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苹果、华为抢着用的防抖技术,到底什么来头?

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发布:2020-03-02 15:13:15  来自 海氹有点甜 觅知友会员

相机镜头或机身引入防抖技术已经是很平常的事情了,在手机影像系统逐步增强的同时,高像素让智能手机的拍摄能力越来越接近数码相机了。为了进一步提高手机拍摄的效果,厂商们为手机相机引入了防抖技术。


那么问题来了,手机都有哪些防抖技术呢?今天我们就展开来聊一聊吧。

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EIS 电子防抖主要应用在视频领域,该技术通过计算相机姿态的旋转变化,对视频画面进行动态的裁切,从而让视频画面看起来更稳定。比如拍摄者自身在边走边录时,由于重心的不停交换,会导致录制的视频画面频繁跳动,这样视频在观看起来体验很差。


值得一提的是,谷歌 Pixel 手机的电子防抖技术比较特殊,其配合陀螺仪工作,当拍照时利用陀螺仪检测机身的震动,进而调节快门速度和 ISO 感光度,以此来减轻抖动对拍摄的影响。

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OIS 是光学图像稳定系统的简称。它包括一个可感测手抖的陀螺仪,该陀螺仪将手抖导致的相机倾斜角度测出,系统再根据该角度预测出倾斜导致的图像偏移量,然后系统控制镜头相对于图像传感器平移而产生相同大小但方向相反的图像偏移,由此将手抖造成的图像偏移抵消掉,保证相机在手抖环境中依然可保持成像稳定。


需要注意的是,目前手机模组上的 OIS 技术只补正相机倾斜引起的图像偏移,而不处理相机上下左右平移抖动引起的图像问题。


事实上,在拍摄远处景物时,相机平移抖动所产生的图像偏移可以认为不存在,无需 OIS 系统补偿。图像不稳定完全来自于相机的倾斜抖动。但在拍微距时,相机平移抖动的影响会渐渐显露出来。当前的手机 OIS 摄像模组为了避免过于复杂的系统架构,选择忽略平移抖动产生的微距拍摄问题。

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OIS 光学防抖技术适用于以下场景。在弱光环境下,手机相机为了获得可接受的成像质量,会自动延长曝光时间。因此,曝光时间内手抖造成的图像移动会变得很明显,最常见的是夜拍照片中出现远处的灯光被拉成了一条不规则的曲线。


数码或光学变焦在将远处景物放大、视角缩小的同时,也会将手抖的影响放大。比如,0.4 度的倾斜抖动对于 80 度的广角镜头来说,产生的图像抖动量只有整个画幅的 1/200,但对于视角只有 20 度的长焦来说,图像抖动可达画幅的 1/50。


手持相机拍摄的视频在回放时,画面处于持续不稳定的抖动中,非常影响观感。


以上三种情况讨论的都是自然手抖,通常其幅度会在 0.5 度以内。然而在颠簸环境中,外界引起的手抖往往大大超过自然手抖的幅度,而且很难预测。依靠现有的手机摄像 OIS 技术很难完全弥补上述大角度抖动,只能一定程度上减小颠簸感。因此目前手机 OIS 技术主要针对于自然手抖带来的图像稳定问题。

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诺基亚 Lumia 920 的 OIS 的浮动镜头技术则非常特别,整个光学部件都能完美地与摄像头运动进行同步。


双 OIS 光学防抖就是两个摄像头都支持 OIS 光学防抖,但不是简单的叠加,OIS 基本常用的有两种技术,一种是 SHIFT(平移式),另一种是 TITLE(移轴式)。


不论是平移式还是移轴式,其基本原理都是一样的,即控制镜头相对于图像传感器平移而将手抖造成的图像偏移抵消补偿掉。但是两者的具体实现方式有所差异。


平移式 OIS 是将一个独立的 AF 自动对焦马达固定在一个平移悬挂系统上,该悬挂系统允许此 AF 马达在平行于图像传感器的平面上沿任意方向做微小平移。OIS 马达的自动对焦功能由那个独立的 AF 马达来实现,而 OIS 功能则由 AF 马达连同镜头组成的镜头悬浮体相对于图像传感器平移而实现。

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移轴式 OIS 的结构类似于普通 AF 马达,不同之处在于普通 AF 马达的弹簧悬挂系统只允许镜头沿对焦方向移动,而移轴式 OIS 马达的弹簧悬挂系统不但允许镜头沿对焦方向移动,还允许镜头相对于一个转轴支点做任意方向的微小侧倾。由于转轴位于靠近镜头底部的位置,因此当镜头左右倾斜时,镜头顶部实际上在相对于图像传感器左右平移。利用这个平移,便可补偿手抖带来的图像抖动。


双 OIS 光学防抖就是将这两种技术融合在一起。由于传统的摄像头模组的抗磁干扰能力十分薄弱,且两个镜头模组的堆叠要保持一定的距离,才可以达到良好的防磁效果。三星 Galaxy Note8 是首个支持双 OIS 光学防抖的手机。

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另外,CCD 防抖(又称为四 / 五轴防抖)、双 OIS 四轴光学防抖、HIS 混合视频防抖、AIS 智能防抖的原理与 OIS 光学防抖差不多。


由于结构原理等原因,OIS 光学防抖大部分仅支持横向和纵向的抖动补偿(两轴防抖),因此防抖能力有一定的局限性。而四轴防抖技术由于不用考虑光学的折射因素,因此灵活性比镜头防抖高很多,目前其最多可以让设备实现 5 个自由度的抖动补偿(5 轴防抖)。


需要注意的是,小米 5 的 4 轴防抖技术与这种 CCD 防抖技术原理相似,但小米 5 并没有利用镜头防抖也不是 CCD 防抖,而是直接将整个镜头模组 " 悬浮 " 起来,再配合陀螺仪检测机身震动,从而控制镜头模组进行位移补偿,其可实现 4 个自由度的抖动补偿,分别为横向、纵向、前倾、侧倾,因此防抖适应能力更强



双 OIS 四轴光学防抖增加了旋转防抖和倾斜防抖,通过手机内陀螺仪与加速度传感器,高速检测 8 个方向的抖动,将信号传至微处理器立即计算需要补偿的位移量,然后将数据实时传输给微型驱动马达,快速调整相机模组的姿态,从而有效地克服因手机抖动产生的影像模糊。而荣耀 20 Pro 上的双 OIS 四轴光学防抖技术就是这个原理。


HIS 混合视频防抖技术其实就是由硬件层面的 OIS 光学防抖和软件层面的 EI 两部分组成,采用软硬结合的防抖方式使手机在快速移动状态下,还能拍出稳定清晰画面。该技术由 OPPO 首创,OPPO Reno 10 倍变焦版是首款搭载该技术的手机。


AIS 智能防抖就是加入了 AI,它集成了 OIS 以及 EIS 的优点,然后通过人工智能算法来实现图像防抖的功能,在 CMOS 数据读写速度保证的条件下,效果更为明显。华为从 P20 系列开始,便引入了这项技术,之后的 P30 系列也有搭载。

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总的来说,目前手机防抖技术可以归为两类,分别是 EIS 电子防抖和 OIS 光学防抖。厂商们宣传的一些防抖技术专业名词,其实原理都是基于 OIS 光学防抖,在此基础上进行一些改进。


在我们日常手机拍照中,常见的 " 抖动 " 可以大体分为三种:分别是相机抖动、运动模糊造成的视觉效果、卷帘门效应。


相机抖动主要指轻微生理肌肉、手的震动;运动模糊通常指如果相机或拍摄对象在曝光期间移动,则生成的照片或视频将显得模糊; 卷帘门效应也称果冻效应,由于手机的 CMOS 图像传感器是逐行扫描逐行进行曝光,直至所有像素点都被曝光。 因此,在此期间移动的任何画面里的元素都可能会出现扭曲。所以,手机加入防抖技术还是很有必要的,可以避免拍照时因为手部抖动等因素造成画面模糊,提高成像的清晰度。另外由于其能对手部抖动进行一定的补偿,因此可以一定程度延长曝光时间来提高进光量,从而拍出更加明亮纯净度更高的照片,该效果在弱光环境下表现更加明显。


此外,随着 5G 商用时代的快速到来,手机视频应用场景和需求将持续增长。手机视频功能中加入防抖技术,还可以大幅降低短视频 vlog 拍摄的门槛,无需花费大价钱购买专业的防抖设备,只需 1 部手机便可拍摄一段不错的视频。


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