VR
 

VR eller vibrasjonsreduksjons system. Noen systemkommentarer til Ken Rockwell utmerkede artikkel.

VR systemet som Nikon bruker er basert på et enkelt 2. ordens kybernetisk system. 2. ordens betyr at det er to målinger og to pådrag og at systemet beskrives matematisk slik:

Hvor A er en 2*2 matrise som kalles systemmatrisen, B er målematrisen og D pådragsmatrisen. Reguleringsteknisk er dette en standard problemstilling med godt kjente løsninger og godt kjente resultater. Det som ikke er kjent, selvfølgelig, er Nikons tilpasninger til et kamerasystem. Det er elementer som prioriteringer mhp. vekt, effektforbruk og lignende. Hvilke parametre finnes i et slikt system?


Systemoppstart eller initialisering
System har to akselerometre, et i horisontalplanet og et i vertikalplanet. Med andre ord et akselerometer som måler akselerasjon vertikalt og et som måler akselerasjon horisontalt. Med to akselerometre kan følgelig alle akselerasjonsvinkler eller retninger måles. I Nikons brosjyrer er disse instrumentene omtalt som gyroer. Med andre ord er det to små gyroenheter som må spinnes opp i korrekt turtall før systemet er aktivt. Dette er på enkelte objektiver lett å høre, andre noe svakere. Denne "start up" perioden startes samtidig som utløserknappen trykkes halveis ned og det tar ca. 0.5 sekunder før systemet er stabilt. Det er lett å tenke seg at en videreutvikling av dette systemet, VRIII?, er å benytte to akselerometre basert på f.eks. piezoelektriske krystaller, men i henhold til Nikons tilgjengelige brosjyremateriell er det benyttet to gyroenheter.

Målesystemets båndbreddde
Oppstasrtsekvensen må ikke forveksles med systemets båndbedde. Det ville i så fall medført at systemet i følge Nyquist samplingsterorem maksimalt kunne kompensere for vibrasjoner med en bølgelengde tilsvarende 1 sekund. Når gyroenhetene er i gang er det å anta at systemet på målesiden har relativt høy følsomhet og relativt høy båndbredde. Det er generelle egenskaper ved gyroer og disse burde ikke være noe unntak. Industrielt og spesielt militært ser vi systemet basert på dette som kan ha ekstremt stor båndbredde, nøyaktighet og oppløsning, blant annet de norske pingvin rakettene har i stor grad benyttet gyroteknologi.

Målesystemets plassering
Utover dette er gyroene plassert i objektivet. Dette vil under normal fotografering, kameraet fiksert mot øyet, være et sted i systemet med relativt stort utsving som følge av kameravibrasjoner. Dette fordi tyngdepunktet i systemet, kamera og objektiv, vil være i nærheten av filmplanet med et normalt objektiv og et kamera med batteriholder påsatt. For store objektiver vil selvfølgelig tyngdepunktet forskyve seg utover i objektiv. Det er svært uheldig dersom dette tyngdepunktet er i planet til gyroene fordi dette vil redusere vridninger og akselerasjoner i målepunktet.

For lommekamera, som normalt holdes med en hånd ut i fra kroppen, vil det være andre vurderinger som kanskje vil gi andre strategier for plassering av målesystem og pådrag.

Digitalisering av målesignalene.
Reguleringssystemet kan faktisk utføres 100% analogt. Et slikt reguleringssystem som dette har ingen absolutte krav til kalkyler som ikke kan utføres analogt, men det er sannsynlig at det er brukt en liten SOC, system on chip, eller innebygget prosessor som tar seg av AD omvandling og signalbehandling før dataene benyttes videre. Dette er en enkel oppgave idet denne applikasjonen ligger flere dekader under en normal industriell applikasjon med hensyn på krav til hastighet og signalbearbeiding. Det er derfor rimelig å anta et dene prosessen er utført på en slik måte at signalet på ingen måte forringes i denne prosessen.I det minste er det ingen spor etter feil i denne prosessen under bruk.


Pådragsorgan
I følge Nikons brosjyrer korrigeres vibrasjoner ved at et spesielt slipt glasselement forskyves frem og tilbake i horisontal og vertikalplanet med det som omtales som høytalermembran motorer. Dette er et enkelt prinsipp der pådragsorganene i en retning er en elektromagnet mens returen besørges av en fjær. Den mekaniske konstruksjone av dette er kritisk, men applikasjonen er igjen dekader enklere enn sammenlignabare industrielle applikasjoner og skulle ikke by på spesielle problemer.

Pådragsorganets båndbredde
Dette lokale systemet med to motorer, et oppheng og to fjærer, er igjen et 2. ordens system som alle kjenner, fjær, demper og masse. (Dette er et eksempel som benyttes i all undervisning, men som normalt referer til hjulopphenget i en bil, hjul=masse, støtdemper=demper og bilfjæren=fjær) Et slikt system kan tunes til ønsket båndbredde, med en avveining mellom styrken på motoren, elektromagneten, massen på glasset og dempningen i systemet. Prinsippielt kan dette systemet på samme måte som i en høytaler ha en båndbredde som lett kommer opp i 20Khz.

Pådragsorganets plassering
Nikon har valgt å plassere glassbiten i objektivet. Det kan være et greit sted fordi det eneste som skal beveges er et spesielt slipt glass. Dette kan ha liten masse, kan plasseres i en "vogn" og vil kunne respondere lett på pådragene. Imidlertid tar dette noe plass. Tilsynelatende er det vanskelig å kombinere denne enheten med et lysterkt objektiv uten å eksplodere i størrelse. Dette går klart frem av det nye 16-35mm zoom objektivet som har fått største blender 4.0. Sammenlignabare objektiver uten VR har 2.8 som største blender. Andre objektiver med VR og VRII har en tydelig rørform sammenlignet med objektiver uten VR som har den kremmerhusformen vi forventer eller er vant til å finne på objektiver.

Systemets egenskaper
I det det benyttes akselerometre er systemet ikke følsomt for kontinuerlige bevegelser i en retning! Med andre ord dersom vi følger et objekt som beveger seg i en i det minste dellinjær trajektor vil ikke VR systemt påvirkes av dette fordi akselerasjonen er null. Imidlertid vil systemet kompensere for bevegelser på tvers eller i vinkel på panoreringslinjen. Dette skulle tilsi at VR systemet også fungerer på panorering. Dersom man trekker dette videre er all kamerabevegelse for å følge objekter dellineære og vil kunne kompenseres av dette systemet, gitt at systemets båndbredde er tilstrekkelig.

Systemets begrensninger
Systemet har begrensninger i målesystemet, maksimale utslag og maksimal frekvens eller båndbredde samt de vanlige måletekniske problemene. Pådragsorganet har selvfølgelig de samme begrensningene, både i maksimalt utslag og frekvens, hastighet eller det som normalt kalles båndbredde.

Programvare!
Som nevnt er dette et relativt enkelt 2. ordens multivariabelt system som er pensum på høgskoler og universitet i de fagene som normalt omtales som Kybernetikk. Systemet kan realiseres med enkle algoritmer som gjør reguleringsfunksjonen mellom instrumentene og pådragsorganene.

For å tilpasse dette systemet fotografering er det rimelig å anta at det er gjort en rekke tilpassninger. Dette er typisk for å redusere energiforbruk. Båndbredde koster energi og det er å anta at båndbredde både for målesystemet og pådragsorganene er redusert ned til en båndbredde som matcher "normal" fotografering. Dette sparer batterier, men medfører at vi kan komme opp i situasjoner der systemet ikke fungerer. Typisk lette objektiver - høy egenfrekvens - lette kamerasystemer - høy egenfrekvens . Dette i kombinasjon vil kunne medføre at systemet kollapser ved hurtige forstyrrelser, panorering.

Beste funksjon ved:
Basert på disse betraktingene er det lett å falle ned på konklusjonen at VR har alle forutsetninger for å fungere, at det vil fungere best på relativt tungt utsyr og at det også fungerer under panorereing eller situasjoner der kamera er i bevegelse.


Konklusjon
Jeg har flere objektiver med både det systemet Nikon kaller VR og VRII og har funnet at systemet uten unntak fungerer etter forutsetningene, men at det selvfølgelig har begrensnninger som følge av energiforbruk.

Forøvrig har Nikon en svært interessant flasbasert forklaring av systemet her.