画像安定化

画像安定化( IS ) は、露出中のカメラやその他の画像装置の動きに伴うぼやけを軽減する一連の技術です。

一般的に、電子式手ぶれ補正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、電子式手ぶれ補正は光軸周りの回転（ロール）も補正できます。^[1]電子式手ぶれ補正は主に、手ぶれ補正機能付き高級双眼鏡、静止画・動画カメラ、天体望遠鏡、スマートフォンなどで使用されています。静止画カメラでは、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（望遠またはズーム）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。

写真撮影では、手ぶれ補正によりシャッタースピードを2～5.5段遅くすることができます（露出4～22+1 ⁄ 2倍長くなり、さらに遅い実効速度が報告されています。

手持ちで撮影した際に手ぶれによるブレが目立たない最低シャッター速度を決める経験則は、レンズの35 mm 換算焦点距離の逆数を取ることであり、これは「1/mm ルール」とも呼ばれます^[a]。たとえば、35 mm カメラの焦点距離が 125 mm の場合、シャッター速度が1 ⁄ 125秒より遅いと、振動や手ぶれによって鮮明度が損なわれる可能性があります。IS によって 2 ～ 4.5 段遅いシャッター速度が可能になるため、通常のレンズで1 ⁄ 125秒の速度で撮影した画像は、IS 搭載レンズで1 ⁄ 15 秒または1 ⁄ 8秒で撮影しても、ほぼ同じ品質が得られます。特定の速度で得られる鮮明度は大幅に向上する可能性があります^[3]。 有効焦点距離を計算するときは、カメラが使用する画像形式を考慮することが重要です。たとえば、多くのデジタル SLR カメラでは、35 mm フィルム フレームの2 ⁄ 3、5 ⁄ 8、または1 ⁄ 2 のサイズのイメージ センサーが使用されています。つまり、 35 mm フレームは、デジタル センサーの 1.5 倍、1.6 倍、または 2 倍のサイズになります。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。たとえば、2 倍クロップ ファクターのカメラでは、50 mm レンズで 35 mm フィルム カメラで使用される 100 mm レンズと同じ視野が得られ、通常は1 ⁄ 100秒で手持ち撮影できます。

ただし、手ぶれ補正では、被写体の動きやカメラの極端な動きによって生じるモーション ブラーは防げません。手ぶれ補正は、手持ち撮影によるレンズの通常のわずかな揺れによって生じるブラーを軽減するためにのみ設計されており、その機能も備えています。一部のレンズとカメラ本体には、セカンダリパンニングモードまたはより強力な「アクティブ モード」が搭載されています。これらについては、以下の光学式手ぶれ補正の項で詳しく説明します。

天体写真撮影では、カメラを固定して撮影する長時間露光撮影が多く用いられます。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に位置データ用のO-GPS1 GPSアクセサリを装着すると、センサーシフト機能を使用して、星の軌跡を減らすことができます。^[4]

安定化はレンズ内またはカメラ本体内に適用できます。それぞれの方法には独特の長所と短所があります。^[5]

光学式手ぶれ補正( OIS 、 IS 、またはOS ) は、静止画カメラやビデオカメラで使用されるメカニズムで、センサーまでの光路を変えることで記録された画像を安定させます。この技術はレンズ自体に実装されており、光路の最終要素としてセンサーを動かす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重要な要素は、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。

光学式手ぶれ補正は、同じ露出時間内での揺れによる画像のぼやけの可能性を減らすことで、手持ち撮影の シャッター速度を長くします。

手持ちビデオ録画では、照明条件に関係なく、光学式手ぶれ補正により、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]}

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。

• 手ブレ補正（VR） -ニコン（1994年にニコンズーム700VR（米国：ズームタッチ105VR）カメラに組み込まれた38〜105mm f /4〜7.8ズームという最初の光学2軸安定化レンズを製造した） ^{[9] [10]}
• イメージ スタビライザー (IS) –キヤノンは1995 年にEF 75–300 mm f /4–5.6 IS USM を発表しました。2009 年には、4 軸ハイブリッド IS を使用する最初のレンズ (EF 100mm F2.8 マクロ L) を発表しました。
• 手ぶれ補正(AS) –ミノルタとコニカミノルタ(ミノルタは 2003 年にDiMAGE A1で初のセンサーベースの 2 軸手ぶれ補正機能を導入しました)
• IBIS - ボディ内手ブレ補正 -オリンパスと富士フイルム
• 光学式手ブレ補正(OSS) –ソニー(サイバーショットおよびいくつかのα E マウントレンズ用)
• 光学式手ぶれ補正（OIS） –富士フイルム
• MegaOIS、PowerOIS –パナソニックとライカ
• SteadyShot (SS)、Super SteadyShot (SSS)、SteadyShot INSIDE (SSI) –ソニー(元々はコニカミノルタの Anti-Shakeをベースにしており、ソニーは2008 年にDSLR-A900用の 2 軸フルフレーム版、2014 年にフルフレームILCE-7M2用の5 軸スタビライザーを導入しました)
• 光学式手ブレ補正（OS） –シグマ
• 手ブレ補正（VC） –タムロン
• 手ぶれ補正（SR） –ペンタックス
• PureView – Nokia ( Lumia 920に搭載された初の携帯電話用光学安定化センサーを製造)
• UltraPixel – HTC (画像安定化機能は、UltraPixel を搭載した 2013 HTC One および 2016 HTC 10 でのみ利用できます。UltraPixel を搭載した HTC One (M8) または HTC Butterfly S では利用できません)

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ビデオに光学式手ぶれ補正機能を採用しています。^[11]

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、この種の画像安定化装置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カメラの揺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、車やボートなどの移動中の乗り物からの撮影に「アクティブ」モードを提供するものがあり、これは「通常」モードよりも大きな揺れを補正するはずです。^[17]しかし、通常の撮影に使用されるアクティブモードは、通常モードよりも悪い結果を生み出す可能性があります。^[18]これは、アクティブモードがより高い角速度の動き（通常、より速い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）を減らす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より低い角速度の動き（通常、より遅い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と移動するプラットフォームに立っているときの体と手の動き）を減らしようとするためです。

レンズを三脚に取り付ける場合、ほとんどのメーカーはレンズのIS機能をオフにすることを推奨しています。これは、不安定な結果を引き起こす可能性があり、通常は不要であるためです。多くの最新の画像安定化レンズ（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（非常に低い振動の測定値の結果）、ISを自動的に無効にして、これとそれに伴う画質の低下を防止します。^[19]このシステムはバッテリー電力も消費するため、不要なときに無効にすることでバッテリーの充電を延ばすことができます。

レンズベースの手ぶれ補正の欠点はコストです。レンズごとに独自の手ぶれ補正システムが必要です。また、すべてのレンズが手ぶれ補正バージョンで利用できるわけではありません。これは、高速プライムレンズや広角レンズの場合によく見られます。ただし、手ぶれ補正機能を備えた最速レンズは、f ‍ /1.2の速度を持つNocticronです。手ぶれ補正の最も明らかな利点は焦点距離が長い場合ですが、低照度アプリケーションでは標準レンズや広角レンズでも手ぶれ補正の恩恵を受けることができます。

レンズベースの安定化には、ボディ内安定化よりも優れた点もあります。低照度または低コントラストの状況では、レンズからの画像がすでに安定化されている場合、オートフォーカス システム (安定化センサーなし) はより正確に動作できます。^[要出典]光学ビューファインダー付きのカメラでは、安定化レンズ (ボディ内安定化とは対照的) を通して撮影者が見る画像は、その安定性により詳細が明らかになり、正しいフレーミングも容易になります。これは、特に望遠レンズが長い場合に当てはまります。ミラーレス一眼カメラシステムでは、画面または電子ビューファインダーへのセンサー出力が安定化されるため、これは問題になりません。

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手ぶれ補正と呼ばれます。カメラが回転して角度誤差が発生すると、ジャイロスコープがセンサーを動かすアクチュエータに情報をエンコードします。^[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動かされます。現代のカメラは、そのカメラ用に作られた現代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αラインでは現在SteadyShot (SS)として販売されているAnti-Shake (AS)、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)と呼ばれる技術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）を使用して画像をリアルタイムで分析し、センサーを適切に動かしています。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でも使用されています。^[23]

レンズの代わりにイメージ センサーを動かす利点は、安定化機能のないレンズでも画像を安定化できることです。これにより、安定化機能が、他の方法では安定化されていない多くのレンズで機能するようになり、レンズの重量と複雑さが軽減されます。さらに、センサー ベースの画像安定化テクノロジが改善されると、その改善を利用す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 ベースの画像安定化に頼る場合、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。センサー ベースの画像安定化実装の中には、シャッター ボタンを押すだけで簡単に発生するカメラのロール回転を補正できるものがあります。レンズ ベースのシステムでは、この潜在的な画像ぼやけの原因に対処できません。利用可能な「ロール」補正の副産物として、ペンタックス K-7/K-5 カメラなどの電子水準器が装備されている場合、カメラは光学領域で傾いた水平線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欠点の 1 つは、ファインダーに投影される画像が安定しないことです。同様に、イメージセンサーの一部ではない位相検出オートフォーカス システムが使用されている場合、そのシステムに投影される画像は安定しません。電子ビューファインダー(EVF) を使用するカメラでは、ビューファインダーに投影される画像はイメージセンサー自体から取得されるため、この問題は発生しません。

ボディ内手ぶれ補正機能を持つカメラ本体の一部は、特定の焦点距離に手動で事前設定できますが、すべてではありません。その手ぶれ補正システムは、その焦点距離のレンズが取り付けられているかのように補正するため、カメラは古いレンズや他のメーカーのレンズを手ぶれ補正できます。ズームレンズは焦点距離が可変であるため、これは実行できません。一部のアダプタは、あるレンズのメーカーから別のメーカーのボディに焦点距離情報を伝えます。焦点距離を報告しないレンズには、事前にプログラムされた焦点距離をカメラ本体に報告するチップを後付けできます。これらのテクニックがどれも機能しない場合があり、そのようなレンズでは画像手ぶれ補正を使用できません。

ボディ内手ぶれ補正では、露出中にセンサーが移動して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。光学式手ぶれ補正システムでのレンズ移動と比較すると、センサー移動はかなり大きいため、その効果はセンサー移動の最大範囲によって制限されますが、一般的な最新の光学式手ぶれ補正レンズは自由度が高くなります。必要なセンサー移動の速度と範囲は、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、特に低速シャッター速度を使用する場合、非常に長い望遠レンズにはあまり適していません。これは、センサーの利用可能な移動範囲が、画像の変位の増加に対処するのにすぐに不十分になるためです。

ニコンは2023年9月に、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の中心ではなく、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の軸を合わ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、画像の中心だけでなく、フォーカスポイントでの手ブレ軽減が可能となった。^[24]

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、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のシステムと連携して動作するセンサーシフト式手ブレ補正機能（「デュアルIS」）を導入した。

一方、オリンパスは、2016年に、オリンパスの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ぶれ補正システム（「Sync IS」）と同期できる手ぶれ補正機能付きレンズ2本も発売した。この技術により、画像がぼやけることなく、6.5fストップのゲインを達成できる。^{[25]これは、カメラの}加速度計を欺く地球表面の回転運動によって制限される。したがって、地球の動きが手ぶれ補正プロセスで考慮されない場合は、画角に応じて、最大露出時間は、望遠ショット（ 35mm換算焦点距離800mm）では1⁄3秒を超えず、広角ショット（35mm換算焦点距離24mm）では10秒強を超えるべきである。[ 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画像安定化システムを組み合わせることが可能になったが、同じ自由度を同期させることはできなかった。この場合、レンズ安定化をサポートするために、内蔵イメージセンサー安定化の独立した補正度合いのみがアクティブ化される。^[27]

キヤノンとニコンは現在、IBIS を備え、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を販売しています。キヤノンの最初の 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) と 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。ニコンのフルフレームZ マウントボディはすべて、 Z 6、Z 7、両方の Mark II バージョンであるZ 8とZ 9で IBIS があります。ただし、APS-Cの Z 50にはIBIS がありません。

リアルタイムデジタル画像安定化は、電子画像安定化（EIS）とも呼ばれ、一部のビデオカメラで使用されています。この技術は、動きを打ち消すために、各フレームでイメージセンサーから読み取られた切り取られた領域をシフトします。これには、イメージセンサーの解像度が記録されたビデオの解像度を超える必要があり、可視フレームの外側のイメージセンサー上の領域が手の動きに対するバッファとして機能するため、視野がわずかに狭くなります。^[28]この技術は、フレームからフレームへの移行をスムーズにすることで、ビデオの気を散らす振動を軽減します。

この技術では、既存のモーション ブラーについては何もできません。モーション ブラーがあると、個々のフレームの露出時間中に動きによって補正されるため、画像の焦点が失われたように見える場合があります。この効果は、フレームあたりの露出時間が長くなるため、暗い風景ではより顕著になります。

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しか持たないにもかかわらず、デジタル画像安定化機能を備えていると宣伝していました。このモードでは、モーションブラーは少ないものの、ノイズは多くなります。^[29]動いているものを撮影するときやカメラの揺れによるぼやけを軽減します。

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。たとえば、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最適な時間を検出します。^{[30] [31] [32]}

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、フレームを移動して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。 ^{[33] [34]このプロセスはデジタル画像安定化に似ていますが、フィルターで処理する}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。^[35]

YouTubeを含むオンラインサービスも、コンテンツがアップロードされた後の後処理ステップとして「ビデオ安定化」を提供し始めています。これにはリアルタイムのジャイロデータにアクセスできないという欠点がありますが、より多くの計算能力と特定のフレームの前後の画像を分析する機能の利点があります。^[36]

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の分析に基づいて、画像が撮影されている間にCCD自体の中で画像を実際にシフトします。これは静止画のデジタル安定化の珍しい例です。その一例は、ハワイで建設中のギガピクセル望遠鏡Pan-STARRSです。 ^[37]

カメラ本体とレンズの組み合わせに追加の機能を必要としない技術は、内部の方法を使用するのではなく、カメラ本体全体を外部から安定化することです。これは、通常、カメラに内蔵された三脚マウントを使用して、カメラ本体にジャイロスコープを取り付けることによって実現されます。これにより、外部ジャイロ（ジンバル）がカメラを安定させることができ、通常は、別のタイプの画像安定化機能を備えたレンズまたはカメラが利用できない場合に、移動中の車両からの写真撮影に使用されます。^[38]

2015年頃以降、動いているカメラを安定させる一般的な方法は、安定化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、レールシステム、ケーブル、車、ヘリコプターなど、動くものなら何にでも取り付けられます。ライブ放送中の動いてい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安定化ヘッドの例としては、ニュートン安定化ヘッドがあります。^[39]

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、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 ステディカムシステムである。 ^[40]

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。これには、ステディカム、三脚、カメラマンの手、またはこれらの組み合わせが含まれます。

クローズアップ撮影では、回転センサーを使用して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詳細を解像しようとすると、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動かすと、その変化が顕著になります。カメラの線形加速度計は、レンズの焦点距離や焦点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ドライブに二次補正を供給し、直線および回転の揺れを補正することができます。 ^[41]

人間を含む多くの動物では、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、目を動かすことで画像を安定化させます。頭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、もう片側の筋肉に興奮信号が送られます。その結果、目の代償運動が起こります。通常、目の動きは頭の動きより10ミリ秒未満遅れます。^[42]

ウィキメディア・コモンズには、画像安定化に関連するメディアがあります。

• 適応光学
• ぼかし除去
• ヘリジンバル
• ハイパーラプス
• 動き補償
• ぶれたカメラ