Loading article…
画像安定化（IS ）とは、露光中にカメラやその他の画像装置が動くことによって生じるブレを軽減する技術の総称です。
一般的に、これは撮像装置のパンとチルト（角度の動き、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 ]これは主に、ハイエンドの手ぶれ補正双眼鏡、静止画カメラ、ビデオカメラ、天体望遠鏡、およびスマートフォンで使用されています。静止画カメラでは、カメラの揺れは、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（望遠レンズまたはズームレンズ）を使用した場合に特に問題となります。ビデオカメラでは、カメラの揺れにより、記録されたビデオでフレーム間のジッターが目に見えるようになります。天文学では、レンズの揺れの問題に加えて、時間の経過とともに物体の見かけ上の位置が変化する大気の変化の問題があります。
写真撮影において、手ぶれ補正機能を用いることで、シャッタースピードを2～5.5段遅く（露光時間を4～30倍長く）することが可能になり、さらに遅い実効シャッタースピードも報告されている。
手持ち撮影でカメラのブレによる目立ったブレが生じない最低シャッタースピードを決定する経験則は、レンズの35mm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」とも呼ばれています[ a ]。たとえば、35mm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、振動やカメラのブレによってシャープネスに影響が出る可能性があります。ISによって2～4.5段分のシャッタースピードの減速が可能になるため、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は、IS搭載レンズでは1/15秒または1/8秒で撮影でき、ほぼ同じ品質が得られます。特定のシャッタースピードで得られるシャープネスは劇的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、焦点距離倍率、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成し、通常は1/100秒で手持ち撮影が可能です。
ただし、手ぶれ補正機能は、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を防ぐものではありません。手ぶれ補正機能は、手持ち撮影によるレンズのわずか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おり、その効果を発揮します。一部のレンズやカメラ本体には、セカンダリー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ぶれ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は、位置データ用のGPSアクセサリO-GPS1を装備すると、センサーシフト機能を使用して、結果として生じる星の軌跡を軽減できます。[ 4 ]
手ぶれ補正は、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、独自の利点と欠点があります。[ 5 ]
光学式手ぶれ補正（OIS、IS、またはOS）は、静止画カメラや動画カメラで使用される機構で、センサーへの光路を変化させ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、すべてのレンズで使用できるという利点もあります。
光学式手ぶれ補正は、同じ露光時間内で手ぶれによる画像のブレを軽減することで、手持ち撮影時のシャッタースピードの上限を延長します。
手持ちビデオ撮影では、照明条件に関係なく、光学式手ぶれ補正が、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すると目立つ小さな揺れを補正します。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]
OIS技術には企業によって異なる名称が付けられています。例えば、以下のとおりです。
2014年末時点のハイエンドスマートフォンのほとんどは、写真や動画に光学式手ぶれ補正機能を使用している。[ 12 ]
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エレメントを使用することで機能します。 [ 13 ] 振動は、2 つの圧電角速度センサー (しばしばジャイロスコープセンサーと呼ばれる) 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。[ 14 ]その結果、この種のイメージスタビライザーはピッチ軸とヨー軸の回転のみを補正し、[ 15 ] [ 16 ]光軸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ーモードがあります。このモードは、パンニングテクニックを使用する場合に便利です。このようなレンズの中には、自動的にアクティブになるものもあれば、レンズのスイッチを使用するものもあります。
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、パナソニックは軸回転、水平回転、垂直回転、水平および垂直方向の動きの5軸補正を備えたPower Hybrid OIS+を導入しました。[ 17 ]
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撮影するための「アクティブ」モードを備えているものがあり、これは「ノーマル」モードよりも大きな手ブレを補正するように設計されています。[ 18 ]しかし、アクティブモードを通常の撮影に使用すると、ノーマルモードよりも結果が悪くなる場合があります。[ 19 ]これは、アクティブモードは角速度の大きい動き（通常は高速シャッタースピードを使用して激しく動くプラットフォームから撮影する場合）を軽減するように最適化されているのに対し、ノーマルモードは振幅と時間枠の小さい角速度の動き（通常は低速シャッタースピードを使用して静止またはゆっくり動くプラットフォームに立っているときの体と手の動き）を軽減しようとするためです。
ほとんどのメーカーは、レンズを三脚に取り付ける際には、IS機能をオフにすることを推奨しています。IS機能は不安定な結果を引き起こす可能性があり、一般的に不要だからです。多くの最新の手ぶれ補正レンズ（特にキヤノンの最近のISレンズ）は、（非常に低い振動測定値の結果として）三脚に取り付けられていることを自動的に検出し、これを防ぎ、それに伴う画質の低下を防ぐために、ISを自動的に無効にすることができます。[ 20 ]また、このシステムはバッテリー電力も消費するため、必要でないときに無効にすることでバッテリーの充電時間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。各レンズには独自の手ぶれ補正システムが必要です。また、すべてのレンズに手ぶれ補正バージョンが用意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でよく見られます。ただし、手ぶれ補正機能を備えた最も明るいレンズは、F1.2のノクティクロンです。手ぶれ補正の最も明白な利点は焦点距離が長いことですが、標準レンズや広角レンズでも、暗い場所での撮影で効果を発揮します。
画像を捉えるセンサーは、カメラの動きを打ち消すように動かすことができ、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生じると、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。[ 21 ]センサーは、使用されているレンズの焦点距離の関数であるイメージ平面への画像の投影を維持するように動きます。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αシリーズでSteadyShot（SS）として販売されているAnti-Shake （AS）と呼ばれる技術を使用し、ペンタックスKシリーズとQシリーズのカメラではShake Reduction（SR）を使用しています。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。[ 22 ]オリンパスは、超音波波動駆動を中心としたシステムを使用して、E-510 D-SLRボディで手ぶれ補正を導入しました。 [ 23 ]他のメーカー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解析し、センサーを適切に動かします。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、リコーカプリオの一部のカメラでも使用されています。[ 24 ]
イメージセンサーをレンズではなく動かすことの利点は、手ブレ補正機能のないレンズでも画像を安定させることができる点です。これにより、本来手ブレ補正機能のない多くのレンズでも手ブレ補正が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、センサーベースの手ブレ補正技術が進歩した場合、カメラを交換するだけでその改善を活用できるため、レンズベースの手ブレ補正に頼る場合のように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。センサーベースの手ブレ補正の中には、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るものもあります。レンズベースのシステムでは、この画像ブレの原因となる可能性のある動きに対処することはできません。ロール補正が可能なことによる副産物として、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することができます。
イメージセンサー自体を移動させることの主な欠点の1つは、ファインダーに投影される画像が手ブレ補正されないことです。同様に、イメージセンサーの一部ではない位相差検出オートフォーカスシステムを使用する場合、そこに投影される画像も手ブレ補正されません。電子ビューファインダー（EVF）を使用するカメラでは、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。
ボディ内手ブレ補正機能を搭載したカメラボディの中には、焦点距離をあらかじめ手動で設定できるものがありますが、すべてのボディにその機能があるわけではありません。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を行うため、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、焦点距離が可変のズームレンズではこの機能は利用できません。一部のアダプターは、あるレンズメーカーの焦点距離情報を別のメーカーのカメラボディに伝達します。焦点距離を報告しないレンズの中には、あらかじめプログラムされた焦点距離をカメラボディに報告するチップを後付けできるものもあります。しかし、これらの方法がどれも効果がない場合もあり、そのようなレンズでは手ブレ補正機能を使用できないこともあります。
ボディ内手ぶれ補正では、露光中にセンサーが移動するため、レンズの出力イメージサークルが大きく、より広い範囲の画像が使用される。光学式手ぶれ補正におけるレンズの動きと比較すると、センサーの動きはかなり大きいため、その効果はセンサーの最大可動範囲によって制限される。一方、一般的な最新の光学式手ぶれ補正レンズは、より大きな可動範囲を備えている。必要なセンサーの動きの速度と範囲は、使用するレンズの焦点距離とともに増加するため、センサーシフト技術は、特にシャッタースピードが遅い場合、非常に長い望遠レンズにはあまり適していない。これは、センサーの可動範囲が、増加する画像変位に対応するにはすぐに不十分になるためである。
2023年9月、ニコンは、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Nikon Z fの発売を発表しました。これにより、画像の中央だけでなく、フォーカスポイントでの振動低減が可能になります。[ 25 ]
デジタル一眼レフカメラ（DSLR）とミラーレスカメラのアーキテクチャの違いは、それぞれの手ぶれ補正システムがそれぞれのカメラシステムにもたらす異なる利点を際立たせています。[ 26 ] [ 27 ]
デジタル一眼レフカメラ（DSLR）システムでは、レンズ式手ブレ補正はセンサーシフト式手ブレ補正よりも大きな利点があります。DSLRは、メインイメージセンサーとは物理的に分離された光学ファインダー（OVF）と専用の位相差検出オートフォーカス（PDAF）モジュールに依存しているため、センサーシフトによってセンサーを移動させても、最終的な画像が改善されるだけで、OVFの安定化やオートフォーカスシステムの補助にはなりません。このため、センサーシフト式手ブレ補正は、真のDSLRアーキテクチャでは採用が限られていました（ペンタックスK-1 [ 28 ]や、ソニーα99 II [ 29 ]のような半透明ミラーSLTカメラは例外です）。一方、レンズ式手ブレ補正は、光がミラーボックスに到達する前に光路を補正します。これにより、OVFを通して安定化された画像が得られ、フレーミングが容易になり、PDAFモジュールによりシャープな画像が提供されることでフォーカス捕捉が向上します。
ミラーレスシステムは、メインイメージセンサーをオートフォーカス、電子ビューファインダー（EVF）フィード、および最終的な画像キャプチャの単一のデータソースとして使用することで、このダイナミクスを変えます。このシステムでは、センサーシフトによってセンサーを移動することで、3 つのコンポーネントすべてが同時に効果的に安定化されます。これにより、レンズベースの IS の利点がいくらか打ち消されますが、純粋な画像安定化の観点からは、一般的にはより効果的な方法のままです。最新のカメラは、レンズベースとセンサーシフト IS の両方を使用して、さらに優れた安定化を実現しています[ 30 ]。キヤノンは、IBIS を搭載したカメラでは約 8 段の安定化、レンズベースのみの場合は 5.5 段の安定化をよく引用しています[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]。
2015年7月に発表されたパナソニック Lumix DMC-GX8を皮切りに、その後パナソニック Lumix DC-GH5で、これまでマイクロフォーサーズ規格の交換レンズ式カメラシステムにレンズ内手ぶれ補正のみを搭載していたパナソニックは、既存のレンズ内手ぶれ補正と連携して動作するセンサーシフト式手ぶれ補正（「デュアルIS」）を導入した。
その一方で（2016年）、オリンパスは、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を備えたレンズを2本提供しました。この技術により、ぼやけた画像なしで6.5段分の明るさ向上を実現できます。[ 34 ]これは、カメラの加速度計を誤作動させる地球表面の自転運動によって制限されます。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、視野角に応じて、望遠撮影（35mm換算焦点距離800mm ）では最大露光時間は1/3秒を超えず、広角撮影（35mm換算焦点距離24mm ）では10秒強を超えないようにしてください。[ 35 ]
2015年には、ソニーのEカメラシステムでもレンズとカメラ本体の手ぶれ補正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、内蔵イメージセンサーの手ぶれ補正の独立した補正自由度のみがレンズの手ぶれ補正をサポートするために有効になる。[ 36 ]
キヤノンとニコンは現在、ボディ内手ブレ補正（IBIS）を搭載し、両社のレンズ内手ブレ補正にも対応したフルサイズミラーレスカメラを発売している。キヤノンの最初の2機種であるEOS RとRPにはIBISは搭載されていないが、より最近の上位機種であるR3、R5、R6（およびそのMkIIバージョン）とAPS-CのR7にはこの機能が追加された。ただし、フルサイズのR8とAPS-CのR10にはIBISは搭載されていない。ニコンのフルサイズZマウントカメラ（Z5、Z5II、Z6、Z6II、Z6III、Z7、Z7II、Zf、Z8、Z9）はすべてIBISを搭載している。ただし、APS-Cカメラ（Z50、Z50II、Z30、Zfc）にはIBISは搭載されておらず、レンズ内手ブレ補正（VR）に頼っている。
デジタル手ぶれ補正（電子手ぶれ補正（EIS）とも呼ばれる）は、一部のカメラで使用されており、光学式手ぶれ補正に加えて使用される場合もある。
静止画をデジタル的に安定させるには、複数のフレームを連続して素早く撮影し、ソフトウェアが最適なフレームを選択します。これは、フレームを撮影中に加速度計とジャイロスコープセンサーを使用して手の動きを測定し、手の動きが最も少ないフレームを選択することによって実現されます。[ 37 ]カメラソフトウェアの中には、暗い場所で使用するための「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。ビューファインダーは、カメラが処理できる以上の情報をキャプチャできるように、ユーザーにカメラを長時間安定して保持するように指示し、ソフトウェアは複数のフレームからのノイズを平均化して、ノイズの少ない画像を生成します。[ 38 ]
動画は、各フレームごとにイメージセンサーから読み取られる切り抜き領域を移動させることで電子的に安定化され、手の動きを相殺します。これには、イメージセンサーの解像度が記録された動画の解像度を超える必要があり、イメージセンサー上の可視フレーム外の領域が手の動きに対する緩衝材として機能するため、視野が狭くなります。[ 39 ] [ 40 ]この技術は、あるフレームから別のフレームへの移行を滑らかにすることで、動画の邪魔な振動を軽減します。
光学式手ぶれ補正とは異なり、電子式手ぶれ補正は、個々のフレームの露光中に発生する動きによるモーションブラーを補正することができません。そのため、個々のフレームの露光時間中の動きによって動きが補正される際に、画像がピントがずれたように見えることがあります。この現象は、フレームごとの露光時間が長くなる暗いシーンで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。これに対する唯一の対策は露光時間を短縮することですが、そのためにはより多くの外部光が必要となり、あるいは感度設定を高くする必要があり、結果としてノイズが増加します。
一部の静止画カメラメーカーは、実際には短い露光時間を使用する高感度モードしか搭載していないにもかかわらず、デジタル手ぶれ補正機能を搭載していると宣伝していた。これにより、動きのブレは少なくなるが、ノイズは増える。[ 41 ]動いているものを撮影する際のブレや、カメラの手ぶれによるブレを軽減する。
静止画のブレを軽減するためにデジタル信号処理（DSP）を使用するものもある。例えば、露光を複数の短い露光に分割して連続して撮影し、ブレた露光を破棄し、最も鮮明なサブ露光を再調整して合成し、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タイミングを検出する。[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]
多くのビデオノンリニア編集システムは、画像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補正することで、安定化されていない画像を補正できる安定化フィルターを使用します。 [ 45 ] [ 46 ]このプロセスはデジタル画像安定化に似ていますが、処理するより大きな画像がないため、フィルターはフレームの動きを隠すために画像をトリミングするか、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構築しようとします。[ 47 ]
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「ビデオの安定化」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両方の画像を分析できるという利点があります。[ 48 ]
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、画像をキャプチャしている間に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手ぶれ補正の珍しい例です。その例として、ハワイで建設中のギガピクセル望遠鏡Pan-STARRSがあります。 [ 49 ]
カメラ本体とレンズの組み合わせに特別な機能を必要としない技術として、内部方式ではなく外部からカメラ本体全体を安定化させる方法があります。これは、通常カメラの内蔵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で実現されます。これにより、外部ジャイロ（ジンバル）がカメラを安定化させることができ、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で使用されます。[ 50 ]
2015年頃以降、移動中の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制御カメラホルダーに取り付けられ、そのホルダーはレールシステム、ケーブル、自動車、ヘリコプターなど、動くものに取り付けられます。生放送中の移動式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は、ニュートンスタビライザー付きヘッドがあります。[ 51 ]
ビデオカメラや映画カメラの本体を安定させるもう1つの技術は、ステディカムシステムです。これは、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します。 [ 52 ]
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や物体全般を指します。これには、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指向方向の変化を補正するだけでは不十分になります。カメラを傾けるのではなく、上下左右に数ミリメートル動かすと、被写体のミリメートル単位の細部を解像しようとしている場合は、その動きが目立ちます。カメラ内の線形加速度計は、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駆動部に二次補正を供給し、回転方向だけでなく直線方向の揺れも補正することができます。 [ 53 ]
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、眼球を動かすことで画像を安定させます。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、反対側の筋肉に興奮信号が送られます。その結果、眼球が補償的に動きます。通常、眼球の動きは頭の動きより 10 ms 未満遅れます。[ 54 ]
{{cite web}}: CS1メンテナンス: アーカイブサービスは非推奨になりました (リンク){{cite book}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
ウィキメディア・コモンズにある画像安定化に関するメディア