相机防抖技术概述

在胶片相机全盛的时代,普通人很难拍出好看的照片。因为在拍摄时需要根据自己的经验设置适当的快门速度、光圈值、曝光参数等,或者为了能够准确对焦,还需要通过观察进行手动对焦调整。如果使用单反相机拍摄,则更加复杂,但如今,由于相机/手机上搭载了很多自动拍摄模式,所以出现过曝或欠曝的照片减少了。在数码单反相机中,自动设置和调整的功能越来越多,出现拍摄失败的情况越来越少。
在这种背景下,拍摄失败的最大原因是“抖动”。抖动并不意味着没有合焦。如今,自动对焦的相关功能已经比较成熟了,所以只要在确认焦点已经对准之后按下快门,图像一般不会模糊,但在环境较暗的场景下拍摄或拍摄移动对象时会发生抖动。抖动分为被摄体抖动和手抖动两种。被摄体抖动指的是当拍摄对象为运动员、宠物、行驶中的电车或汽车等正在移动的被摄体时产生的抖动。而手抖动是由按下快门按钮时的手抖动导致的相机/手机振动。即使在拍摄静止的风景照片时,手抖动也会发生。
与胶片相机时代相比,使用数码相机拍摄的照片的抖动现象更加严重。这是因为,使用数码相机拍摄的照片的应用环境往往更容易让人们注意到抖动。在胶片相机时代,人们很少会把照片放大显示。但对于使用数码相机拍摄的照片,人们则经常使用显示屏进行全屏显示。随着显示分辨率的增大,哪怕是细微的抖动,也容易让人注意到。防止抖动的最有效方法就是在拍摄时提高快门速度。当快门速度足够快时,就可以抑制被摄体抖动和手抖动。
不产生抖动的安全快门速度一般是焦距的倒数。当使用500 mm 的超长焦镜头时,快门速度要保持在 1/500 秒以上。当使用 100 mm 的长焦镜头时,快门速度要保持在 1/100 秒以上。当焦距为 50 mm 时,快门速度就要保持在 1/50 秒以上,这样就不容易发生抖动了。如果使用 24 mm 的广角镜头,快门速度要设定为 1/24秒,其实广角镜头通常是大光圈镜头,所以原本就很少出现抖动的情况。但是,我们不可能总是在能够以较高的快门速度拍摄的明亮环境下拍摄,而且使用适当的光圈和快门速度组合进行拍摄才是对普通用户来说的理想状态。
解决由手抖动导致的拍摄失败的最有效方法是使用三脚架保持相机机身固定不动。但在很多情况下我们无法随身携带三脚架,而且也不能奢望在所有的拍摄中都使用三脚架。所以,人们研发出了仅凭相机本身就可以直接消除因手抖动导致拍摄失败的功能。这就是防抖功能。防抖作为能够提高拍摄出片率的技术,在数码相机的众多功能中受到了特别关注。而且,这个功能如今也在日新月异地持续发展。
高感光度防抖
被摄体之所以产生抖动,是因为在图像传感器产生电荷的期间被摄体发生了移动。如果能够缩短电荷产生时间,被摄体移动的幅度就会变小,被摄体产生的抖动也会随之变少。设定较高的快门速度就可以缩短电荷的产生时间。换句话说,只需提高快门速度即可。但是,我们不能因此就胡乱设定快门速度。如果快门速度过快,在拍摄时正常曝光所需的光量就会不足,照片看上去会变得昏暗,严重时照片会一片漆黑。尤其是在夜景拍摄等必须在光较暗的场景下拍摄的场景中,需要特别注意。
要想在保证足够快的快门速度的同时保持足够的亮度,只要设置足够大的 ISO 感光度就可以了。这种方法称为高感光度防抖。高感光度防抖是最基本最有效的防抖方式。高感光度防抖的优点在于无须添加任何特殊的结构就可以实现防抖,而且可以同时减轻被摄体抖动带来的影响。被摄体抖动和手抖动的差异在于在人像拍摄中,手抖动不光会导致人物模糊,也会导致背景模糊,而被摄体抖动则是只有人物模糊,背景是清晰的。换句话说,高感光度防抖也可以有效抑制这种被摄体抖动。所以,高感光度防抖经常与其他的防抖方式结合起来使用。高感光度防抖的缺点是噪点将变多。
电子防抖
有些便携式数码相机其机身内并无搭载硬件防抖机构,却能在一定程度上修正抖动图像,其实际应用了电子防抖技术,这种防抖技术据说可以让快门速度提高1.5~2档。电子防抖是利用数字图像处理技术对抖动图像进行后期优化从而尽可能地还原出原始清晰图像。另一种是逆向运算法,通过相机内置的运动感应器侦测出相机震动的方向,针对影像传感器的一部分面积进行分析并且通过逆向运算将模糊图像去掉。然而电子防抖在使用上有时反而会使噪点增多或者修图痕迹太过而不能起到真正的防抖作用,究其根本是因为它是对抖动图像的后期补偿,治标不治本,对原始图像的画质有较大影响,而且其防抖效果主要取决于算法的优化程度,算法复杂度较高。
由于手抖动会导致原本的构图出现偏差,所以实际用于生成照片数据的有效像素区域小于可拍摄的最大像素区域。这是因为,如果不采取这种做法,当试图比较多个图像时,就会出现一些无法进行比较的区域。而且,为了便于影像处理器进行运算,此时的图像数据不会被记录到存储卡中,而会被记录到缓冲存储器中。对比最初的图像数据和后来拍摄的数据,将“为了让被摄体以相同方式出现在画面中而移动的区域”作为后来拍摄的图像数据的有效像素区域。然后,进行数据运算,生成没有抖动的图像。
电子防抖的优点和高感光度防抖一样,都是无须添加任何特殊的结构就可以实现防抖,缺点是不能有效地使用图像传感器的受光面积。常见的数码相机中可以使用的有效像素区域是图像传感器的 90% 左右,而如果使用电子防抖功能,则为60%~50%。另外,电子快门还有一个缺点,那就是在拍摄多张照片的过程中,如果被摄体运动过快,则无法完全校正抖动。
镜片位移式光学防抖
手抖动指的是从被摄体射入相机内部的光的光轴偏离镜片中心的现象。因此,为了让光轴在这种情况下也可以到达镜片中心位置,就需要通过修正光的前进路径校正手抖动。因为对光的前进路径的修正需要通过移动相机镜头内的特定镜片实现,所以这种方法称为镜片位移式光学防抖或者镜头防抖。

通过移动相机镜头中特定的镜片修正光的折射方向,以校正图像因抖动产生的模糊。有些超长焦镜头在采用镜片位移式光学防抖时,最大移动距离可以达到 5 mm。相机机身的振动由陀螺仪传感器检测。陀螺仪是可以检测出物体在振动时的旋转和振动在垂直方向上产生的力,并可以测量其三维运动的装置。然后,以传感器测到的三维运动数据为基础,根据振动量大小使用驱动器移动光学系统部分组件(校正光学组件),修正光的折射方向,使光照射到正确的位置上。这里的驱动器也可以称为驱动装置。除了使用驱动器来驱动镜片以外,还有通过驱动器驱动可变棱镜或激活棱镜,以修正光的折射方向的方式。

镜头防抖的补偿角度范围一般在10°~15°以内,适用于弥补因为摄影者的呼吸、心跳或不自觉的身体晃动所造成的相机抖动。其常被应用于如手机等集成有摄像头模组的便携式移动终端中,不过此时更多时候移动的不是某个镜片而是整个成像透镜组。它通常是由电磁致动器或电机致动器来驱动,可单轴或多轴运动,包括沿光轴方向的轴向移动、垂直于光轴方向的面向移动、与光轴方向成一夹角的摆动。
以电磁致动器驱动的镜头光学防抖为例,摄像头模组的主要部件包括有成像透镜组和由电磁线圈、电磁铁和磁轭构成的电磁驱动机构。电磁线圈、电磁铁和磁轭一般是对等数量但也可以是不对等数量,它们形成的电磁驱动机构可以是一对或者多对,通常是对称布置在成像透镜组的四周或其下方。通过调整电磁线圈中电流的大小和方向,产生大小和方向可控的电磁作用力,驱动成像透镜组沿预定方向位移。在成像过程中,因相机“倾角”抖动对成像的影响要比相机“平动”抖动大得多。

上图(a)示意了没有抖动的成像,(b)示意了抖动下的成像,容易看出因为“倾角”抖动造成光轴偏转了θ角,成像在CCD上发生了d的偏移量。为了减小偏移量d,在镜头光学系统中加入补偿镜片,利用其光学特性减小光轴偏转角度θ,从而减小偏移量d,其原理图如(c)所示。
光学防抖的控制模型可应用PID控制进行建模。当控制量是恒值时,利用PID算法可以使被控量迅速达到控制量的设定范围内。一般人手持相机时的手抖频率为0~10Hz,基于PID参数建模的控制模型能在极短时间内(小于1/60s)将手抖造成的光轴偏移量减小到预设的位置,从而快速有效地实现光学防抖。不同厂家的防抖镜头基本原理大同小异,目前多数厂家的防抖镜头可以提升快门速度3~4档,大大提高了出片率。NikonCanon的防抖镜头是公认的防抖效果最好,Canon镜头在横向上比Nikon镜头防抖效果略差。
在过去,防抖镜头理论上可以让我们降低2挡快门速度拍摄,随着技术的发展,目前佳能和尼康的防抖镜头已经能保证低于安全快门速度4挡的拍摄,而适马、松下以及腾龙等厂家也都有着自己的镜头防抖系统。Panasonic的防抖镜头有瞬时防抖和全时防抖之分,主要差别在取景和耗电量上。此外还需注意的是,防抖镜头在使用三脚架时不能打开镜头的防抖开关,否则会影响画质。
图像传感器位移式光学防抖
防抖镜头昂贵的价格催生了机身防抖技术。机身防抖(即影像传感器防抖)最早由KonicaMinolta提出,后来Sony收购了KonicaMinolta的相机业务后将其发扬光大并应用于自家的数码单反/无反相机中。影像传感器防抖和镜头防抖在原理和结构上是近似的,只是防抖镜头中动作对象是补偿镜片而在影像传感器防抖中动作对象是影像传感器。其原理是将影像传感器安装在一个可动的运动平台上,根据机身运动感应器反馈的运动信号计算出相应的补偿量,驱动运动平台沿轴向或面向移动进而补偿抖动偏差。目前RicohPentaxOlympus也拥有了此类技术。


机身防抖比较有代表性的是Pentax开发的SROriginalShakeReduction)原始震动减少技术,如图2所示。安装有影像传感器的影像传感器安装板被夹在两块设有电磁驱动机构的磁力板中间,影像传感器安装板能够被电磁力快速沿垂直于光轴方向的平面内快速移动。PentaxSR防抖效果相当于2.54级的快门速度差。需要提醒的是,在使用三脚架拍摄时要关闭SR功能。

镜片位移式光学防抖VS图像传感器位移式光学防抖
如今,数码相机/手机采用的防抖方式主要是镜片位移式光学防抖和图像传感器位移式光学防抖。目前来说,相机/手机采用哪种方式并没有很明显的倾向性,两种方式各有优劣,很难下结论说哪种更好。首先,镜片位移式光学防抖的优点在于使用光学取景器确认构图时,防抖功能也可以发挥作用。

特别是在使用500 mm  800 mm 等超长焦镜头拍摄时,如果不使用三脚架,那么即使在通过光学取景器构图确认时也会感到有相当强的抖动,甚至难以锁定被摄体,但如果镜头上搭载了镜片位移式光学防抖功能,那么在这种状态下也可以自动校正抖动,从而实现一边观察光学取景器确认被摄体和构图一边拍摄。
图像传感器位移式光学防抖是在按下快门时才移动图像传感器对抖动进行校正,因此在通过光学取景器进行构图确认时,防抖功能是不运行的。虽然最终可以拍出无抖动的照片,但照片的构图很可能与自己预想的有些不同。不过,在使用实时取景功能或微单相机的 EVF 取景器等时,因为都是通过图像传感器成像的,所以图像传感器位移式光学防抖在这种拍摄模式下也会发挥作用。
图像传感器位移式光学防抖的优点在于相机机身内有防抖结构,所以安装在相机上的镜头全都可以使用机身中的防抖功能(也有部分镜头由于结构原因无法使用机身中的防抖功能)。譬如,在购买了带有图像传感器位移式光学防抖功能的相机机身之后,以前在胶片相机上使用的所有镜头就都可以使用防抖功能。

镜片位移式光学防抖只能搭载在带防抖结构的镜头上,如果想让自己使用的多个相机镜头都可以使用防抖功能,就必须购买带防抖功能的镜头才可以。而且,这些镜头必须搭载可以移动特定镜片的特殊防抖结构,但这不仅会使镜头本身的体积变大,也会使相机镜头的设计变得复杂,所以镜头售价也会更高。
镜片位移式防抖可以有效校正的主要是仰俯摇摆抖动和左右摇摆抖动。这两种抖动也称为摇摆抖动,我们可以将其想象为镜头前端的左右或上下抖动。因此,镜片位移式防抖在手持体积较大的长焦镜头拍摄时特别有效。但对于相机机身在垂直、水平和旋转方向的抖动,镜片位移式防抖不太有效。而且对于微距拍摄或夜景拍摄时的抖动也没什么效果。在这些情况下,图像传感器位移式防抖的效果更加明显。

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注