Si vos images semblent parfois avoir été enregistrées lors d'un tremblement de terre, ce n'est pas de votre faute. Aucune vidéo à main levée ne sera parfaitement stable ; même les photos prises sur un trépied peuvent avoir des frissons lorsque vous photographiez en plein téléobjectif. Mais vous pouvez bannir les mauvaises vibrations de vos programmes en utilisant la stabilisation d'image.
Les systèmes de stabilisation d'image peuvent réduire considérablement le tremblement de vos images ; mais pour en utiliser un, vous devez investir dans un caméscope qui en inclut un. Donc, avant d'envisager de le faire, vous voudrez savoir dans quelle mesure la stabilisation d'image fonctionne, si cela en vaut la peine et quelles sont vos options pour sélectionner un système.
Dans cet article, nous examinerons les types et les causes du bougé de l'appareil photo, les deux méthodes très différentes de compensation et une autre façon de contrôler entièrement les vibrations. Commençons par le pourquoi du bougé de l'appareil photo.
Tout sur le bougé de l'appareil photo
Les images vidéo tremblent parce que le caméscope qui les a prises bougeait ; c'est assez évident. Mais différents types de mouvements provoquent différentes espèces de secousses.
La cause la plus courante de mouvement est tout simplement le système musculaire humain. Nous maintenons nos bras immobiles grâce à la tension entre des ensembles opposés de muscles, fléchisseurs et extenseurs. Il en résulte un bras de fer continu - l'effet est un léger mais constant mouvement de va-et-vient.
Pour le démontrer, pointez un doigt sur un mot de cette page, puis fermez un œil et étudiez le doigt avec l'autre. Vous verrez qu'il est tout simplement impossible d'empêcher le doigt de bouger légèrement par rapport au mot. La même chose se produit lorsque vous tenez un caméscope.
La deuxième cause de bougé de l'appareil photo est le mouvement d'un endroit à l'autre. Chaque fois que vous faites un pas, vous envoyez une petite onde de choc à travers votre corps qui fait légèrement rebondir ce que vous voyez. Vous ne le remarquez pas parce que votre cerveau compense l'image saccadée, mais votre caméscope sans cervelle enregistre consciencieusement une image qui saute à chaque pas discordant.
La dernière source majeure de tremblement de l'image est la vibration, une résonance qui provoque des secousses répétées à intervalles rapides et réguliers. La source de vibrations la plus courante est la machinerie, par exemple un moteur de voiture.
Dans certaines circonstances, vous pouvez subir deux ou trois types de secousses à la fois. Lorsque vous vous tenez la main dans un véhicule en mouvement, par exemple, vous devez faire face simultanément à des muscles tendus, à des bosses sur la route et à des vibrations du moteur.
Il est important de comprendre les différents types de mouvement. Pourquoi? Parce que pour bien fonctionner, les systèmes de stabilisation d'image utilisent différentes méthodes pour amortir différents types de secousses. Comme nous le verrons bientôt, leurs micropuces de contrôle sont plus efficaces pour détecter et compenser certaines fréquences et amplitudes de mouvement. En d'autres termes, les chances qu'un mouvement indésirable se retrouve dans votre vidéo dépendent de sa fréquence et de sa force.
Les fréquences de tremblement les plus courantes se situent entre 1 et 20 par seconde. En règle générale, un léger tremblement des mains et des bras tombera entre trois et cinq cycles par seconde (c.p.s.). Un moteur de voiture désaccordé qui traîne à 1 200 tr/min. vibrera à 20 c.p.s. (en supposant un cycle de vibration par tour de moteur).
Conséquences pratiques
Le type de bougé du caméscope affecte le type de gigue d'image qui en résulte. Un mouvement lent et léger des bras crée une légère hésitation qui n'est pas toujours désagréable. Une vibration très rapide et régulière fera apparaître toute l'image floue. Entre les deux, une marche ou un trajet cahoteux peut créer un mouvement de va-et-vient irrégulier qui peut en fait rendre certains téléspectateurs mal à l'aise.
L'effet sur l'image dépend également de la distance focale à laquelle vous réglez l'objectif du caméscope. En grand angle extrême, la plupart des tremblements de l'appareil photo sont acceptables, voire imperceptibles. Mais à plein téléobjectif, vous agrandissez le mouvement de la caméra en même temps que le sujet. Si vous avez déjà essayé de vous tenir la main tout en couvrant un match de football ou de baseball à distance, vous savez que les résultats peuvent donner l'impression que vous enregistriez depuis une chaloupe dans une mer agitée.
Un autre facteur affecte le bougé de l'appareil :le poids et la conception du caméscope. Toutes choses étant égales par ailleurs, les caméscopes VHS pleine grandeur plus lourds ont tendance à être plus stables que leurs cousins VHS-C et 8 mm. La raison :simple inertie. Plus il y a de poids, plus il faut de force pour le déplacer.
Dans le département de conception, les caméscopes qui permettent aux utilisateurs de les éloigner de leur visage sont plus faciles à maintenir stables. Vos mains et vos bras peuvent agir comme des amortisseurs, mais le bord osseux autour de l'œil que vous appuyez contre le viseur transfère toutes les vibrations de votre corps à l'appareil photo. D'autre part, lorsque vous appuyez un caméscope pleine grandeur sur votre joue pendant la prise de vue, le tronc solide de son corps augmente la stabilité. C'est l'une des raisons pour lesquelles la plupart des caméramans ENG (Electronic News Collecting) préfèrent toujours les caméras pleine grandeur.
Ainsi, maintenant que nous avons examiné les types et les caractéristiques du bougé de l'appareil photo, nous pouvons examiner comment différents fabricants essaient de le compenser. Il existe deux approches de base :électronique et optique.
Stabilisateur d'image électronique
Comme son nom l'indique, la stabilisation d'image électronique (EIS) réduit les tremblements en manipulant l'image électroniquement. Voici comment fonctionne EIS.
Dans un caméscope équipé d'un stabilisateur d'image électronique, le circuit de commande n'enregistre pas l'intégralité de l'image frappant la puce de détection de lumière de la caméra. Au lieu de cela, il enregistre environ 90 % de la surface de la puce. Lorsque la caméra est immobile, ces 90 % sont centrés de gauche à droite et de haut en bas, comme vous pouvez le voir sur la figure 1a. [[[Figure 1]]]
Supposons maintenant que la caméra se déplace vers la gauche. Cela déplace l'image vers la droite de l'image enregistrée et le résultat est une image tremblante (Figure 1b).
Mais si la caméra a EIS, alors les choses changent. Lorsque vous heurtez l'appareil photo, la partie utilisée de la zone de lecture d'image sur la puce elle-même se décale électriquement dans le sens opposé à la direction du mouvement pour compenser la quantité de mouvement, suivant ainsi le sujet de la prise de vue (Figure 1c).
Comment la caméra sait-elle quand et où décaler la partie enregistrée de l'image de la puce ? En analysant l'un des deux types d'informations :1) les changements dans l'image elle-même; ou 2) des changements dans la position du caméscope. (Chaque caméscope utilise une seule de ces deux approches.)
Analyse d'images. Une méthode pour détecter le mouvement de la caméra consiste à utiliser une micropuce pour analyser les changements d'un champ d'image à l'autre. (Comme vous le savez, une image vidéo se compose de deux trames entrelacées.) Le circuit de la caméra comprend deux « mémoires de trame », chacune stockant brièvement une trame. C'est-à-dire qu'une mémoire stocke le champ un, puis le champ trois, puis le cinq. L'autre en stocke deux, quatre, puis six, et ainsi de suite.
Fondamentalement, la micropuce recherche un mouvement en comparant des zones sélectionnées du deuxième champ dans chaque image avec les mêmes zones du premier champ. Voici ce qu'il recherche :
- Si l'image dans certaines zones diffère du champ a au champ b, mais pas l'image dans d'autres zones, c'est le sujet qui bouge, pas l'appareil photo. Par exemple, le sujet traverse le cadre mais l'arrière-plan reste immobile.
- Si l'image dans toutes les zones diffère de la même valeur, cela signifie que l'image entière est décalée, ce qui peut entraîner un bougé de l'appareil photo.
Donc, si la comparaison des deux champs ne montre pas de changement uniforme, le circuit EIS ne fait rien. Si c'est le cas, la puce analyse la direction du mouvement et déplace le segment actif du CCD dans la direction opposée. Lorsque l'image zigzague, elle zague, exactement de la même quantité.
Notez ce que nous avons dit plus tôt :qu'un changement uniforme sur l'ensemble du champ peut entraîner un bougé de l'appareil photo. Parfois, de grandes quantités de mouvement peuvent être causées par, vous l'avez deviné, le mouvement d'un grand sujet. Cela explique le plus grand inconvénient de la plupart des systèmes EIS - ils ne peuvent pas faire la différence entre le mouvement de la caméra et le mouvement d'un sujet qui remplit la majeure partie du cadre.
Détection de mouvement. Là où certains systèmes EIS analysent le changement d'image d'un champ à l'autre, d'autres détectent et interprètent le mouvement de la caméra elle-même. De minuscules détecteurs de mouvement sensibles signalent chaque déplacement physique du caméscope. Parce qu'ils n'analysent pas du tout l'image, les capteurs de mouvement ne se laissent pas berner par le mouvement du sujet.
Mais ils peuvent toujours se faire avoir. Que se passe-t-il si la caméra se déplace volontairement – panoramique, inclinaison ou suivi ? Qu'est-ce qui empêche tout schéma EIS de briser son bosse en essayant de compenser les grands mouvements du caméscope ?
Puces informatiques chaudes et floues
"Logique floue", c'est ça. La logique floue est un type spécial de jeu d'instructions qui permet à un ordinateur d'estimer. Normalement, un ordinateur doit avoir une situation « si/alors/autrement » absolument parfaite pour fonctionner. Pour un exemple très simplifié, imaginez une voiture contrôlée par ordinateur. Grâce à sa programmation, l'ordinateur sait que si le feu est rouge, alors arrêtez la voiture ; si la lumière est différente, continuez. À l'intersection suivante, l'ordinateur communique avec un capteur en surface :"Le feu est-il rouge ou non ?"
"Non", répond le capteur, et la voiture continue.
Mais au croisement suivant, l'ordinateur demande "Rouge ou pas ?" Le capteur signale :"Il n'y a pas de feu stop ici."
"Ce n'est pas rouge", dit l'ordinateur, et il pilote la voiture directement dans un accident.
Mais avec la programmation par logique floue, l'ordinateur peut répondre à la place :"Pas de lumière ? D'accord, est-ce que quelque chose approche dans la rue transversale ?"
"Non."
"Alors c'est probablement bon d'y aller, donc je vais prendre le risque."
La logique floue, en bref, permet à un ordinateur confronté à des circonstances incertaines de choisir sa meilleure prise de vue, qui dans un caméscope est une prise de vue stable. Si l'image entière continue de changer de manière uniforme, la puce se rend compte qu'il s'agit d'un mouvement de caméra plutôt que d'un tremblement, et elle n'essaie pas de compenser.
La logique floue est également utile pour détecter et compenser différents types de vibrations. Ici, nous revenons à la fréquence et à l'amplitude. En analysant et en identifiant le type particulier de tremblement, la micropuce peut optimiser sa compensation.
Les premières tentatives de stabilisation d'image étaient limitées par le fait qu'elles n'étaient efficaces que dans une gamme étroite de fréquences. Un système optimisé pour les mouvements de bras à quatre ou cinq cycles par seconde ne pourrait pas répondre assez rapidement aux vibrations rapides. En revanche, un système conçu pour amortir les vibrations avait tendance à réagir de manière excessive aux mouvements plus lents.
Dans les systèmes de stabilisation d'aujourd'hui, cependant, le circuit de contrôle est capable d'affiner la réponse pour correspondre au type de secousse.
Bien que nous ayons discuté des capteurs de mouvement, des puces de contrôle et de la logique floue dans le contexte de la stabilisation électronique de l'image, exactement les mêmes choses s'appliquent également à la stabilisation optique. Mais si la détection et la programmation sont essentiellement les mêmes, la compensation optique est une approche totalement différente.
Stabilisation optique de l'image
La stabilisation optique de l'image fonctionne avant que l'image n'atteigne le CCD, donc aucun réglage électronique n'est nécessaire et l'image peut remplir 100 % de la surface de la puce.
En fait, les systèmes optiques font leur travail avant même que l'image n'entre dans l'objectif du caméscope. En principe, l'idée est simple :positionner un prisme optique entre la scène et l'objectif pour replier l'image décalée vers le centre.
Simple ? Suuure ! Un prisme réfracte la lumière le long d'un seul axe; mais le tremblement de l'image varie infiniment dans la direction et l'amplitude. Aucun prisme unique ne pourrait compenser tous les types de tremblements et de tremblements.
Les ingénieurs de Canon ont donc imaginé une solution ingénieuse :un prisme "doux" dont l'axe de réfraction change lorsque vous le pliez. Pour créer ce prisme variable, ils positionnent deux morceaux de verre optique avec un espace entre eux, entourés d'un cylindre plissé en accordéon (voir la figure 2).
[[[Figure 2 ici]]]
Ils remplissent l'espace entre les éléments en verre avec un silicium liquide qui a un indice de réfraction très élevé.
L'expansion du tube en accordéon à n'importe quel point autour de son bord le comprime du côté opposé, ce qui modifie l'angle entre les éléments en verre. Si vous le considérez comme un cadran d'horloge, l'expansion de la jante à neuf heures incline le verre vers trois heures; l'expansion à dix heures incline le verre vers quatre heures et ainsi de suite. Développez légèrement la jante pour un angle étroit; développez-le plus complètement pour un angle plus large.
Le résultat :un prisme dont l'axe est variable à l'infini sur 360 degrés et dont l'angle de réfraction est également variable. Concrètement, cela signifie que, quelle que soit la déviation d'une image, le prisme peut la renvoyer vers le centre du CCD.
Pour voir comment cela fonctionne, regardez la figure 3.
[[[figure 3 ici]]]
La figure 3a montre l'image d'un homme et d'une femme dirigée par une lentille sur un CCD. (N'oubliez pas que les objectifs des caméscopes sont beaucoup plus complexes que ce schéma simple.) Dans la figure 3b, l'objectif dévie légèrement vers le bas, de sorte que l'image s'est déplacée vers le haut dans le cadre et a changé de position sur le CCD. Le résultat apparaît sous forme de tremblement de l'image.
La figure 3c montre ce qui se passe lorsque vous interposez le prisme variable Canon. En s'étendant en haut juste assez pour compenser le décalage de l'image, le prisme réfracte l'image vers le centre du CCD. Par conséquent, les sujets ne se déplacent pas par rapport au cadre et le tremblement de l'image est effectivement annulé.
Un petit détour
Conçus pour compenser le bougé de l'appareil photo, les systèmes électroniques et optiques tentent d'annuler ses effets une fois qu'ils se sont produits. Une autre approche de la stabilisation :empêchez le bougé de l'appareil photo de se produire en premier lieu. Au lieu de stabiliser l'image, cette méthode cherche à stabiliser le caméscope lui-même.
Le stabilisateur de caméra le plus connu est le Steadicam de Cinema Products, une utilisation ingénieuse du système de bras à ressort qui amortit les mouvements de la caméra. Les harnais Steadicam pleine grandeur pour le travail cinématographique sont si gros que les opérateurs les portent. Et bien que les résultats puissent être spectaculaires – flotter avec un acteur à travers une porte, monter trois volées d'escaliers, dans un couloir étroit et à travers une autre porte – ils nécessitent une force et une dextérité considérables pour fonctionner, ainsi que beaucoup de pratique.
Le Steadicam compense les tremblements massifs de l'appareil photo, comme lorsque vous montez des escaliers en courant. C'est dans une ligue complètement différente des stabilisateurs d'image de caméra conçus pour compenser les mains tremblantes.
Cependant, ces dernières années, le Steadicam JR est devenu une méthode de stabilisation populaire. Conçu pour les caméras pesant moins de quatre livres, le Steadicam JR fonctionne en faisant flotter le poids de la caméra sur un bras exosquelette tenu par l'opérateur. Cela isole la caméra des mouvements de l'opérateur.
Bien que les Steadicams soient en fait des caméras plutôt que des stabilisateurs d'image, nous les avons brièvement inclus ici pour la perspective qu'ils offrent sur les avantages et les inconvénients des méthodes électroniques et optiques.
Avantages et inconvénients
Les trois méthodes de stabilisation offrent un mélange de caractéristiques positives et négatives.
Les systèmes de stabilisation électronique sont compacts car ils n'ajoutent aucun encombrement à l'objectif, et rapides car ils n'ont rien à déplacer physiquement. Tout le travail lourd se fait électroniquement, à ultra haute vitesse.
Par contre, de nombreux systèmes électroniques sacrifient la qualité de l'image car ils n'utilisent que 90 % du CCD. Par conséquent, l'image doit être agrandie électroniquement pour remplir les 10 % restants du cadre, avec une perte inévitable de netteté.
Pour résoudre ce problème, les fabricants se tournent désormais vers des puces surdimensionnées, sur lesquelles 90 % de la surface est égale à 100 % d'une puce conventionnelle. Le modèle JVC GR-SZ7, par exemple, offre un EIS sans perte grâce à un CCD qui contient 570 000 capteurs !
Un autre problème avec certaines unités est que leur efficacité varie considérablement en fonction des fréquences amorties.
Les systèmes de stabilisation optique ne nécessitent pas de CCD surdimensionnés coûteux car ils utilisent toute la zone de la puce. Les modèles que nous avons vus, comme le caméscope Canon ES1000 Hi8, offrent des résultats remarquablement cohérents sur une large gamme de fréquences de vibration. L'ES1000 amortit efficacement les vibrations de 1 à plus de 20 cycles par seconde; entre trois et 15 c.p.s., sa compensation est efficace à plus de 90 %.
Certes, les systèmes optiques paient une petite pénalité en poids et en volume. Et, théoriquement, du moins, ils ne peuvent pas réagir aussi rapidement que les systèmes électroniques car ils doivent déplacer les composants physiques de leurs prismes. Mais ces inconvénients sont presque imperceptibles dans l'utilisation réelle du caméscope.
En ce qui concerne le Steadicam JR, les effets que vous pouvez obtenir avec lui sont vraiment remarquables, comme si votre caméscope chevauchait le dos d'un oiseau en piqué. Du côté négatif, c'est cher en tant qu'accessoires (environ 400 $, prix public). Et même dans sa plus petite forme, il ajoute une taille et un volume considérables.
De plus, certains utilisateurs rapportent que l'appareil a un esprit déconcertant lorsque vous essayez de le déplacer. Mais peut-être serait-il plus juste de dire que même le Steadicam le plus junior demande beaucoup de pratique pour être maîtrisé.
En général, les trois systèmes ajoutent plus ou moins de poids, de coût et de complexité à votre équipement vidéo. Mais la bonne nouvelle, c'est qu'ils fonctionnent très bien ! Comparez des séquences similaires prises avec et sans stabilisation d'image et vous verrez la différence évidente. (Pour un rapport détaillé sur les caméscopes stabilisés testés sur le terrain, voir Image Stabilizers de Robert J. Kerr dans Videomaker d'août 1993.)
Généalogies des stabilisateurs
La question suivante, alors, est qui fait quoi ? Où allez-vous pour une caméra stabilisée électroniquement ou pour une avec un système optique ? Voici un aperçu informel de certains fabricants et de leurs offres de produits.
Des systèmes de stabilisation d'image électroniques sont disponibles auprès de Hitachi, JVC, Panasonic et Mitsubishi.
Canon a développé le système optique ; sa troisième incarnation nouvelle et améliorée apparaît dans des modèles comme l'ES1000 mentionné précédemment.
Quant à Sony, eh bien, vous devez vérifier chaque modèle d'appareil photo, car ce fabricant vend trois systèmes différents :
- Les unités à prix plus modeste utilisent l'EIS avec le système d'analyse d'image de champ électronique classique.
- Haut de gamme, vous trouverez des modèles comme le Hi8 TR400. Il utilise toujours EIS, mais avec des capteurs de mouvement de caméra au lieu d'une analyse de terrain.
- Là-haut, en cravate blanche, se trouve le Sony Hi8 TR700, qui utilise une véritable stabilisation optique sous licence de Canon.
Et comme si cela ne suffisait pas :le système optique de Sony serait la première génération de Canon, tandis que Canon lui-même en est à la version 3, comme indiqué ci-dessus.
Qui en a besoin ?
Quand tout est dit et fait, avez-vous vraiment besoin d'une stabilisation d'image ?
La réponse courte :si vous faites beaucoup de vidéos de sport ou d'animaux sauvages - ou quoi que ce soit d'autre, d'ailleurs, où vous placez votre objectif à plein téléobjectif et le maintenez là - optez pour la stabilisation. L'amélioration de la stabilité de l'image sera spectaculaire.
Si vos mains sont naturellement quelque peu instables (et avouons-le, la plupart d'entre nous ne sont pas nés pour être neurochirurgiens), vous bénéficierez probablement systématiquement de la stabilisation d'image à toutes les focales de l'objectif.
Sinon, vérifiez-le. Dans votre sympathique vidéothèque de quartier, branchez un caméscope stabilisé à un grand écran, réglez le zoom sur plein téléobjectif et jouez avec le système. Désactivez ensuite la stabilisation d'image et vérifiez la différence sur le moniteur.
Si vous décidez que vous voulez un système d'analyse de champ électronique, vérifiez que le caméscope que vous choisissez a un CCD surdimensionné afin de ne pas sacrifier la résolution.
Ce serait ironique, n'est-ce pas, si vous deviez perdre de la qualité d'image dans un service pour en gagner dans un autre ?
Jim Stinson, éditeur contributeur du vidéaste, réalise des vidéos industrielles, enseigne la production vidéo professionnelle et écrit des romans policiers.