Een kip houdt zijn kop altijd stabiel. Hoe werkt dat bij een videocamera?
Een professionele gimbal, waarbij een camera zodanig wordt opgehangen dat trillingen minimaal zijn.
Het is een hilarisch fragment in het jeugdprogramma De Proefkeuken. Presentator Willem wil rennend filmen, maar dat geeft zo’n schokkerig beeld. Daarom bevestigt hij zijn minicamera… op de kop van een kip, die hij vasthoudt. Een kip doet van nature aan beeldstabilisatie: hoe zijn lijf ook beweegt – op/neer, links/rechts, en zelfs bij rotaties: de kop blijft rechtop en op dezelfde plek. Biologen noemen dat de stabilisatiereflex. Die ontstaat door een complex samenspel tussen ogen, hersenen, zenuwen en nekspieren. Moderne optische apparatuur doet ook aan beeldstabilisatie. Maar hoe dan?
Beeldstabilisatie bouwt voort op het principe van de ‘cardanische ophanging’, dat al dateert uit de Oudheid. Daarbij is een object zo opgehangen dat het vrij kan draaien rond drie assen die allemaal loodrecht op elkaar staan, vaak in het midden van drie in elkaar passende ringen. Zo blijft het object rechtop hangen, ook als de omgeving waaraan het vastzit – bijvoorbeeld een schip, een drone of een camera – beweegt. Schepen in de zestiende eeuw hadden al een cardanisch kompas.
Moderne apparatuur gebruikt dat principe niet per se voor het ophangen van de lens of de lichtsensor zelf. Daar zitten tegenwoordig wat stappen tussen. Het is de sensor die de bewegingen van het apparaat meet, die dit principe gebruikt. Die sensor heet een gyroscoop – in de basis ook weer een antieke uitvinding. Een gyroscoop meet draaiingen. Een klassieke gyroscoop bevat een snel draaiend element, dat graag de oriëntatie van zijn draai-as wil behouden. Dat is een natuurwet: het ‘behoud van impulsmoment’. Je ziet het bijvoorbeeld ook bij een tol, die rechtop blijft staan zolang hij snel draait, maar omvalt zodra hij stilvalt. Moderne elektronische varianten gebruiken daarvoor trillende microstructuren.
Afwijkingen aan die draai- of trilrichting kun je heel precies meten. Apparaten gebruiken die informatie vervolgens om bewegingen tegen te werken en daarmee op te heffen. Met andere woorden: de gyroscoop is als het ware het ‘evenwichtsorgaan’ van beeldstabilisatie. De gyroscoop ‘merkt’ dat een apparaat een klein beetje draait of trilt. Daarna grijpt een ander onderdeel in om die beweging te compenseren.
Dat compenseren gebeurt mechanisch, optisch, elektronisch of softwarematig – of met een combinatie daarvan. Bij een camera gaat het meestal zo: een gyroscoop meet een kleine beweging van je hand > een processor berekent hoe het beeld daardoor zou verschuiven > een lensgroep óf de beeldsensor beweegt onmiddellijk precies de andere kant op > het beeld kan dus stil op de sensor vallen > je krijgt een scherpe foto.
Bij gestabiliseerde verrekijkers en telescopen gebeurt iets vergelijkbaars, maar daar wordt niet de beeldsensor gecorrigeerd – die zit namelijk niet in het apparaat, maar in je oog – maar de lichtbaan zelf. Dat gebeurt met beweegbare prisma’s. Microprocessoren sturen die prisma’s voortdurend bij om de trillingen te compenseren. Sommige systemen gebruiken daarvoor zelfs piepkleine elektromotoren en cardanische ophangingen.
Smartphones bevatten miniatuurgyroscopen, gebaseerd op MEMS: micro-electromechanical systems. Dat zijn piepkleine mechanische structuren op een chip die via trillingen op micrometerschaal kunnen meten hoe het apparaat draait of beweegt. Daarnaast gebruiken smartphones ook digitale correctie door software. Videocamera’s gebruiken stabilisatie waarbij algoritmen kleine uitsneden uit het beeld verschuiven om schokken glad te strijken. Drones, tot slot, stabiliseren niet alleen het beeld binnen in de camera, maar ook de hele camera zelf met een gemotoriseerde cardanische ophanging.
Op de hoogte van kleine ontdekkingen, wilde theorieën, onverwachte inzichten en alles daar tussenin