Optische Bildstabilisierung

Als Bildstabilisierung bezeichnet man in der Fototechnik Verfahren zur Vermeidung von Verwacklungsunschärfe.

Grundlagen

Die sogenannte „Freihandgrenze“ für das Fotografieren ohne Stativ liegt nach einer bewährten Faustregel beim Reziprokwert (Kehrwert) der Brennweite (entsprechend der Brennweite des Kleinbildformates) des jeweiligen Objektivs; bei ruhiger Hand sind bei einem 200-mm-Teleobjektiv also verwacklungsfreie Aufnahmen ab einer Verschlusszeit von 1/200 Sekunde oder kürzer möglich; für Superteleobjektive gilt diese Faustregel allerdings nur noch eingeschränkt.

Der praktische Gewinn einer Bildstabilisierung liegt – nach Herstellerangaben – bei bis zu vier Blendenstufen, sie ermöglicht demnach eine bis zu sechzehnfach längere Belichtungszeit. Das bedeutet, dass der Fotograf durch eine Bildstabilisierung bei einer Available-Light-Aufnahme mit einer Belichtungszeit von 1/3 Sekunde und einem 50-mm-Normalobjektiv in etwa die gleiche Verwacklungsarmut erzielen kann wie bei einer Belichtung mit 1/50 Sekunde, der Freihandgrenze für die Aufnahmesituation. Daher erweitert ein Bildstabilisator die Möglichkeiten der Freihandfotografie in Bezug einerseits auf die Verschlusszeit sowie andererseits auf die Brennweite des Objektivs.

Einsatz des Anti-Shake-Systemes anstelle des Blitzes im Miniatur-Wunderland Hamburg, Die Fenster zeigen die Einstellungen der Kamera (1/10 s bei 104 mm Brennweite)

Bei der Verwendung langer Brennweiten (> 200 mm) und bei schlechten Lichtverhältnissen kann es bei Freihandaufnahmen leicht zur Verwacklung der Aufnahmen kommen, zum einen durch unruhige Kamerahaltung mit der Hand, zum anderen durch Bewegungen des ganzen Körpers. Um Verwacklungsunschärfe zu vermeiden bzw. verringern, gibt es eine Reihe technischer Möglichkeiten:

• die Verwendung empfindlicheren Filmmaterials (hohe ISO-Zahl), welches aber grobkörnigere Bilder erzeugt bzw. bei Digitalkameras zu Bildrauschen führt,
• Fotografieren bei weiter geöffneter Blende (also kleine Blendenzahlen), wodurch die Schärfentiefe geringer wird,
• Fotografieren mit Blitzgerät oder die Verwendung von Scheinwerfern und
• die Verwendung eines Stativs und eines Fernauslösers, um die Kamera mechanisch zu fixieren und Erschütterungen zu vermeiden.

Während die ersten beiden Methoden die Verschlusszeit verkürzen, gleichzeitig aber eine Verringerung der Bildqualität zur Folge haben, bedeuten die beiden letzten Methoden für den Fotografen die Anschaffung und ggf. Mitführung von mehr Zubehör.

Seit Mitte der 1990er Jahre werden von den Kamera- und Objektivherstellern Bildstabilisierungs-Systeme entwickelt, die das Verwackeln durch optisch-mechanische Systeme vermindern. Die meisten dieser Systeme beruhen auf einer Verschiebung von Linsen im Objektiv, wie beispielsweise die Systeme von Canon (Image Stabilizer) und Nikon (Vibration Reduction). Im Gegensatz zur objektivbasierten Bildstabilisierung werden beim Anti-Shake-System von Konica Minolta nicht Objektivelemente zum Ausgleich bewegt, sondern der CCD-Sensor selbst (CCD-Shift). Über zwei Gyroskopsensoren wird dabei die Bewegungsrichtung und Beschleunigung der Bewegung des Fotoapparates beim Auslösen gemessen. Ein Mikroprozessor errechnet die Korrekturbewegungen, mit denen über den Smooth Impact Drive Mechanism (SIDM) Piezoelemente den CCD-Chip verschieben. Auf diese Weise werden Verwacklungen mit Frequenzen von 1 Hz bis 12 Hz effektiv unterdrückt. 2005 brachte die Firma Ricoh mit der Caplio R3 als zweiter Hersteller eine Kompaktkamera mit einem Bildstabilisierungs-System auf Basis der CCD-Shift-Technik auf den Markt.

Funktionsprinzipien

Es werden drei Verfahren zur Bildstabilisierung unterschieden, die jeweils unter proprietären Bezeichnungen von der Fotowirtschaft angeboten werden.

Optische Bildstabilisierung

Der Mechanismus der Bildstabilisierung kann entweder im Objektiv oder beim Bildsensor untergebracht sein. Bildstabilisierungobjektive werden von Canon, Leica, Nikon, Tamron, Sigma und Panasonic angeboten, eine sensorbasierte Bildstabilisierung bieten unter anderem Pentax, Sony (vormals Konica Minolta) und Fujifilm. Bei der optischen Bildstabilisierung wird entweder der Bildkreis über dem Bildsensor (bei der Realisierung im Objektiv) oder der Bildsensor unter dem Bildkreis (bei der Realisierung im Gehäuse) verschoben.

Ein Vorteil bei einer Bildstabilisierung am Bildsensor liegt darin, dass der Mechanismus grundsätzlich allen verfügbaren Objektiven zugute kommen kann und nicht in jedem Objektiv implementiert zu werden braucht. Jedoch bieten bei Spiegelreflexkameras nur die in das Objektiv integrierten Stabilisatoren die Möglichkeit, bereits beim Blick durch den Sucher ein stabilisiertes Bild zu sehen. Bei Kompaktkameras lassen sich während der Motivsuche sowohl im elektronischen Sucher als auch auf dem Monitor stabilisierte Bilder darstellen. Stabilisierte Wechselobjektive lassen sich auch an analogen Spiegelreflexkameras verwenden.

Implementierung im Objektiv

Hier befinden sich die stabilisierenden Elemente – Prismen, Linsen oder andere optische Elemente – im Objektiv der Kamera; ein oder mehrere optische Elemente sind dabei beweglich und können durch zwei oder drei Sensoren horizontal und vertikal gesteuert werden. Einer der Sensoren bestimmt die horizontale, der andere die vertikale Bewegung und der dritte die Position des Ausgleichselements.

Nikkor 70-300 mm Objektiv mit VR Bildstabilisator

Proprietäre Bildstabilisierungssysteme

Logo des Canon IS-Systems

• Image Stabilizer (IS) von Canon
  Es wird in Foto- und Video-Objektiven sowie Ferngläsern eingebaut. Es gibt je nach Objektiv bis zu vier unterschiedliche Betriebsmodi: a) Korrektur in horizontaler und vertikaler Richtung, b) Korrektur nur in horizontaler Richtung, c) Korrektur nur in vertikaler Richtung, d) ausgeschaltet. Die Modi b und c sind besonders für Fotos schnell bewegter Objekte (Mitziehen) geeignet.
• Optical Image Stabilizer (O.I.S.) von Panasonic
  Beim optischen Bildstabilisator (O.I.S.) von Panasonic wird eine kleine Linse im Objektiv durch zwei Linearmotoren horizontal verschoben; die Motoren werden anhand zweier Gyro-Sensoren (horizontal und vertikal) gesteuert. Es werden Schwingungen von etwa 1 bis 10 Hz kompensiert.
  Panasonic-Kameras kennen zwei Stabilisatormodi: Immer aktiv (Modus 1) und nur aktiv, wenn der Auslöser halb gedrückt ist (Modus 2). Im zweiten Fall wird nicht nur Strom gespart, sondern die beweglichen Linsen stoßen nicht so schnell an einen Anschlag, weil sie im inaktiven Zustand mittig gehalten werden. Dadurch kann das Zittern zuverlässiger kompensiert werden. Im Modus 1 kann es hingegen vorkommen, dass bei stärkeren Kamerabewegungen die Linse den Rand des horizontalen bzw. vertikalen Bewegungsbereiches erreicht. Dafür ist das Sucherbild ruhiger.
• Optical Stabilizer (OS) von Sigma
• Vibration Compensation (VC) von Tamron
• Vibration Reduction (VR) von Nikon

Implementierung in der Kamera

Die Bildstabilisierung in der Kamera funktioniert prinzipiell gleich wie die optische Bildstabilisierung im Objektiv, nur werden dabei keine optischen Ausgleichselemente bewegt, sondern direkt der Bildsensor. An einer Spiegelreflexkamera mit eingebauter Bildstabilisierung sind prinzipiell alle vorhandenen Wechselobjektive zur Bildstabilisierung kompatibel, es braucht also nicht die gesamte Objektivpalette ausgetauscht zu werden, zudem können auch kostengünstige Objektive von Fremdherstellern wie Tamron oder Sigma verwendet werden.

Proprietäre Bildstabilisierungssysteme

• Image Stabilization (IS) von Olympus
• Shake Reduction System (SR) von Pentax
  Im Moment der Auslösung wird der Sensor elektromagnetisch so bewegt, dass das Bild auf dem Sensor still steht. Als erstes Bildstabilisierungssystem kann es nicht nur horizontale und vertikale Bewegungen ausgleichen, sondern auch Rotation um die Bildachse. Der maximal mögliche Hub des Sensors entlang der Bildebene beträgt zwei bis drei Millimeter.
  Das System wurde im Jahr 2006 zunächst in der Kompaktkamera Pentax Optio A10 und anschließend in den digitalen Spiegelreflexkameras K100D und K10D eingesetzt.
  Für die K10D gibt Pentax eine Wirksamkeit der "Shake Reduction" von bis zu vier Lichtwerten an. Das heißt, dass im günstigsten Fall eine 16-fach längere Belichtungszeit verwacklungsfrei gehalten werden kann als ohne Stabilisierung. Die für die Stabilisierungsfunktion benötigte Information über die Brennweite wird der Kamera von neueren Objektiven automatisch mitgeteilt. Ist dies nicht der Fall, kann der Brennweitenwert über das Kameramenü eingegeben werden. Auf diese Weise lassen sich auch alte oder adaptierte Objektive an Kameras mit Shake Reduction stabilisiert verwenden.
• SteadyShot Inside™ (SSI) von Sony (bisher nur für den Vollformatsensor der Alpha DSLR-A900), basierend auf dem Super SteadyShot-System von Sony, wurde ursprünglich als Anti-Shake-System (AS) von Konica Minolta entwickelt.
• Super SteadyShot™ (SSS) von Sony, wurde ursprünglich als Anti-Shake-System (AS) von Konica Minolta entwickelt.
• Vibration Correction von Ricoh

Mechanische Bildstabilisierung

Die mechanische Bildstabilisierung kann durch Aufstützen der Kamera, ein Stativ oder auch über einen Gyro-Stabilisator (Kreisel) durchgeführt werden. Speziell bei Bewegtbild-Aufnahmen dienen Steadicam-Systeme der mechanischen Stabilisierung einer handgeführten Kamera.

Elektronische Bildstabilisierung über Belichtungszeitanpassung

Die elektronische Bildstabilisierung wird hauptsächlich in Videokameras eingesetzt. Aber auch in den Fotoapparaten finden sich Umsetzungen, die meist auf dem Nachschärfen der Bilder oder auf einer automatischen Empfindlichkeitserhöhung des Sensors basieren.

• electronic Vibration Reduction (e-VR) von Nikon, Coolpix S4
• Anti-Shake-DSP in einigen Exilim-Modellen von Casio
• Anti-Shake-Reduction (ASR) von Samsung. Bei der ASR-Funktion werden eine unterbelichtete Aufnahme mit kurzer Verschlusszeit und eine korrekt belichtete mit entsprechend langer Verschlusszeit miteinander kombiniert. Die scharfe unterbelichtete Version wird hierbei mit den Farbinformationen der verwackelten Aufnahme aufgehellt.

Einige Hersteller bezeichnen die automatische Erhöhung der Sensorempfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen als digitale Bildstabilisierung (z. B. Anti-Shake DSP). Dadurch sind kürzere Belichtungszeiten möglich, weshalb die Bilder weniger verwackelt werden. Die erhöhte Sensorempfindlichkeit führt jedoch durch erhöhtes Bildrauschen bzw. durch das notwendige Entrauschen zu einer schlechteren Bildqualität. Die Erhöhung der Sensorempfindlichkeit ist oft auch bei Kameras möglich, die nicht mit dieser Art der digitalen Bildstabilisierung werben. Diese Methode ist also keine echte Bildstabilisierung und dient meistens nur dem Marketing.

Elektronische Bildstabilisierung über Bewegungsmessung

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Die Nachteile gängiger Bildstabilisierungssysteme

• aufwendige Mechanik-Lösungen
• Verkürzung der Belichtungszeiten mit Hilfe von einer Erhöhung der ISO-Empfindlichkeit und damit verstärktes Rauschen
• rechenintensive Bildanalyse und -korrektur

können umgangen werden, wenn die Kamera in der Lage ist, die Wackelbewegungen, bestehend aus linearen Beschleunigungen und Verdrehungen, separat zu messen. Diese Beschleunigungen und Drehraten werden von Inertialsensoren gemessen und von einem Mikroprozessor erfasst und korrigiert.

Geschichte und Entwicklung

Die erste Kamera mit einer Bildstabilisierungsfunktion stellte Nikon 1994 mit der Zoom 700VR vor.

1995 brachte Canon mit einem 75-300 mm-Telezoom das erste Wechselobjektiv für Kleinbildkameras mit einem optischen Bildstabilisator auf den Markt.

Der erste gehäuseintegrierte Bildstabilisator in einer digitalen Spiegelreflexkamera kam 2004 in Form des Anti-Shake Systems in der Konica Minolta Dynax 7D zum Einsatz. Diese Lösung stellte eine Weiterentwicklung der technisch vergleichbaren Systeme dar, die vormals in Minolta-Bridgekameras verwendet wurden.

Weitere Anwendungen

Seit einigen Jahren gibt es auch Ferngläser und Feldstecher mit mechanischer Bildstabilisierung (z. B. Zeiss 20x60S, Canon 15x50 IS, Fujinon Techno-Stabi 14x40 u. a.)

Synthetische Bildstabilisierung

Mit Hilfe der „Post Production Stabilizer“ ist eine synthetische Bildstabilisierung auch nach der Aufnahme eines Films möglich. Derartige Motion Tracking Software bietet beispielsweise Dynapel mit dem Produkt SteadyHand (früher SteadyMove) sowie Adobe mit Adobe After Effects an.

Weblinks

• Vibration Reduction System from Nikon
• Illustrierte Beschreibung des Anti-Shake-Systems von Minolta, enthält einem Beispielfilm von Vincent Bockaert (englischsprachig)
• Praxistest eines Bildstabilisators Vergleich eines Fotos mit aktiviertem und deaktiviertem Bildstabilisator
• Bildstabilisierung am VTT (Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik)
• Der Kenyon Gyro Stabilizer
• Vibration Compensation von Tamron