ir lėktuvuose navigacijai – kai turite sunkų ratuką, kuris greitai sukasi, jis nori išlaikyti savo orientaciją erdvėje, nesvarbu, kaip judėtų aplink jį esanti konstrukcija. Tai vadinama kampinio momento išsaugojimu, ir šis principas vis dar naudojamas kosminiuose palydovuose.

Tačiau toks mechaninis sprendimas buvo per didelis ir per brangus naudoti vartotojų elektronikoje. Proveržis įvyko 1990-aisiais, kai inžinieriai išmoko gaminti mikroskopines mechanines struktūras naudojant tas pačias technologijas, kuriomis gaminami kompiuterių lustai. Pirmieji MEMS giroskopai buvo naudojami automobilių pramonėje – stabilumo kontrolės sistemose.

Apple buvo viena iš pirmųjų kompanijų, įdiegusių giroskopus į išmaniuosius telefonus 2010 metais su iPhone 4 modeliu. Tai atvėrė duris visiškai naujoms programėlėms ir funkcijoms, įskaitant pažangų vaizdo stabilizavimą. Dabar kiekviename išmaniajame telefone yra bent vienas giroskopas, o profesionaliose kamerose jų gali būti net keletas, dirbančių kartu.

Optinis ir skaitmeninis stabilizavimas – du skirtingi požiūriai

Kai kalbame apie vaizdo stabilizavimą naudojant giroskopus, iš tikrųjų turime omenyje du skirtingus metodus: optinį vaizdo stabilizavimą (OIS) ir elektroninį vaizdo stabilizavimą (EIS).

Optinis stabilizavimas – tai fizinis sprendimas. Giroskopai fiksuoja kameros judėjimą, o mažyčiai varikliai arba elektromagnetai juda vaizdo jutiklį arba objektyvo elementus priešinga judėjimo kryptimi. Tai vyksta neįtikėtinai greitai – tūkstančius kartų per sekundę. Rezultatas? Net jei jūsų ranka dreba, jutiklis lieka santykinai nejudrus, užfiksuodamas aiškų vaizdą. Šis metodas yra ypač efektyvus esant silpnam apšvietimui, kai reikia ilgesnio išlaikymo laiko.

Elektroninis stabilizavimas veikia kitaip – jis naudoja giroskopų duomenis, bet koreguoja vaizdą programiškai. Procesorius analizuoja, kaip juda kamera, ir šiek tiek apkerpa bei pastumia vaizdo kadrą, kad kompensuotų tą judėjimą. Šis metodas yra pigesnis gaminti, nes nereikia jokių judančių dalių, bet jis turi trūkumą – kadangi reikia apkarpyti vaizdą, prarandate šiek tiek vaizdo lauko. Be to, elektroninis stabilizavimas negali kompensuoti judėjimo suliejimo, kuris atsiranda ilgai laikant užraktą atvirą.

Geriausios šiuolaikinės kameros naudoja abu metodus kartu – tai vadinama hibridiniu stabilizavimu. Optinis stabilizavimas tvarko didžiuosius judesius, o elektroninis išlygina smulkesnius virpesius ir sukuria dar sklandesnius video įrašus.

Kodėl profesionalai vis dar naudoja stebilizatorius

Jei giroskopiniai jutikliai tokie nuostabūs, kodėl operatoriai vis dar naudoja tuos didžiulius gimbalus ir stabilizatorius? Atsakymas slypi stabilizavimo tipo ir masto skirtume.

Įmontuoti giroskopai puikiai tvarko smulkius virpesius – rankos drebėjimą, lengvus judesius vaikščiojant. Bet kai reikia sukurti sklandžius kinematografinius kadrus, kur kamera juda dideliais atstumais, reikia išorinio stabilizavimo. Gimbalas su savo giroskopais ir varikliais gali stabilizuoti visą kameros judėjimą, ne tik optinį kelią.

Be to, profesionalios kameros dažnai yra per sunkios, kad įmontuoti OIS sistemai būtų praktiška. Didelis vaizdo jutiklis ir sunkūs objektyvai reikalauja daug daugiau energijos judinti, nei gali suteikti mažyčiai varikliai. Todėl profesionalūs operatoriai naudoja trijų ašių gimbalus, kurie yra iš esmės išoriniai giroskopiniai stabilizatoriai, galintys laikyti sunkią įrangą.

Įdomu tai, kad šiuolaikiniai gimbalai ir įmontuoti stabilizatoriai gali bendradarbiauti. Kai kurios kameros gali perduoti savo vidinių giroskopų duomenis gimbalui, leidžiant abiem sistemoms dirbti sinchroniškai ir pasiekti dar geresnių rezultatų.

Praktiniai patarimai norint išnaudoti stabilizavimą maksimaliai

Net turėdami geriausią giroskopinį stabilizavimą, galite padaryti keletą dalykų, kad jūsų vaizdo įrašai būtų dar geresni. Pirma, supraskite savo įrenginio apribojimus. Stabilizavimas puikiai veikia su smulkiais virpesiais, bet jei šokinėsite ar bėgsite, jokia technologija nepadarys stebuklo.

Kai filmuojate rankose laikydami telefoną ar kamerą, bandykite laikyti alkūnes prie kūno – tai sukuria natūralų stabilizavimą. Jei turite galimybę, atsiremkite į sieną ar kitą stabilų paviršių. Kai vaikštote filmuodami, bandykite žingsniuoti švelniai, truputį sulenkę kelius – tai absorbuoja vertikalius judesius.

Jei jūsų kamera turi ir optinį, ir elektroninį stabilizavimą, eksperimentuokite su abiem. Kartais, ypač filmavimo metu, verta išjungti elektroninį stabilizavimą, kad išlaikytumėte visą vaizdo lauką ir išvengtumėte „rolling shutter” efekto, kuris gali atsirasti kai kuriose situacijose. Fotografuojant esant silpnam apšvietimui, optinis stabilizavimas yra neįkainojamas – jis leidžia naudoti keliais žingsniais ilgesnį išlaikymo laiką be suliejimo.

Atminkite, kad stabilizavimas vartoja papildomą bateriją, ypač optinis, nes reikia maitinti variklius. Jei filmuojate ilgai, turėkite atsarginę bateriją. Taip pat verta žinoti, kad kai kurie režimai (kaip 4K ar lėtas judesys) gali turėti ribotą stabilizavimą arba jo visai neturėti, nes procesorius tiesiog neturi pakankamai galios apdoroti tiek daug duomenų realiuoju laiku.

Ateities technologijos ir kas laukia už kampo

Giroskopinių jutiklių technologija nuolat tobulėja. Naujausi MEMS giroskopai tampa vis jautresni ir tikslesni, o kartu mažėja jų energijos suvartojimas. Kai kurios kompanijos eksperimentuoja su optiniais giroskopais, kurie naudoja lazerius ir šviesolaidžius – šie yra dar tikslesni, nors kol kas per brangūs masiškai gamybai.

Dirbtinis intelektas taip pat keičia žaidimo taisykles. Šiuolaikiniai procesoriai gali nuspėti jūsų judesius analizuodami ankstesnius kadrus ir giroskopų duomenis, todėl stabilizavimas gali būti proaktyvus, o ne reaktyvus. Tai reiškia, kad sistema gali pradėti kompensuoti judėjimą dar prieš jam visiškai įvykstant.

Įdomus vystymosi kryptis yra vadinamasis „computational photography” – kai vaizdo stabilizavimas pasiekiamas ne tik mechaniškai ar elektroniškai, bet ir darant kelis kadrus ir juos sujungiant. Jūsų telefonas gali padaryti dešimtis nuotraukų per sekundę, o tada naudoti dirbtinį intelektą ir giroskopų duomenis, kad sulygiuotų ir sujungtų jas į vieną idealiai aiškų kadrą.

Kai technologija tampa nematomu pagalbininku

Giroskopiniai jutikliai vaizdo stabilizavimui yra puikus pavyzdys, kaip sudėtinga technologija gali tapti visiškai nematomu pagalbininku. Dauguma žmonių net nežino, kad jų telefone yra giroskopai, o juo labiau nesupranta, kaip jie veikia. Ir tai yra gražu – geriausia technologija yra ta, apie kurią nereikia galvoti.

Nuo pirmųjų mechaninių giroskopų laivuose iki mikroskopinių jutiklių mūsų kišenėse, šis kelias parodo, kaip fundamentalūs fizikos principai gali būti pritaikyti vis naujais būdais. Kiekvieną kartą, kai darate aiškią nuotrauką esant silpnam apšvietimui arba filmuojate sklandų video vaikščiodami, galite padėkoti tiems mažyčiams jutikliams, kurie dirba tūkstančius kartų per sekundę, kad jūsų kūrybinė vizija būtų užfiksuota taip, kaip ją matote.

Ateityje stabilizavimo technologijos tik tobulės, bet pagrindinis principas išliks tas pats – giroskopai jaus judėjimą, o sistemos jį kompensuos. Galbūt vieną dieną turėsime tokius pažangius stabilizatorius, kad galėsime filmuoti kinematografinės kokybės kadrus net bėgdami per nelygų paviršių. O gal dirbtinis intelektas taps toks išmanus, kad galės stabilizuoti vaizdą net ir tada, kai fizinė stabilizacija neįmanoma. Bet kad ir kas lauktų ateityje, giroskopiniai jutikliai liks svarbiu elementu toje technologijų grandinėje, kuri padeda mums užfiksuoti pasaulį tokį, kokį norime jį matyti.