Что такое оптическая стабилизация в смартфонах

Что такое оптическая стабилизация в смартфонах

С того момента как в телефонах появились первые фотокамеры, между производителями мобильных устройств началась гонка фото-возможностей. Сперва она выражалась только в наращивании количества пикселей, но со временем производители начали улучшать камеру и другими способами. Одним из последних нововведений стало появление в смартфонах оптической стабилизации изображения, которая раньше встречалась только фотоаппаратах. В данной статье мы расскажем о том, что такое оптическая стабилизация, как она работает и для чего она нужна в смартфоне.

Для того чтобы разобраться с тем, что такое оптическая стабилизация в смартфоне необходимо объяснить значение нескольких смежных терминов. Начнем со стабилизации изображения.

Стабилизация изображения – это технология, которая пришла в смартфоны из фотоаппаратов и видеокамер. Она заключается в использовании различных способов для компенсации естественных движений камеры в руках оператора. Это позволяет получить более четкие кадры без использования штатива. Кроме этого, наличие стабилизации изображения позволяет использовать более длинную выдержку, что в свою очередь позволяет получать более яркую картинку в условиях плохой освещенности, например, при съемке ночью. Стабилизация изображения может работать на основе оптической или цифровой стабилизации.

Устройство камеры и 4-осевой оптической стабилизации в смартфоне Xiaomi Mi 5.

Оптическая стабилизация работает механически, она изменяет положение матрицы или отдельных элементов объектива таким образом, чтобы компенсировать движение камеры. Впервые оптическая стабилизация появилась в 1994 году, когда компания Cannon представила свою технологию OIS или Optical Image Stabilizer. Данная технология работала на основе специального стабилизирующего элемента объектива, позиция которого изменялась по двум осям согласно командам, которые приходили от сенсоров.

Оптическая стабилизация OIS быстро зарекомендовала себя как эффективное решение и другие производители фотоаппаратов начали создавать собственные варианты данной технологии. Так появились такие системы оптической стабилизации как:

• Vibration Reduction (VR) от Nikon;
• Optical Steady Shot (OSS) от Sony;
• Optical Stabilization (OS) от Sigma;
• Vibration Compensation (VC) от Tamron;
• Dual IS от Panasonic;

С приходом цифровых фотоаппаратов стало возможно стабилизировать изображение не только за счет работы отдельных элементов объектива, но и за счет движения матрицы. В результате начали появляться системы оптической стабилизации с подвижной матрицей. Первой такой системой стала Anti-Shake (AS) от Konica Minolta. Позже аналогичные системы стабилизации представили и другие производители фотоапаратов, например:

• Super Steady Shot (SSS) от Sony;
• Image Stabilizer (IS) от Olympus;
• Shake Reduction (SR) от Pentax;

Цифровая стабилизация или EIS (Electronic (Digital) Image Stabilizer) – это второй способ стабилизации изображения. Она не требует механического движения и может работать по разным принципам, например, сдвиг матрицы может симулироваться за счет резервных пикселей. Для этого под стабилизацию изображения отводится около половины всех пикселей на матрице. Эти пиксели обычно не участвуют в создании изображения, информация с них используется только тогда, когда нужно стабилизировать картинку. В этом случае цифровая стабилизация работает за счет того, что картинка плавает по поверхности матрицы и камера корректирует это движение с помощью резервных пикселей. Данная технология используется в основном в цифровых видеокамерах.

В смартфонах оптическая стабилизация впервые появилась в 2012 году. Первопроходцем стал смартфон Nokia Lumia 920, который впервые получил объектив с оптической стабилизацией изображения (OIS). С тех пор оптическая стабилизация начала регулярно появляться во флагманских смартфонах. Сейчас же оптическая стабилизация встречается даже в смартфонах среднего ценового диапазона, например, она есть в таких моделях как:

Оптическая или цифровая: какая стабилизация лучше и зачем она вообще нужна

Чтобы изображения получались резкими даже при съемке "с рук", в гаджетах используют системы стабилизации. Но не все они одинаковы: рассказываем, какие из них лучше.

Зачем вообще нужна стабилизация изображения в смартфонах и камерах? Для получения четкого снимка и объект, и камера должны быть жестко зафиксированы. И если с объектом проблем не возникает (конечно, если это не ребенок или активное животное, которым правила съемки не объяснишь), то с самим гаджетом сложнее.

Если снимать в хорошую погоду с небольшого расстояния, выдержка на аппарате будет довольно короткой.

А если нет возможности использовать короткую выдержку? Например, вы снимаете в облачный день и света не так много. Хорошо, когда есть штатив или хотя бы неподвижный элемент, куда можно поставить гаджет (например, гранитный парапет). Но если все же приходится снимать с рук, приходит на выручку система стабилизации. Ее задача — компенсировать дрожания вашей руки.

Стабилизация: внешняя и встроенная

Стабилизация делится на активную и пассивную. К первой относятся всевозможные подвесы, стедикамы и другие устройства, стабилизирующие камеру в пространстве. Подобные аксессуары в наши дни применяются не только профессионалами, но и всеми подряд — в продаже достаточно стабилизаторов от множества брендов, рассчитанных на самый разный кошелек. Другое дело, что всем этим нужно уметь пользоваться, а пассивная стабилизация никаких особых знаний не требует.

Пассивная стабилизация уже встроена в саму камеру и работает либо по принципу оптической стабилизации изображения (Optical Image Stabilizer, OIS), либо по принципу цифровой стабилизации изображения (Electronic Image Stabilizer или Digital Image Stabilizer, EIS или DIS). Оба решения используются в современных смартфонах, но чем они отличаются и какое из них лучше?

Оптическая стабилизация: чистая механика

Общая задача стабилизаторов — сделать итоговое изображение четким, но добиваются этого системы разным способом. OIS, появившаяся раньше, представляет собой целый комплекс: стабилизирующий элемент объектива, способный двигаться по вертикали и горизонтали, с помощью электроприводов «маневрирует» по командам от гироскопических датчиков ради того, чтобы во время экспозиции фотоаппарата полностью компенсировать движения камеры в проекции изображения на пленке или матрице цифровых фотоаппаратов.

Позднее появилась система, в которой движения компенсируются уже с помощью подвижной матрицы внутри корпуса камеры — это позволило использовать сменные объективы, хотя и ценой чуть меньшей эффективности. Но заметить это можно только в очень сложных условиях съемки.

Оптические системы стабилизации со временем появились и в смартфонах. Не так давно мы тестировали vivo X60 Pro, где использована именно такая система. Можно посмотреть на видео, как она работает.

Цифровая стабилизация: программное решение

Цифровая стабилизация также борется с нечетким изображением, но делает это без механической «помощи». При EIS часть пикселей матрицы камеры не формирует картинку, а работает в качестве резерва — при движении процессор понимает, что изображение будет смазанным и использует эти «запасные» пиксели, чтобы компенсировать потери. В итоге кадры получаются четкими, но зачастую менее качественными, чем то же изображение, выполненной с помощью устройства с оптической стабилизацией. При этом реализация подобного решения требует меньших затрат, а потому цифровая стабилизация часто встречается в бюджетных устройствах.

Флагманские смартфоны обычно имеют комбинированную систему стабилизации, в которой OIS дополняется EIS. Это позволяет добиться максимально качественного изображения, хотя, например, Google в своей линейке Pixel использует только цифровую стабилизацию — софт у компании написан качественный, и он дает возможность делать весьма хорошие кадры. Другое дело — бюджетные устройства, создатели которых экономят на комплектующих и в итоге получается, что сами по себе компоненты камеры не лучшие, к тому же слабое «железо» не позволяет реализовать максимально качественные алгоритмы EIS, так что на выходе получаются фотографии, которые без слез можно разглядывать только на экране этого же смартфона.

Оптическая или цифровая стабилизация: что лучше?

Так что в итоге, какой из вариантов лучше? Однозначно, оптическая. Но реализовать ее не так просто — особенно, в компактных объективах смартфонов. Поэтому такие системы используют, главным образом, в дорогих гаджетах. Например, в большинстве моделей из нашей подборки лучших камерофонов 2021 года.

Цифровая стабилизация — «эконом-вариант». Лучше, чем никакой, но не так эффективная, как оптическая. Такие встречаются, как правило, в смартфонах среднего класса.

Стабилизация камеры смартфона: какая бывает и как работает

Сегодня камера — основной инструмент, который используется для продвижения современных смартфонов. Да, особенно — флагманов. Чтобы заставить пользователя купить очередную дорогую новинку, в ней должен быть не один, а сразу несколько модулей с максимальным разрешением, а, с недавнего времени, и зумом — маркетологи делают ставку именно на них. Если не учитывать датчик глубины, у того же Samsung Galaxy S20 Ultra три камеры с максимальным разрешением 108 Мп и гибридным зумом вплоть до 100x. Согласитесь, это звучит куда солиднее, чем три камеры с разрешением 12 Мп и оптическим зумом 2x из iPhone 11 Pro.

Тем не менее, о чем я уже несколько раз писал, маркетинговые цифры не определяют качество съемки. При сравнении фотографий на основные камеры двух смартфонов, которые упомянул выше, это становится особенно понятно — они снимают на одном и том же уровне за счет подобного размера диафрагмы и аналогичных алгоритмов работы нейросетей. Здесь же хочу остановиться на еще одной важной характеристике камеры — стабилизации изображения. Она может быть цифровой, оптической и гибридной, а ее использование влияет как на фотографии, так и на видеозаписи. Про все это расскажу подробнее.

В тему:

Для чего нужна стабилизация камеры

Стабилизация в камере смартфона нужна для того, чтобы компенсировать его движение, избежать смазанных фотографий, а также раздражающей тряски на видео. Стабилизация практически не имеет значения только в том случае, если съемка ведется со штатива, и спуск затвора производится с помощью пульта дистанционного управления. К примеру, удаленно контролировать приложение «Камера» на iPhone можно с помощью кнопок громкости на проводных и беспроводных наушниках, а также через одноименную программу на умных часах Apple Watch. Иначе без стабилизации не обойтись — картинка будет страдать.

Кстати, актуальные смартфоны Apple как раз отлично подходят для разговора про стабилизацию. К примеру, у самого популярного iPhone 11 две камеры: широкоугольная и ультраширокоугольная. Первая — венец инженерной мысли производителя. Она делает действительно качественные снимки не только за счет относительно большой диафрагмы f/1,8, сравнительно большого размера точек на 12-Мп матрице, а также продвинутых алгоритмов ИИ — за их четкость также отвечает оптическая стабилизация. А вот вторая здесь скорее для галочки — у нее и светосила посредственная, и стабилизация только цифровая.

Стабилизация может быть цифровой, оптической, а также гибридной — в последнем случае речь идет про одновременное использование двух предыдущих. Многие называют стабилизацию невидимым штативом, который избавляет фото и видео от последствий дрожащих рук. Но ее нельзя считать панацеей — да, она компенсирует тряску с относительно небольшой амплитудой. Тем не менее, если во время съемки вы будете достаточно активно двигаться (к примеру, пританцовывать), не спасет никакая из доступных на рынке стабилизаций. В данном случае можно будет сильно уменьшить выдержку, но сегодня точно не про нее.

Что такое цифровая стабилизация и каков принцип её работы

Цифровую стабилизацию также часто называют электронной — ее используют лишь из-за простоты. Для нее не нужны какие-то дополнительные аппаратные компоненты, которые увеличивают как себестоимость, так и дальнейшую стоимость гаджета — используются только те, которые уже встроены в смартфон, и основой технологии становится программное обеспечение. Несмотря на это, даже цифровая стабилизация значительно повышает качество фотографий и видеозаписей, поэтому уже на нее нужно обратить повышенное внимание. Тем не менее, справедливости ради, сегодня она используется повсеместно.

У цифровой стабилизации достаточно простой алгоритм работы. Представьте себе матрицу камеры смартфона, которая состоит из отдельных пикселей, — чтобы упростить, пусть это будет условный квадрат 10 на 10 точек. Когда стабилизация отключена, во время съемки используется вся площадь матрицы. После ее активации, происходит обрезка — вместо 10-ти начинает использоваться на пару точек меньше по каждой стороне. Основываясь на данных гироскопа и акселерометра, квадрат 8 на 8 перемещается по матрице камеры, чтобы компенсировать тряску гаджета. Вот и весь секрет.

Число точек, которые фактически обрезает каждое устройство, зависит от агрессивности работы цифровой стабилизации, используемой им. После обрезки числа пикселей качество изображения также падает — чем более агрессивно работает стабилизация, тем сильнее. Тем не менее, чаще всего это оправдано отсутствием смазанных участков. Ранее про цифровую стабилизацию было больше разговоров, но сегодня без помощи оптической ее оставляют только в недорогих смартфонах.

Что такое оптическая стабилизация и каков принцип её работы

Несмотря на то, что далеко не во всех камерах современных смартфонов используется оптическая стабилизация, это технология далеко не нова — если точнее, ей не меньше четверти века. Еще в 1995 году ее в своих камерах и объективах начала использовать компания Canon. В ее варианте она называется Image Stabilization (IS), поэтому другим компаниям пришлось придумываться собственные названия: Vibration Reduction (VR) у Nikon, Optical SteadyShot (OSS) у Sony, Optical Image Stabilizer (OIS) у Fujifilm. Первым смартфоном с системой оптической стабилизации принято считать Nokia Lumia 920 из 2012-го.

Для использования возможностей оптической стабилизации, в камере смартфона используется специальный подвижный механизм, который перемещает не изображение по матрице, а всю матрицу целиком. В итоге картинка остается резкой, несмотря на тряску. Тем не менее, полагаться на оптическую стабилизацию на 100% также нельзя. Следует отменить, что у каждого производителя камеры свои представления по поводу работы оптической стабилизации, поэтому и качество результата в виде фотографии может достаточно сильно отличаться. Более того, движение камеры также ограничено, поэтому стабилизация компенсирует лишь небольшую тряску.

Что лучше: оптическая или цифровая стабилизация

В сравнении с цифровой, оптическая стабилизация явно выигрывает. Начнем с того, что она не обрезает использование матрицы, поэтому изображение получается более ярким, четким, с меньшим количеством шумов и так далее. Более того, чаще всего оптическая стабилизация отыгрывает процесс компенсации тряски куда более правильно, ведь она не считывает данные с гироскопа или акселерометра, а использует собственные аппаратные механизмы. Оптическая стабилизация используется даже не в самых новых смартфонах — к примеру, она есть в Xiaomi Mi5, которому уже несколько лет отроду.

Интересный факт: некоторые считают, что цифровая стабилизация лучше оптической справляется со съемкой видео. К примеру, в первом поколении смартфонов Pixel используется именно она, и представители Google объясняют это тем, что она способна предугадывать движение, поэтому заметно быстрее отыгрывает его компенсацию — это критично во время съемки роликов. Тем не менее, во втором поколении Pixel инженеры уже использую гибридную стабилизацию, про которую дальше.

Что такое гибридная стабилизация и каков принцип её работы

Яркий пример смартфона, в котором используется гибридная стабилизация изображения — Google Pixel 4. Она предполагает объединение возможностей цифрового и оптического механизма, что позволяет сделать картинку максимально четкой и избежать смазываний даже в самых активных условиях съемки. По задумке, подобный гаджет должен использовать оптическую стабилизацию всегда, а цифровую подключать либо с помощью дополнительной функции, либо самостоятельно интеллектуальным образом. Теоретически подобный механизм должен значительно повысить эффективность стабилизации.

Какая стабилизация лучше

Чтобы раскрыть данный вопрос, нужно ответить вот на что: в каких условиях обычно делается фотография или записывается видео на мобильное устройство? И еще: насколько сильно его владелец заморачивается, чтобы добиться качественной картинки? Ответ простой — пользователь хочет получать снимки и ролики максимального качества, не вкладывая в это никаких усилий. Отсюда и достаточно простой вывод — у гаджета должна быть максимально хорошая камера, которая будет использовать гибридную стабилизацию. Кстати, вот наглядный пример съемки на «бородатый» Google Pixel 2 с ней и без нее:

Результат налицо, без стабилизации ролик выглядит просто отвратительно, а вот с ней вполне пригодным для дальнейшего использования. Стоит отметить, что в данном случае условия как раз максимально экстремальные. С одной стороны, камере сложно из-за тряски. С другой стороны, она должна охватывать широкий динамический диапазон из-за достаточно сложной с точки зрения света композиции кадра. Конечно, сложно сказать, что Google Pixel 2 в этом плане справился идеально, но речь о глобальном качестве картинки, а именно о разнице при использовании гибридной стабилизации.

Какие перспективы у стабилизации камер мобильных устройств

У стабилизации изображения в камерах смартфонах есть три равнозначных пути развития. Во-первых, ее оптические механизмы становятся все более доступными, поэтому увеличивают ширину своего распространения не только по смартфонам, но и по камерам в них — так, глядишь, и все модули будущих iPhone будут с этим работать. Во-вторых, будут появляться более совершенные механизмы оптической стабилизации, которые уже появляются в концептофонах — том же VIVO APEX 2020 (в нем используется карданный механизм стабилизации, который увеличивает амплитуду движения камеры для компенсации даже самой агрессивной тряски). В-третьих, нельзя отбрасывать в сторону интеллектуальные программные механизмы, которые продолжают развиваться.