Оптическая стабилизация изображения
в телевизионных объективах

Людмила Березенцева, Владимир Савоскин

В сложных динамичных условиях работы телевизионного оператора (например, в автомобиле, на палубе корабля, при съемке с вертолета и т.д., или когда телекамера находится в руках движущегося оператора), возникают колебания камеры и, как следствие, смещение (дерганье) изображения, которое всегда отрицательно влияет на качество съемки, снижая четкость картинки и усложняя ее восприятие телезрителем. Известны три способа стабилизации изображения: механический, электронный и оптический. Установка камеры на штатив или стабилизационную платформу, использование системы Steadicam относятся к категории механической стабилизации. Такая стабилизация очень громоздка и не мобильна, зачастую незаменима и широко распространена. Электронная стабилизация основана на резервировании элементов матрицы ПЗС под возможное смещение изображения (зарезервированные пикселы «подхватывают» участок изображения, переходящий с соседнего элемента, и обеспечивают неподвижность картинки). Такая схема стабилизации эффективна в ограниченном диапазоне частот и при небольших смещениях камеры. Оптическая стабилизация использует оптические элементы, вводимые в оптическую схему объектива. В этой статье рассматривается только оптическая стабилизация как наиболее точная, компактная и удобная в работе.

Теоретические основы оптической стабилизации

Оптическая стабилизация основана на свойстве стеклянной призмы отклонять световой луч, падающий на призму, от начального его направления в зависимости от преломляющего угла и показателя преломления призмы. Угол отклонения луча можно определить по известной приближенной формуле:

ω = α(n-1),

Рис.1. Схема работы призмы

где:

ω — угол отклонения луча от первоначального направления (оо) при прохождении через преломляющую призму в зависимости от положения вершины призмы А;

α — преломляющий угол при вершине призмы;

n — показатель преломления призмы (рис.1).

А по формуле: Δy’ = f’tgω (где f’ — фокусное расстояние объектива; tg&omega — угол отклонения луча от первоначального направления) можно определить величину Δy’смещения оптической оси относительно центра кадра. Как следует из приведенной формулы, наибольшее смещение оптической оси от центра кадра будет тем сильнее, чем больше фокусное расстояние объектива и преломляющий угол призмы. Собственно, это стало причиной того, что широкодиапазонные телевизионные объективы, в которых максимальное фокусное расстояние принимает большое значение (500…2000 мм и более), стали оснащаться стабилизационными устройствами.

Принцип работы оптического стабилизационного устройства состоит в следующем. Когда камера неподвижна, оптическая ось объектива проходит через центр изображения, которое не колеблется и не смещается. При возникновении колебаний камеры изображение смещается относительно центра кадровой рамки, причем это смещение может быть в различных направлениях и оптическая ось уже не проходит через центр кадра. Изменяя преломляющий угол призмы, которая вводится в оптическую систему объектива, можно совместить центр изображения с центром кадра, и оптическая ось при этом снова пройдет через центр изображения. С помощью специальных датчиков сигналов, регистрирующих величину отклонения центра изображения от центра кадра и поступающих на узел преломляющей призмы, изменяется преломляющий угол призмы, и отклонение изображения устраняется.

В целях снижения погрешностей, возникающих при преломлении светового луча, используется призма с малым преломляющим углом, которая называется клином, или пара клиньев с разной дисперсией для устранения хроматических аберраций.

В качестве оптического отклоняющего элемента может также использоваться линзовая группа, которая способна отклонять луч (оптическую ось) от его первоначального направления при смещении линз перпендикулярно оптической оси объектива. Линзовая группа может состоять из двух и более линз, причем для устранения погрешностей в изображении при смещении линз от оптической оси объектива используются линзы с малой оптической силой и разной дисперсией, что позволяет уменьшить возникающие при этом аберрации (хроматические и кому) и тем самым сохранить хорошее качество телевизионного изображения. В оптических стабилизационных устройствах корректируется положение оптической оси, причем оптическая ось после коррекции обязательно должна проходить через центр изображаемого объекта на ПЗС.

Рис.2. Объектив J14x17ВVАР

Рассмотрев теоретические основы оптической стабилизации, перейдем к конструктивному воплощению стабилизационных устройств.

Типы стабилизационных устройств

Стабилизационные устройства могут быть как встроенными в объектив, так и выполненными в виде сменных устройств. Впервые стабилизацию изображения для вещательных объективов применила фирма Canon в 1993 году, представив на рынок объектив J14x17ВVАР (рис. 2) со встроенным стабилизатором изображения (VAP-IS), а затем объективы J13аx9KRS-V и J14аx17KRS-V (модернизация J14x17BVAP).

Рис.3. Схема работы призменного устройства

Рис.4. Структурная схема управления

Стабилизатор изображения, включавший призму с переменным углом (Vari-Angle Prism), работал по принципу, представленному на рис. 3 и 4. Стабилизатор VAP-IS обеспечивает устранение вибраций объектива в широкой полосе частот, которые возникают при движении любого транспортного средства, включая вертолет. В этих объективах был использован эффект отклонения хода светового луча от начального направления при помощи преломляющей призмы и применено устройство, состоящее из двух параллельных стеклянных пластин, между которыми находится иммерсионная жидкость (основа — силиконовое масло) с высоким показателем преломления, причем устройство было встроено в переднюю часть объектива. Пластины были соединены между собой мехами, выполненными из специальной пленки. При отсутствии качания (вибраций) камеры стеклянные пластины остаются параллельными и световые лучи не отклоняются от своего направления. Как только начинается дрожание камеры, меха сжимаются в одном месте и растягиваются в другом, как показано на рис.3.

Между пластинами образуется оптический клин (призма с малым углом преломления) с преломляющим углом 1…2°, который зависит от интенсивности колебаний камеры. Принцип управления такой призмой понятен из структурной схемы, представленной на рис.4. Информация от датчика вертикального угла призмы и датчика регистрации качки попадает в микропроцессор, который производит необходимые вычисления и выдает команду на фильтр для обеспечения наилучших условий подавления колебаний с требуемой частотой. Далее команда поступает через анализатор на привод призмы, в которой соответствующим образом изменяется угол клина. Устройство располагалось перед фронтальной линзой объектива.

Встроенные, фронтально установленные стабилизационные устройства утяжеляют объектив и экономически не всегда оправданы, так как не всегда необходимы в работе, и на современном этапе развития телевизионной техники они стали заменяться съемными стабилизационными конструкциями. Поэтому следующее стабилизационное устройство фирма Canon сделала съемным. Для объективов ВЖ/ВВП фирма разработала устройство IS-20B с использованием призмы с переменным углом, как в объективе J14x17BVAP. В системную конфигурацию IS-20B входят сама призма, сенсорные датчики вибрации (один регистрирует колебания в поперечном, а второй — в продольном направлении), привод управления призмой, сенсорный датчик угла обзора призмы и микропроцессор. Как только возникают вибрации, сенсорные датчики посылают соответствующий сигнал, пропорциональный уровню вибраций. Этот сигнал обрабатывается микропроцессором, а затем поступает на механизм управления углом призмы VAP. Стабилизационное устройство IS-20B устанавливается перед объективом и поэтому имеет большие габариты и массу, что требует большей мощности для управления призмой.

Поэтому фирма Canon стала искать пути снижения массы IS-20B. Была существенно пересмотрена вся механическая структура компенсатора, в которую, в частности, вошла новая система прямого управления призмой. Потребовалась разработка специального программного обеспечения для работы с оптической системой большого диаметра. Огромное число новых типовых команд микропроцессора позволило практически моментально, в реальном времени обрабатывать поступающие от сенсорных датчиков данные, обеспечивающие компенсацию даже незначительных вибраций. При этом частотный интервал компенсации вибраций захватывает как самые низкие частоты, связанные, например, с естественным движением руки оператора при проведении съемок с плеча, так и самые высокие, возникающие, в частности, при съемках с движущегося автомобиля или летящего вертолета. В системе стабилизации даже предусмотрен специальный электронный переключатель для выбора режима работы в интервале низких или высоких частот вибрации. В целом, оптическая система IS-20B способна компенсировать вибрации различной амплитуды в довольно широком частотном интервале вибраций 1…15 Гц. Одно из самых важных преимуществ новой системы — очень широкий интервал отрабатываемых углов обзора. Известно, что даже при одинаковых углах вибрации дрожание изображения наиболее заметно при длинных фокусных расстояниях объектива. Когда система стабилизации не требуется, например, в случае студийной работы в стационарных условиях съемки, стабилизационное устройство легко отсоединяется от оптической системы простым нажатием кнопки. В оптической системе стабилизации предусмотрен специальный переключатель для работы в режиме панорамирования. Когда система стабилизации изображения работает в этом режиме, может возникнуть эффект задержки медленного движения объекта съемки по окончании процесса панорамирования. С помощью переключателя можно вести панорамную съемку, не опасаясь внести задержку, и даже защитить от этого эффекта изображения медленно движущихся предметов после окончания панорамирования. Для питания системы стабилизации потребовалась дополнительная аккумуляторная батарея питания 12 В емкостью 3 Ач. Система IS-20B может работать как со стандартным форматом изображения 4:3, так и с широкоформатным — 16:9.

Рис.5 Стабилизационное устройство IS-20BII

Развитием IS-20B стало стабилизационное устройство IS-20BII (рис. 5).

Основными достоинствами стабилизатора IS-20BII являются :

• возможность панорамирования;
• регулировка частоты вибрации от высокой частоты до низкой;
• автоматическая блокировка оптического узла при снятии устройства с объектива.

Масса устройства IS-20ВII составляет 1,6 кг, габариты — 178,5x150,5x68,5 мм.

Стабилизатор IS-20ВII не снижает оптических характеристик объектива, и оператор, как и прежде, может пользоваться всеми функциями объектива.

Стабилизационное устройство IS-20BII может применяться с различными объективами: J14ax8,5B, J15ax8B, J16ax8B, J17ax7,7B, J20ax8B, J21ax7,8B, J22ax7,6B и их аналогами — объективами для видеожурналистики формата 1/2". Отметим, что для каждого типа объектива применяется свой адаптер (табл. 1).

Таблица 1
Тип адаптера	J14ax	J15ax	J16ax J17ax	J20ax	J21ax	J22ex
Sup-14B*	x
Sup-15B*		x
Sup-16B*			x
Sup-20B*				x
Sup-21B*					x
Sup-22B*						x
ADR-85* (кольцо)	x	x	x
Sup-200**	x	x	x	x	x	x
RSU-20B** (дистанционное панорамирование)	x	x	x	x	x	x
* для видеожурналистики ** для внестудийного применения

Таблица 2
Модель	TS-18A (TS-XXA)	TS-38A	TS-P28A	TS-P48A
Увеличение, крат	1,25	1,25	1,25	1,25
Питание, В	12	12	12	12
Потребляемая мощность, Вт	6	6	4,8	4,2
Габариты, мм	277x260x47,5	274x241x47,5	170x226x65	144x120x58
Масса, кг	3,2	3,5	1,3	1,0
Применение	Студийно-внестудийные объективы (HDTV/SDTV)		Объективы ВЖ/ВВП (HDTV/SDTV)
Способ установки	Держатель	Держатель	Байонетное крепление	Байонетное крепление

Рис. 6. Принцип работы технологии OS-Tech

Установленные на фронтальную часть объектива стабилизационные устройства, как съемное (IS-20BII), так и встроенное (VAP-IS), существенно утяжеляют оптику телекамер, особенно внестудийных. Поэтому сначала фирма Fujinon, а затем и фирма Canon стали вводить оптические стабилизационные устройства либо между объективом и телекамерой (Fujinon), либо в постоянном компоненте за диафрагмой (Canon). Так, фирма Fujinon, отказавшись от встроенной конструкции оптического стабилизатора, разработала его съемным, по технологии OS-Tech (Optical Stabilized Technology), согласно которой при возникновении вибраций в оптической схеме OS-Tech по сигналам датчиков колебаний камеры выполняется смещение линз (или линзы) стабилизационной системы для коррекции смещения изображения относительно центра кадра (рис. 6).

Схематически управление системой оптической стабилизации по технологии Shift-IS представлено на рис.7.

Технология OS-Tech была применена в объективах различного назначения — для внестудийного видеопроизводства и для видеожурналистики. Технические характеристики стабилизационных устройств фирмы Fujinon представлены в табл. 2.

В дополнение к стабилизации OS-Tech увеличивает кратность объектива в 1,25 раза, делая возможным съемку чрезвычайно крупных планов (close-up) с более коротких фокусных расстояний. Конструкция стабилизационных устройств для внестудийного применения TS-18A (рис.8) (TS-ХХА) и TS-38A имеют большую массу (3,2 кг и 3,5 кг) и применяются как для длиннофокусных объективов телевидения высокой четкости (XA87x9ESM, XA87x13,2ESM, XA101x8,9BESM, XA72x9,3 ESM), так и для объективов стандартного вещания (Ah 70x, Ah 66x, Ah 80x, Ah 60x, Ah 50x).

Рис.7. Схема управления оптической стабилизацией по OS-Tech

Для объективов ВЖ/ВВП фирма Fujinon разработала оптические стабилизаторы TS-P28A (2002 г.) и TS-P48A (2004 г.), которые могут использоваться с любым длиннофокусным объективом для видеожурналистики (например, A22x, А24x, A36x, HA36x, HA42x и др.) фирмы. Стабилизатор изображения TS-P28A, как и TS-18A, увеличивает фокусное расстояние объектива на 25%, предотвращает вибрацию изображения, возникающую от ветра или качающейся платформы в диапазоне частот от 1…10 Гц. Он легко устанавливается между объективом и камерой и включается нажатием кнопки, расположенной под рукой оператора, причем включение и выключение, а также вертикальная коррекция смещения управляются одной кнопкой. Стабилизатор TS-P28A (рис.9) компенсирует колебание величиной порядка 1/5 от высоты кадра при использовании максимального фокусного расстояния с включенным двукратным мультиплексором.

Рис.8 Стабилизатор изображения TS-18A

Рис.9. Стабилизатор изображения TS-Р28A

Это достигается применением компенсационной системы оптического сдвига изображения. При этом датчик обнаруживает самые незначительные движения камеры, приводящие к колебанию изображения, а с помощью запатентованного алгоритма фирмы создается коррекционный сигнал для выполнения компенсации сдвига изображения. Высокая чувствительность компенсационной системы была получена за счет разработки специального привода и применения высокоскоростного центрального процессора. Такая высокая чувствительность обеспечивает устойчивое изображение без нежелательного колебания даже при мгновенных изменениях условий вибраций.

Фирма Canon также использовала для компенсации сдвига изображения стабилизационную оптическую систему со смещением линзовой группы IS перпендикулярно оптической оси либо вверх-вниз, либо влево-вправо, как и Fujinon, но только в виде встроенного оптического компонента, установленного центрированно к оптической оси объектива после действующей диафрагмы, в неподвижной оптической группе объектива. Эта система оптической стабилизации, названная Optical Shift Image Stabilizer (Shift-IS), используется Canon в объективах внестудийного применения серии DigiSuper 75xs, 86xs, 86Telexs, 100xs, HJ40x10B и HJ40x14 BIASD-V.

Рис.10 Схема стабилизации системы Shift-IS

Как работает система Shift-IS? Когда объектив колеблется, лучи света от объекта съемки отклоняются от оптической оси, что в результате приводит к смазанному изображению, так как световые лучи отклоняются от своего начального положения. На рис. 10 показано, что когда объектив наклоняется вниз, центр изображения также движется вниз в плоскости изображения. Когда линзовая группа IS смещается в вертикальной плоскости, световые лучи преломляются так, чтобы центр изображения возвратился в центр кадра (плоскости изображения). Поскольку колебание изображения может происходить по вертикали и горизонтали, линзовая группа IS может сдвигаться в том же направлении относительно своего исходного (статичного) положения, чтобы компенсировать отклонение изображения относительно центра кадра (ПЗС). Обнаруживающие тряску датчики определяют угол и скорость колебания и посылают эту информацию в быстродействующий 32-разрядный микрокомпьютер. Микрокомпьютер затем преобразовывает полученные сигналы от двух датчиков в сигналы движения для линзовой группы IS. Затем группа IS приводится в движение и восстанавливает устойчивость изображения.

В заключение отметим, что оптический принцип стабилизации телевизионного изображения, реализованный впервые известными японскими фирмами Canon и Fujinon в системах различного конструктивного исполнения (встроенные и сменные), получил «законную прописку» в новых объективах внестудийного применения и в широкодиапазонных (М>20x) объективах для видеокамер ВЖ/ВВП. Стабилизационное устройство применила фирма Panavision в новом рекордном по кратности (М=300x) объективе HD Zoom. Что лучше — встроенное стабилизационное устройство или сменное — решать оператору и директору компании. Но что современный широкодиапазонный объектив вещательного телевидения не обойдется без оптической стабилизации — это очевидно!