画像安定化
簡易画像安定化システムの比較:
  1. 不安定な
  2. レンズベースの光学式手ブレ補正
  3. センサーシフト光学式手ブレ補正
  4. デジタルまたは電子安定化

画像安定化( IS ) は、露出中にカメラやその他の画像装置の動きに関連するぼやけを軽減する一連の技術です。

一般的には、撮像装置のパンとチルト（角度運動、ヨーとピッチに相当）を補正しますが、電子式画像安定化装置は光軸の周りの回転（ロール）も補正できます。[ 1 ]電子式画像安定化装置は主に、手ぶれ補正機能付きの高級双眼鏡、スチールカメラやビデオカメラ、天体望遠鏡、スマートフォンなどで使用されています。スチールカメラでは、シャッタースピードが遅い場合や焦点距離の長いレンズ（望遠やズーム）を使用している場合に特に手ぶれが問題になります。ビデオカメラでは、手ぶれにより、録画した動画のフレーム間で目に見えるジッタが発生します。天文学では、レンズの手ぶれの問題に大気の変化が加わり、時間の経過とともに物体の見かけの位置が変わります。

静止画撮影への応用

ポップコンサート前の音響設備の写真。青いスポットライトと機器背面パネルから発せられる薄暗い白色光以外は、室内はほぼ暗かった。35mm判換算で180mmの焦点距離で1⁄4秒の露出時間では、「 1 / mmルール」によれば通常は比較的大きなブレが生じるが、この画像は非常に鮮明である。これは、使用したLumixデジタルカメラの手ぶれ補正機能が作動したためである。

写真撮影では、手ぶれ補正によりシャッター速度を 2 ～ 5.5段遅く (露出時間を 4 ～ 30 倍長く) することができ、さらに遅い実効速度が報告されています。

手持ち撮影で手ブレが目立たない最低シャッタースピードを決める経験則は、レンズの35mm判換算焦点距離の逆数を取ることです。これは「1/mmルール」とも呼ばれています[ a ]。例えば、35mm判カメラで焦点距離が125mmの場合、シャッタースピードが1 ⁄ 125秒より遅いと、振動や手ブレの影響でシャープネスが損なわれる可能性があります。IS（手振れ補正）によって2～4.5段分のシャッタースピード低下が許容されるため、通常のレンズで1 ⁄ 125秒のシャッタースピードで撮影した画像を、IS搭載レンズで1 ⁄ 15秒または1 ⁄ 8秒で撮影しても、ほぼ同じ画質が得られます。同じシャッタースピードで得られるシャープネスは飛躍的に向上する可能性があります[ 3 ] 。 実効焦点距離を計算する際には、カメラが使用する画像フォーマットを考慮することが重要です。例えば、多くのデジタル一眼レフカメラは、35mmフィルムのフレームの2 ⁄ 3、5 ⁄ 8、または1 ⁄ 2のサイズのイメージセンサーを使用しています。これは、35mmフィルムのフレームがデジタルセンサーの1.5倍、1.6倍、または2倍のサイズであることを意味します。後者の値は、クロップファクター、視野クロップファクター、焦点距離乗数、またはフォーマットファクターと呼ばれます。例えば、2倍クロップファクターのカメラでは、50mmレンズは35mmフィルムカメラで使用される100mmレンズと同じ視野を生み出し、通常は1 ⁄ 100秒で手持ち撮影できます。

ただし、手ブレ補正機能は被写体の動きやカメラの極端な動きによるブレを防ぐことはできません。手ブレ補正機能は、手持ち撮影によるレンズの通常の微細な揺れによって生じるブレを軽減するために設計されています。一部のレンズやカメラ本体には、セカンダリパンニングモードや、より強力な「アクティブモード」が搭載されており、これらについては後述の光学式手ブレ補正の項で詳しく説明します。

天体写真では長時間露光撮影が多用されますが、そのためにはカメラを固定する必要があります。しかし、地球は自転しているため、カメラを地球に固定するだけでは不十分です。ペンタックスK-5とKrに位置情報取得用GPSアクセサリーO-GPS1を装着すると、センサーシフト機能によって星の軌跡を軽減できます。[ 4 ]

手ブレ補正はレンズ、カメラ本体、またはその両方に適用できます。それぞれの方法には独自の長所と短所があります。[ 5 ]

テクニック

光学式手ぶれ補正

光学式手ぶれ補正機能付きとなしの電卓キーパッドのクローズアップ写真の比較

光学式手ぶれ補正機構（OIS、IS、またはOS）は、静止画カメラや動画カメラで使用される機構で、センサーまでの光路を変化させることで記録画像を安定化させます。この技術はレンズ自体に実装されており、光路の最終要素であるセンサーを移動させることで動作するボディ内手ぶれ補正（IBIS ）とは異なります。すべての光学式手ぶれ補正システムの基本要素は、センサーが画像をデジタル情報に変換する前に、センサーに投影された画像を安定化させることです。IBIS は、X、Y、ロール、ヨー、ピッチの最大 5軸の動きが可能です。IBIS には、すべてのレンズで機能するという利点もあります。

OISの利点

光学式手ぶれ補正機能は、同じ露出時間内での揺れによる画像ぼやけの可能性を減らすことで、手持ち撮影の シャッタースピードを長くすることができます。

手持ちビデオ録画では、照明条件に関係なく、光学式手ぶれ補正機能が、テレビやコンピューターモニターなどの大型ディスプレイで視聴したときに拡大表示される小さな揺れを補正します。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]

ベンダー名

OIS テクノロジーは企業によって名前が異なります。たとえば、次のようになります。

2014年後半の時点で、ほとんどのハイエンドスマートフォンは写真や動画の撮影に光学式手ぶれ補正機能を採用している。[ 11 ]

レンズベース

ニコンとキヤノンの実装では、電磁石を使用してレンズの光軸に直交する方向に移動するフローティングレンズ要素を使用することで機能します。 [ 12 ] 振動は2つの圧電角速度センサー（ジャイロセンサーと呼ばれることが多い）を使用して検出され、1つは水平方向の動きを検出し、もう1つは垂直方向の動きを検出します。[ 13 ]結果として、このタイプの手ぶれ補正機能はピッチ軸とヨー軸の回転のみを補正し、[ 14 ] [ 15 ]光軸の周りの回転を補正することはできません。一部のレンズには、垂直方向のみのカメラの揺れを打ち消すセカンダリモードがあります。このモードは、パンテクニックを使用するときに便利です。一部のレンズでは自動的にアクティブになりますが、他のレンズではレンズのスイッチを使用します。

パナソニックは、歩きながら動画を撮影する際の手ぶれを補正するために、軸回転、水平回転、垂直回転、水平および垂直の動きの5軸補正機能を備えたパワーハイブリッドOIS+を導入しました。[ 16 ]

ニコンのVR対応レンズの中には、車やボートなど移動中の乗り物からの撮影に「アクティブ」モードを搭載しているものがあり、これは「通常」モードよりも大きな揺れを補正するようになっている。[ 17 ]しかし、通常の撮影にアクティブモードを使用すると、通常モードよりも結果が悪くなる可能性がある。[ 18 ]これは、アクティブモードが高角速度の動き（通常、高速シャッタースピードを使用して激しく移動するプラットフォームから撮影する場合）を抑えるように最適化されているのに対し、通常モードは、より大きな振幅と時間枠での低角速度の動き（通常、低速シャッタースピードを使用しながら静止またはゆっくり移動するプラットフォームに立っているときの体や手の動き）を抑えようとするためである。

多くのメーカーは、レンズを三脚に取り付ける際はIS機能をオフにすることを推奨しています。これは、レンズの手ブレ補正機能が不安定な結果を引き起こす可能性があり、通常は不要だからです。多くの最新の手ブレ補正レンズ（特にキヤノンの最近のISレンズ）は、三脚に取り付けられていることを自動検出し（非常に低い振動測定値に基づいて）、ISを自動的に無効にして、三脚に取り付けられていることによる画質の低下を防止します。[ 19 ]また、このシステムはバッテリーの電力を消費するため、不要な場合はオフにすることでバッテリーの電力を節約できます。

レンズベースの手ブレ補正のデメリットはコストです。レンズごとに独自の手ブレ補正システムが必要です。また、すべてのレンズに手ブレ補正機能が搭載されているわけではありません。これは、明るい単焦点レンズや広角レンズによく見られます。しかし、手ブレ補正機能を搭載した最速レンズは、f ‍ /1.2のノクティクロンです。手ブレ補正の最大のメリットは焦点距離が長い場合に発揮されますが、低照度環境では標準レンズや広角レンズでもその恩恵を受けることができます。

レンズベースの手ブレ補正には、ボディ内手ブレ補正にはない利点もあります。低照度または低コントラストの状況では、レンズから送られてくる画像が既に手ブレ補正されている場合、オートフォーカスシステム（手ブレ補正センサーを搭載していない）はより正確に動作します。光学ビューファインダーを備えたカメラでは、手ブレ補正レンズを通して撮影者が見る画像は、ボディ内手ブレ補正とは対照的に、その安定性によりより詳細な情報が得られ、正確なフレーミングも容易になります。これは特に望遠レンズを使用する場合に顕著です。ミラーレス一眼カメラシステムでは、モニターまたは電子ビューファインダーへのセンサー出力が手ブレ補正されているため、この点は問題になりません。

センサーシフト

画像をキャプチャするセンサーは、カメラの動きを打ち消すような方法で動かすことができ、この技術はしばしば機械式画像安定化と呼ばれます。カメラが回転して角度エラーが発生すると、ジャイロスコープが情報をエンコードしてセンサーを移動させます。[ 20 ]センサーは、使用レンズの焦点距離の関数である画像平面への画像の投影を維持するために移動します。最新のカメラは、そのカメラ用に作られた最新のレンズから焦点距離情報を自動的に取得できます。ミノルタとコニカミノルタは、ソニーのαラインでは現在SteadyShot (SS)として販売されているAnti-Shake (AS)と呼ばれる技術と、ペンタックスのKシリーズとQシリーズのカメラでShake Reduction (SR)を使用していました。これは、カメラの動きを検出するために非常に正確な角速度センサーに依存しています。[ 21 ]オリンパスは、超音波ドライブを中心に構築されたシステムを採用したE-510 D-SLRボディで画像安定化を導入しました。 [ 22 ]他のメーカーでは、デジタル信号プロセッサ（DSP）を用いて画像をリアルタイムで解析し、センサーを適切に移動させています。センサーシフトは、富士フイルム、サムスン、カシオエクシリム、リコーキャプリオなどの一部のカメラにも採用されています。[ 23 ]

レンズではなくイメージセンサーを動かすことの利点は、手ぶれ補正機能のないレンズでも像を安定化できることです。これにより、手ぶれ補正機能が本来は搭載されていない多くのレンズでも動作し、レンズの重量と複雑さを軽減できます。さらに、センサーベースの手ぶれ補正技術が進歩した場合、その効果を得るにはカメラを交換するだけで済みます。これは通常、レンズベースの手ぶれ補正機能に頼って既存のレンズをすべて交換するよりもはるかに安価です。一部のセンサーベースの手ぶれ補正機能は、シャッターボタンを押すことで容易に発生するカメラのロール回転を補正できます。レンズベースのシステムでは、この潜在的な像ぶれの原因に対処できません。「ロール」補正機能の副産物として、ペンタックスK-7/K-5カメラのように電子水準器を搭載していれば、カメラは光学領域における水平の傾きを自動的に補正できます。

イメージセンサー自体を動かすことの主なデメリットの一つは、ファインダーに投影される像が手ブレ補正されないことです。同様に、イメージセンサーとは別個の位相差オートフォーカスシステムを使用している場合でも、ファインダーに投影される像は手ブレ補正されません。これは、電子ビューファインダー（EVF）を搭載したカメラでは問題になりません。EVFに投影される像はイメージセンサー自体から取得されるからです。

ボディ内手ブレ補正機能を持つカメラ本体の中には、特定の焦点距離を手動でプリセットできるものもあります（すべてではありませんが）。これらのカメラの手ブレ補正システムは、その焦点距離のレンズが装着されているかのように補正するため、古いレンズや他社製のレンズでも手ブレ補正が可能です。ただし、ズームレンズは焦点距離が可変であるため、この方法は使えません。アダプターの中には、あるレンズメーカーの焦点距離情報を別のメーカーのレンズ本体に伝えるものがあります。焦点距離を通知しないレンズの中には、事前にプログラムされた焦点距離をカメラ本体に通知するチップを後付けできるものもあります。これらの方法がどれも機能しない場合があり、そのようなレンズでは手ブレ補正が使用できません。

ボディ内手ブレ補正では、露光中にセンサーが移動し、画像のより大きな部分を使用するため、レンズの出力イメージサークルが大きくなければなりません。光学式手ブレ補正システムにおけるレンズ移動量と比較すると、センサー移動量は非常に大きいため、その効果はセンサーの最大移動範囲によって制限されます。しかし、一般的な最新の光学式手ブレ補正レンズは、その自由度がはるかに高くなっています。必要なセンサー移動速度と移動範囲は、使用するレンズの焦点距離に応じて増加するため、センサーシフト技術は超望遠レンズ、特に低速シャッタースピードで使用する場合は、センサーの利用可能な移動範囲が急速に不足し、画像の変位が大きくなるため、あまり適していません。

ニコンは2023年9月、従来のセンサーシフト式手ブレ補正システムのようにセンサー中央ではなく、オートフォーカスポイントにセンサーシフト式手ブレ補正軸を集中させる世界初のフォーカスポイントVR技術を搭載したニコンZ fの発売を発表した。これにより、画面中央だけでなく、フォーカスポイントでの手ブレ補正が可能となった。[ 24 ]

デュアル

歴史的なユニバーサル・セオドライトを、フラッシュは使用せず、デュアル手ぶれ補正機能を使用して、美術館でフリーハンドで撮影しました。パナソニック ルミックス DMC-GX8とノクティクロン（カメラシステムの標準焦点距離のほぼ2倍、42.5 mm、f /1.2 ）を使用し、展示ケースの透明ガラスからの反射を除去するために偏光フィルターを使用しました。ISO感度 ：800、露出時間 ：  1 ⁄ 8 秒、露出値 ：0.5。

パナソニックは、 2015年7月に発表されたパナソニック ルミックス DMC-GX8、その後のパナソニック ルミックス DC-GH5から、これまでレンズ交換式カメラシステム（マイクロフォーサーズ規格）にレンズベースの手ブレ補正機能のみを搭載していたが、既存のレンズベースシステム（「デュアルIS」）と連携して動作するセンサーシフト式手ブレ補正機能を導入した。

一方、オリンパスは2016年に、マイクロフォーサーズカメラのイメージセンサーに内蔵された手ブレ補正機構（「Sync IS」）と同期可能な手ブレ補正機能付きレンズ2本を発売しました。この技術により、ブレのない6.5段の絞り開放値を実現できます。[ 25 ]この性能は、地球表面の自転運動によって制限されます。この自転運動はカメラの加速度計の働きを阻害するため、この制限を受けます。そのため、画角にもよりますが、地球の動きを手ブレ補正処理で考慮しない場合、望遠撮影（35mm判換算で焦点距離800mm）では最大露出時間は1 ⁄ 3秒を超えず、広角撮影（35mm判換算で焦点距離24mm）では10秒強を超えることが推奨されます。 [ 26 ]

2015年には、ソニーEカメラシステムでもレンズとカメラ本体の手ブレ補正システムを組み合わせることが可能になったが、その自由度は同期されていなかった。この場合、レンズの手ブレ補正をサポートするために、内蔵イメージセンサー手ブレ補正の独立した補正度のみが作動する。[ 27 ]

CanonとNikonには現在、IBISがあり、各社のレンズベースの安定化もサポートするフルサイズミラーレスボディがあります。Canonの最初の2つのボディであるEOS RとRPにはIBISがありませんが、より最近のハイエンドのR3、R5、R6（およびそのMkIIバージョン）、およびAPS-C R7にはこの機能が追加されました。ただし、フルフレームのR8とAPS-C R10にはIBISがありません。NikonのフルフレームZマウントボディのすべて、Z5、Z5II、Z6、Z6II、Z6III、Z7、Z7II、Zf、Z8 、およびZ9には、IBISがあります。ただし、APS-Cボディ（Z50、Z50II、Z30、Zfc）にはIBISがなく、レンズベースのVRに依存しています。

デジタル画像安定化

後処理段階でソフトウェアのみで画像安定化を行う様子を示す短いビデオ

デジタル画像安定化機能は、電子画像安定化機能(EIS) とも呼ばれ、一部のカメラでは光学画像安定化機能に加えて使用されることもあります。

静止画をデジタルで安定化させるには、複数のフレームを素早く連続して撮影し、ソフトウェアが最適なフレームを選択します。これは、フレーム撮影中に加速度センサーとジャイロスコープセンサーを用いて手の動きを測定し、最も手の動きが少ないフレームを選択することで実現されます。[ 28 ]一部のカメラソフトウェアには、暗い場所での使用を想定した「ナイトモード」機能があり、フレームの撮影時間を延長します。ファインダーは、カメラが処理できる情報量を増やすために、ユーザーにカメラを一定時間固定するよう指示し、ソフトウェアは複数のフレームのノイズを平均化することで、ノイズの少ない画像を生成します。[ 29 ]

動画は、手ぶれを補正するために、フレームごとにイメージセンサーから読み出される切り取り領域を移動させることで電子的に安定化されます。この方法では、イメージセンサーの解像度が録画された動画の解像度を超える必要があり、また、イメージセンサー上の可視フレーム外の領域が手ぶれに対するバッファとして機能するため、視野が狭くなります。[ 30 ] [ 31 ]この技術は、フレーム間の遷移を滑らかにすることで、動画の煩わしい振動を軽減します。

光学式手ブレ補正とは異なり、電子式手ブレ補正は、各フレームの露光中の動きによって生じるモーションブラーを補正できません。そのため、各フレームの露光時間中の動きを補正する際に、画像のフォーカスがずれたように見える場合があります。この影響は、フレームあたりの露光時間が長くなるため、暗い風景ではより顕著になります。

光学式手ぶれ補正も電子式手ぶれ補正も、フレームの露光時間中に動く被写体のブレを除去することはできません。これを防ぐ唯一の方法は、露光時間を短縮し、より多くの外光を必要とするか、光感度設定を高くすることですが、その結果、ノイズが増加します。

一部のスチルカメラメーカーは、実際には短い露出時間を使用する高感度モード（モーションブラーは少ないがノイズは多い）しか備えていないにもかかわらず、自社のカメラにデジタル画像安定化機能が搭載されていると宣伝していました。[ 32 ]これは、動いているものを撮影するときのブレやカメラの揺れを軽減します。

他のカメラでもデジタル信号処理（DSP）を使用して静止画のぼやけを軽減しています。例えば、露出をいくつかの短い露出に分割して素早く連続して撮影し、ぼやけたものを破棄し、最も鮮明なサブ露出を再調整して追加し、ジャイロスコープを使用して各フレームを撮影するのに最適な時間を検出します。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

安定化フィルター

多くのビデオノンリニア編集システムでは、画像内のピクセルの動きを追跡し、フレームを移動することで画像を修正することで、安定化されていない画像を修正できる安定化フィルタが使用されています。 [ 36 ] [ 37 ]このプロセスはデジタル画像安定化に似ていますが、フィルタで処理できる大きな画像がないため、フレームの動きを隠すために画像を切り取るか、空間的または時間的な外挿によってエッジで失われた画像を再現しようとします。[ 38 ]

YouTubeを含むオンラインサービスでは、コンテンツのアップロード後の後処理として「動画手ぶれ補正」機能を提供し始めています。これは、リアルタイムのジャイロスコープデータにアクセスできないという欠点がありますが、より高い計算能力と、特定のフレームの前後の画像を分析できるという利点があります。 [ 39 ]

直交転送CCD

天文学で使用される直交転送CCD （OTCCD）は、明るい星の見かけの動きを分析し、画像撮影中にCCD内部で画像を実際にシフトさせます。これは静止画のデジタル手ブレ補正の稀有な例です。ハワイで建設中のギガピクセル望遠鏡Pan-STARRSがその例です。 [ 40 ]

カメラ本体の安定化

ニュートンヘッドオンレールドリーシステムを通じてリモートコントロールされ、ジャイロ安定化された移動テレビカメラ。

カメラ本体とレンズの組み合わせに追加機能を必要としない技術として、カメラ本体全体を内部機構ではなく外部機構で安定化させるというものがあります。これは、カメラ本体にジャイロスコープを取り付けることで実現され、通常はカメラ内蔵の三脚座を用いて行われます。これにより、外部ジャイロ（ジンバル）がカメラを安定化させることができ、通常、他の手ブレ補正機能を備えたレンズやカメラが利用できない場合に、移動中の車両からの撮影に用いられます。[ 41 ]

2015年頃以降、移動するカメラを安定させる一般的な方法は、スタビライザー付きリモートカメラヘッドなどのカメラスタビライザーを使用することです。カメラとレンズはリモートコントロールカメラホルダーに取り付けられ、このホルダーは鉄道システム、ケーブル、車、ヘリコプターなど、移動するものすべてに取り付けられます。生放送中の移動するテレビカメラを安定させるために使用されるリモートスタビライザー付きヘッドの例として、ニュートンスタビライザーヘッドが挙げられます。[ 42 ]

ビデオカメラや映画用カメラの本体を安定させるもう一つの技術はステディカムシステムであり、ハーネスとカウンターウェイト付きのカメラブームを使用してカメラをオペレーターの体から分離する。 [ 43 ]

カメラスタビライザー

カメラスタビライザーとは、カメラを外部から安定させる装置または物体のことです。ステディカム、三脚、カメラマンの手、あるいはこれらの組み合わせなど を指します。

クローズアップ撮影では、回転センサーを用いてカメラの向きの変化を補正するだけでは不十分です。被写体のミリメートル単位の細部を捉えようとする場合、カメラを傾けるのではなく、上下または左右に数ミリメートル単位で動かすと、その変化が顕著になります。カメラに搭載された線形加速度計は、レンズの焦点距離や撮影距離などの情報と組み合わせることで、センサーや光学系を動かす駆動装置に二次補正情報を与え、直線的な揺れだけでなく回転的な揺れも補正することができます。 [ 44 ]

生物学的な目

人間を含む多くの動物において、内耳はカメラの画像安定化システムにおける加速度計の生物学的類似物として機能し、眼球を動かすことで画像を安定化させます。頭部の回転が検出されると、片側の外眼筋に抑制信号が送られ、反対側の筋に興奮信号が送られます。その結果、眼球は代償的に動きます。通常、眼球運動は頭部運動より10ミリ秒未満遅れます。[ 45 ]

参照

注記

  1. ^このルールはフィルム時代に考案されたものです。現代の高解像度デジタルセンサーでは、焦点距離の2倍の逆数、つまり1/(2*mm)の最小シャッタースピードがより適切かもしれません。 [ 2 ]

参考文献

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