Systeme hinter modernen Stabilisierungsverfahren
In der Medientechnik wird die Videostabilisierung primär in drei technologische Kategorien unterteilt:
- Mechanische/Elektronische Hardware-Gimbals
- Optische Bildstabilisierung (OIS)
- Digitale/Softwarebasierte Videostabilisierung (EIS/Post-Processing)
Die erste Kategorie umfasst moderne, elektronische 3-Achsen-Gimbals. Das sind sogenannte Closed-Loop Control Systems, also aktive, geschlossene Regelsysteme, die die Kamera entlang ihrer drei klassischen Rotationsachsen des Raumes stabilisiert. Das sind die Z-Achse (Pan), an der ungewollte Drehungen nach links bzw. rechts kompensiert werden, die Y-Achse (Roll), an der der Ausgleich von horizontalen Kippbewegungen stattfindet und die X-Achse (Tilt), an der Kompensationen von Bewegungen nach oben und unten erfolgen.
Dieses System funktioniert aufgrund der Basis von einer permanenten sensorischen Erfassung und gleichzeitig motorischen Gegensteuerung. Innerhalb des Sensors werden Winkelgeschwindigkeiten und Orientierungsänderungen der Kamera im dreidimensionalen Raum gemessen. Ein Mikrocontroller berechnet mithilfe eines Algorithmus und ein Fusionsverfahren (beispielsweise durch den Komplementär- oder Kalman-Filter) die Abweichungen der Position, an der die Kamera eigentlich sein sollte. Durch die vorher genannten bürstenlosen Motoren wird die Kamera im Raum inertial im Gleichgewicht gehalten, in dem diese auf allen drei Achsen gleichzeitig ein exaktes Gegendrehmoment applizieren.
Die zweite Kategorie umfasst die optische und Sensor-Shift-Stabilisierung, auch OIS oder IBIS genannt. Sie greift direkt in dem Moment der Belichtung ein, bevor jegliche Bildinformationen den Sensor digital verlassen. Dabei gibt es ein Lens-Based OIS und die In-Body-Image-Stabilization (IBIS). Die Lens-Based OIS funktioniert durch bewegliche Linsengruppen, die im Kameraobjektiv integriert sind. Sobald deren integrierte Sensoren eine Erschütterung registrieren, verschieben kleine Elektromagneten die Stabilisierungslinse um 90 Grad zur optischen Achse. Dabei wird der einfallende Lichtstrahl so umgelenkt, dass er trotz einer (unbeabsichtigten) Bewegung trotzdem exakt auf denselben Punkt im Sensor trifft.
Bei der IBIS ist der Bildsensor selbst mechanisch beweglich gelagert, was man den sogenannten Sensor-Shift nennt. Dabei wird der Sensor durch Aktuatoren in bis zu fünf Achsen verschoben, wodurch sich Vibrationen ausgleichen.
Die letzte und dritte Kategorie ist die digitale bzw. Software-basierte Videostabilisierung, auch EIS (Electronic Image Stabilization ) genannt. Sie arbeitet auf algorithmischer Ebene und funktioniert entweder in Echtzeit oder nachträglich in der Post-Production. In Echtzeit kann sie auf den Bildprozessor (ISP) durchgeführt werden, während sie nachträglich beispielsweise durch Softwares angewendet werden kann. Unabhängig davon funktioniert die EIS immer durch eine dreistufige Abfolge. Zuerst erfolgt eine Bewegungsschätzung des unstabilen Videos, in dem Trajektorien erkannt werden. Die realen Bewegungen der Kamera werden zwischen aufeinanderfolgenden Frames mathematisch modelliert. Dazu werden entweder das feature-basierte Tracking durch markante Punkte im Bild oder der optische Fluss, wobei für Pixel ein Verschiebungsvektor bestimmt wird, verwendet. Danach erfolgt die Bewegungsglättung durch die Trennung von Rauschen und intentionaler Bewegung. Ziel ist es, eine glatte Trajektorie zu generieren, was durch mathematische Filterverfahren, wie den Kalman-Filter, passiert. Als drittes wird das Bild formiert und geometrische sowie beschneidende Korrekturen vorgenommen, um am Ende ein fertiges Video zu haben. Dafür wird auf jeden Frame eine kompensierende geometrische Transformation angewendet, die den Frame entgegen der Störbewegung verschiebt oder rotiert. Dadurch entstehen oft Löcher an den Rändern des Bildes, weshalb es ebenfalls beschnitten und anschließend wieder auf die Zielauflösung skaliert werden muss.
Die Wahl des Stabilisierungsverfahrens: Vor- und Nachteile
Die Wahl des perfekten Stabilisierungsverfahrens ist oft schwer zu treffen und bringt meist Kompromisse mit sich – sei es nun technisch, physikalisch oder algorithmisch.
Die Stabilisierung durch mechanische bzw. elektronische Gimbals bringt die Vorteile einer vollen Sensorenauflösung, keine algorithmischen Bildartefakte und die Kompensation von extrem weiten Bewegungsradien mit sich. Gleichzeitig haben sie den Nachteil eines hohen physischen Gewichts und viel Platzbedarf, sowie Akkuabhängigkeit oder (bei Drohnen) eine Anfälligkeit gegen Windlasten.
OIS oder IBIS funktioniert direkt bei der Akquisition, eignet sich perfekt für Low-Light-Aufnahmen und es gibt keinen Auflösungsverlust. Allerdings hat man dabei einen physikalisch limitierten Bewegungsspielraum der Linse bzw. der Sensoren. Zusätzlich können starke bzw. hochfrequente Erschütterungen oft nicht vollständig kompensiert werden.
Digitale Stabilisierungen erfordern keine zusätzliche Hardware, sind extrem flexibel in der Post-Production anpassbar und kostengünstig integrierbar. Allerdings gibt es den Bildbeschnitt sowie oft einen Qualitätsverlust. Gleichzeitig werden falsche Konfigurationen erzeugt, die das Bild trotzdem wabern bzw. wackeln lassen. Ein weiteres zentrales Problem der reinen Software-Stabilisierung ist das Auftreten von Bewegungsunschärfe. Durch das Zittern der Kamera bei der Aufnahme wird direkt in den Frame eine Unschärfe „eingebrannt“. Die Software-Algorithmen können den Frame zwar geometrisch richtig ausrichten, die Bewegungsunschärfe innerhalb bleibt jedoch bestehen. Dies kann zu unnatürlichen Bildern führen. Modernere Ansätze kombinieren deshalb oft OIS mit EIS.
Fazit
Die Videostabilisierung hat sich über die Jahre durch Ingenieure, Mathematik und Digitalisierung stark weiterentwickelt. Auch in Zukunft soll viel weiter in diesem Bereich geforscht werden. Sowohl in dem Segment des Deep Learnings als auch in integrierten Kamerasensoren wird viel weiterentwickelt. Außerdem ist die Videostabilisierung ein weitaus komplexeres System als man denken könnte.
Quellen
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