大话成像防抖技术

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成像防抖技术抖防技术已成为现代成像系统中的核心能力.无论是拍照还是视频防抖都是一个都是不可缺少的.在拍照中防抖主要解决的是抖动带来的模糊.而视频中除了模糊之外还要解决抖动带来的画面不适和运动导致的果冻效应.

按实现原理，主流的防抖技术可分为三大类：

1. 物理结构防震——通过橡胶、泡棉、弹簧等弹性元件吸收振动能量；

2. 光学与机械防抖——如镜头OIS（Optical Image Stabilization）与三轴云台（Gimbal）等硬件补偿方案；

3. 电子防抖——基于EIS（Electronic Image Stabilization/Digital Image Stabilization）算法和多帧去模糊抖动技术。

在理论上，根据产品的防抖方案和需求不同，掌握任一技术即可解决大部分问题，实际上却并非如此。类似多数的成像技术来说防抖似乎是一个易会难精的技术.产品究竟是否需要集成防抖？应采用哪类防抖方案？投入成本与收益如何权衡？当现有防抖方案出现效果欠佳时，是该引入其他技术来弥补，还是优化当前技术？这些都是需要仔细考量且难以抉择的问题。

其中OIS和EIS是目前使用最广泛的两种技术.

传统OIS技术通过镜头悬浮或传感器位移补偿抖动，其防抖角度通常较小,因此视频防抖中也有使用但是防抖中更多。例如，智能手机中常见的OIS防抖角度约为正负1°~1.5度（即总补偿角度约2~3°），主要用于抵消小幅度的平移抖动.

单反相机的OIS防抖角度通常与智能手机的传统OIS接近，约为正负0.5~2°（总补偿角度最大约4°），.单反相机（DSLR）中，镜头内的光学防抖（OIS，Optical Image Stabilization）系统通常采用镜头或镜组串联的方式实现防抖。一般而言，主流单反镜头OIS的防抖角度范围大致在：±0.5°至±2°左右。

具体防抖角度因镜头设计、焦距范围、品牌及防抖系统先进程度而不同，常见情况如下：

1. 短焦和标准焦距镜头（如24-70mm）
   防抖角度通常在±0.5°～±1.0°之间。
2. 中长焦和长焦镜头（如70-200mm或100-400mm）
   防抖角度范围较大一些，通常为±1.0°～±2.0°，以拍摄长焦镜头中更为明显的制动。

例如：佳能EF镜头的IS系统通常防抖角度范围在±0.5°到±1.5°之间。尼康的（减震）系统通常在±1.0°到±2.0°之间。

此外，近年来一些先进的镜头防抖系统能力达到甚至超过±2.0°（尤其是配备摄像头机身内置防抖IBIS提高联动时），进一步实现了长焦或低光环境下的防抖能力,但是整体角度幅度还是比较低对于拍照防模糊是足够的,但是对于视频防抖并不能起到主要作用。

目前手机实际使用中的OIS防抖镜头平移是主要的方式,旋转方式由于焦距的变化会带来边角的更大模糊

单反相机（DSLR）中，机身防抖系统（IBIS，In-Body Image Stabilization）通过移动图像传感器来补偿相机。然而，传统的单反相机由于结构限制，通常不具备IBIS功能。近年来，部分品牌的高端单反相机开始引入IBIS，例如宾得的K-3 III。

以宾得K-3 III为例，其内置的5轴IBIS系统可提供约5.5档的防抖补偿效果。这意味着在特定条件下，用户可以使用比传统建议更慢的光栅速度进行手持拍摄，而不会产生明显的模糊。

需要注意的是，IBIS的实际防抖角度（即传感器可移动的角度范围）不是所有厂商都公开具体数值。一般而言，IBIS系统的补偿角度范围约为±1°至±3°，具体取决于相机型号和设计。

此外，现代无反相机（无反相机）更广泛采用了IBIS技术，并且在某些型号中，IBIS与镜头内防抖（OIS）配合，提供更强大的防抖效果。例如，佳能EOS R7的IBIS系统与特定的RF镜头射击配合使用时，可实现多达8档的防抖补偿.

近年来手机上也发展出OIS基础上延伸的通过移动传感器进行防抖同样可以提供比镜头更大的防抖角度.

EIS 电子防抖（Electronic Image Stabilization, EIS）是一种通过软件算法来补偿相机抖动的技术。有些文章里也叫DIS.

EIS核心原理是：

1. 1 检测运动： 利用传感器（如陀螺仪、加速度计）或分析图像序列本身来检测相机在拍摄时产生的微小、不规则的抖动。计算设备在拍摄时的抖动方向和幅度。早期也有根据图像的帧间分析进行视频防抖的方法.目前这种图像分析的方法一般只在视频后处理中使用.
2. 2 计算补偿： 算法根据检测到的抖动方向和幅度，计算出需要进行的反向补偿运动。
3. 3 调整画面： 通过裁切一小部分画面边缘，然后实时地、反向地移动（平移、旋转）图像帧内的画面内容，或者综合多帧图像信息，来抵消抖动的影响，使最终呈现的画面看起来更稳定。另外可以通过sensor的readout时间和IMU信息结合纠正部分的果冻效应(rolling      shutter引起的)
4. 
   

简单总结来说：电子防抖就是用软件“修正”画面，通过裁掉一点边角和图像的remapp，让画面里的东西看起来没那么晃。这种修补可以在后处理中做,虽然带来了FOV和解析力的牺牲.但是EIS仍是目前最有效和最优性比的视频防抖技术.

云台技术是除了OIS EIS之外最常见的防抖技术,.

1云台（Gimbal）是一种通过机械结构或电机驱动实现多轴稳定的装置，通常包含 三轴（俯仰轴、横滚轴、航向轴） 的独立控制，通过传感器（如陀螺仪、加速度计）实时检测设备的姿态变化，并驱动电机反向补偿抖动，保持设备稳定。常见于专业相机、无人机、手机外置稳定器等场景。

云台的核心特点:

1 同样利用传感器检测涌动和计算补偿

2 可以支持三轴防抖：可抵消不同方向的抖动，适合复杂运动场景（如跑动、骑行）。

3 大范围调整：支持大角度旋转，适用于专业摄影中的动态追踪。

4 外置设备：通常需要额外安装（如手持云台、无人机云台），体积较大。

不同于OIS和EIS 云台技术中防抖角度大小往往不是主要限制,但是响应速度却是.云台（Gimbal）响应速度是指云台系统对运动或位置变化指令做出反应的快慢程度，通常用角速度（°/s）或延迟时间（ms）表示。

云台响应速度通常要被分为两类：

• 1 从控制信号发送，到云台开始实际运动的延迟时间（Latency）。
• 2 云台在指定运动范围内完成动作的运动速度或角速度（角速度）。
• 
  

通常的指标为：

    1 启动响应延迟（Latency）：几到几十（典型值1-50 ms）。

    2 最大角速度（Angular speed）：瞬时到数百度（典型范围 50-400°/s）。

云台响应速度与实际应用关系：

• 视频防抖和稳定拍摄：更快的响应速度保证稳定的视频拍摄效果,可能增强防抖的频率范围。
• 快速跟踪与动态目标捕获：更高的响应速度保证快速变化的目标能力被顺利跟踪。
• 航拍与高速运动场景：高响应能显着着降低速度和拖影现象，提升画质和稳定性。

影响云台响应速度的因素：

1. 电机类型与性能
• 无刷电机（Brushless Motor）一般响应速度较快，启动延迟迟缓。
• 有刷电机相对慢一些，响应延迟较高。
2. 控制系统算法
• PID控制算法、前馈控制算法等能够显著提高云台响应速度，降低运动延迟。
3. 机械结构设计
• 合理的重量分配、低摩擦的轴承、精密的传动结构能够有效提高响应速度。
4. 负载重量与惯性
• 负载越重或重心分布不均匀，云台启动与停止的响应越慢。
  
  

云台典型响应速度范围：

• 消费级相机云台（手机、相机、运动相机云台）：约50-120°/s
• 专业拍摄云台（如电影拍摄云台）：约100-200°/s
• 无人机云台（多轴飞行器）：通常约150-400°/s
• 云台启动延迟通常小于20毫秒。
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微云台（Micro Gimbal）是一种 微型化、集成化的防抖技术，通过将传统云台的机械结构缩小并嵌入设备内部（如手机摄像头模组），实现光学防抖（OIS）的增强版。原理类似传统云台，但通过 双滚架悬停结构 或 磁动力悬停，让镜头模组在小范围内灵活移动，补偿抖动。

核心特点

1 高度集成：直接嵌入手机摄像头模组，无需外置设备。

3 快速响应：因体积小、质量轻，响应速度更快（微秒级），防抖幅度比传统OIS提升数倍。

3  低功耗：依赖小型电机或磁力驱动，功耗低于传统云台。

4 适用性广：尤其适合手机等便携设备，提升视频和夜景拍摄质量。

5 技术优势 防抖范围更大：传统OIS的防抖角度约±1°，微云台可达±3°以上。多维度补偿：可同时抵消X/Y轴平移抖动和旋转抖动（传统OIS一般只能补偿平移抖动）,但是无法达到云台的完美三轴防抖。

物理防抖是一种基于机械减震原理的物理防抖技术，通过弹性材料（如橡胶,泡棉弹簧）的形变吸收外界震动或抖动能量，从而减少设备因外力导致的位移或晃动。这种技术常见于对成本敏感、结构简单或需要环境适应性强的场景，例如监控摄像头、运动相机支架、车载设备等。以下从原理、应用、优劣势及案例展开分析：

橡胶球防抖的工作原理

1. 弹性形变缓冲

• 汽车和无人机中橡胶球作为常见减震元件，利用其高弹性模量和能量吸收特性，将外部震动（如机械振动、碰撞、风力）转化为橡胶的形变，减少传递到设备主体的冲击力。
• 例如，安装在摄像头底座的多颗橡胶球，通过压缩或拉伸抵消不同方向的震动。
• 
  

1. 多自由度减震

• 通过多个橡胶球在三维空间内的排列（如对称分布），可同时应对垂直、水平、旋转等多方向抖动，形成类似“悬浮”的减震系统。
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1. 阻尼特性优化

• 橡胶材料的内阻尼特性可快速消耗震动能量，防止设备因残余振动持续晃动。通过调整橡胶硬度（如邵氏硬度）和球体密度，可适配不同频率的抖动（如低频车载颠簸或高频机械振动）。甚至目前一些高频振动只能靠物理结构进行去除.
• 
  

1. 混合减震系统

• 橡胶+弹簧：结合弹簧的线性回复力与橡胶的阻尼特性，提升对复杂震动的吸收效率（如DJI Ronin云台的悬挂系统）。
• 橡胶+磁悬浮：利用磁力辅助悬浮，减少橡胶球的物理形变损耗（实验室级精密设备）。
• 
  

1. 材料创新

• 硅胶替代传统橡胶：提升耐老化性和温度范围（如特种监控设备）。
• 3D打印定制结构：通过拓扑优化设计橡胶球内部结构，增强特定方向的减震性能。

防抖技术中有一些技术难点:

1 防的是什么?

首先明确的防的是抖动,这其中拍摄静态图像和拍摄视频是有很大的差异的.在拍摄静态图像的时候可以假设作者是希望拍摄的一刻相机是静止的.因此任何运动都是都是抖动.但是在视频使用的场景中抖动的定义就相对复杂.在过往的一些防抖论文中总结了3个判断条件我个人觉得值得思考: 

(1)  运动状态改变的时候.比如由静止到运动

(2)根据物体的速度. 当运动的速度发生的变化的时候.比如匀速运动中出现速度变化.

(3)根据物体的加速度的变化.比如物体在做匀加速的运动,突然加速度发生了变化.

总结下来就是不同程度下的根据运动状态的改变.

2 怎么得到抖动

• 
  首先根据过去总结的规律.
• 抖动特征：相对运动是高频（如10Hz以上）、低幅度、无规律波动。
• 正常运动：相对抖动是低频（如0.1-5Hz）、幅度较大、方向连续（如平移或缓慢旋转）。

因此通过滤波是主要的方法,一般都是在运动数据(比如IMU数据)上进行滤波.常用的方法方法有平均滤波,滑动平均滤波,中值滤波,卡尔曼滤波等. 也有些算法利用频域变换的方法进行滤波的.最近随着人工智能的发展,也有使用神经网络或者优化方法得到抖动的方法.

另外根据场景决定如何过滤抖动也是重要的原则.不同场景抖动的频率都是不一样,一定要根据产品设定防抖的频率和范围.下面是一般防抖频率范围：

• 约0.5Hz至20Hz左右。

不同应用场景的典型频率：

• 手持观看时：

• 人体手持相机产生的自然晃动频率通常在0.5～3Hz左右。

• 行走、跑步场景：

• 周围频率一般在1～10Hz左右。

• 车载、行驶场景：

• 较高频率，一般在5～50Hz左右。

• 无人机或桅杆拍摄：

• 高频振动较明显，一般为10～2000Hz或更高。

IMU

另外大家可以注意到上面主流的防抖中都离不开传感器,尤其是IMU传感器在现代防抖技术中基本上是每个设备都有

IMU（惯性测量单元，Inertial Measurement Unit）通常由加速度计、陀螺仪和磁力计（可选）组成，用于测量载体的加速度、角速度和方向。然而，实际使用中IMU存在多种误差与问题，主要包括以下几个方面：

一、常见误差

1. 零偏误差（Bias）

• 陀螺仪零偏：静止状态下输出不为零，长时间积分造成角度漂移。
• 加速度计零偏：即使静止，也可能存在不为零的读数。

2. 标度因子误差（Scale Factor Error）

• IMU传感器输出值与实际物理量之间的比例因子存在误差，导致测量结果整体偏大或偏小。

3. 非线性误差（Nonlinearity）

• 在传感器测量范围内，输出并非完全线性，尤其在极限或高动态条件下会引入较大误差。

4. 交叉轴耦合误差（Cross-Axis Sensitivity）

• 当一个轴的测量受其他轴运动的干扰时产生，造成不准确的测量结果。

5. 随机噪声（Random Noise）

• 高频随机波动的测量误差，通常表现为传感器输出的抖动和波动。

6. 温漂误差（Temperature Drift）

• 环境温度变化会显著影响IMU输出，尤其在温差较大环境下。

7. 机械振动与冲击（Mechanical Vibration and Shock）

• 高频振动或剧烈冲击会使IMU产生额外误差，甚至造成传感器永久性损伤。

8. 标定问题（Calibration）

• IMU若未经过准确标定，零偏、温漂、尺度因子等问题会严重影响测量精度。

9. 磁干扰问题（Magnetic Interference）

• 若IMU含有磁力计，周围磁场变化（如电子设备或金属物件）将严重干扰姿态测量。

10. 数据融合问题（Sensor Fusion）

• IMU单独使用精度有限，必须配合卡尔曼滤波、EKF或互补滤波等融合算法来提高精度和稳定性。

二、IMU误差的处理方法

1. 传感器标定
• 定期校准IMU传感器，确定零偏、尺度因子、非线性误差，建立误差模型。
2. 温度补偿
• 通过内置温度传感器对温漂误差进行实时补偿，或提前进行温度标定。
3. 滤波与融合算法
• 使用卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波（EKF）、粒子滤波、互补滤波器等融合GPS、视觉或磁力计等其他传感器数据，抑制IMU漂移。
4. 机械隔离和减震
• 通过机械结构设计（如减震垫、阻尼材料）减小外部振动与冲击对IMU的影响

三、总结与解决

IMU传感器精度受零偏、温漂、尺度因子、交叉轴干扰等误差的影响极为明显，长期积分造成漂移问题严重。因此，实际使用时需要配合标定、滤波和融合算法来提高精度，并针对具体应用场景进行机械隔离与保护，以确保系统的长期稳定运行。IMU（惯性测量单元）与相机之间的标定（IMU-Camera Calibration）对于视频防抖（Video Stabilization）也是至关重要。

防抖技术的客观评测：

如何客观、可重复地评测防抖效果，是业界和用户面临的共同挑战。 主观感受（如“看起来稳不稳”）容易受个体差异和场景影响，缺乏一致性和说服力。因此，建立一套标准化、量化、可重复的评测体系是衡量防抖性能的基础。

评测的核心目标在于量化设备在特定扰动下稳定画面的能力。这通常涉及精确控制或测量设备的运动（抖动），并分析最终成像结果的稳定性（画面位移幅度、模糊程度等）。以下是几种主要的评测方法及其关键考量：

1. 一 手动评测（配合多摄支架）

• 方法描述： 评测者手持设备，在固定距离上拍摄标靶或特定场景（如线条、文字）。有时会使用简单的手机支架或夹具，试图限制某些自由度（如Z轴旋转），但本质上仍依赖人手施加抖动。
• 优点： 操作简单、成本极低、能模拟最真实的手持场景（包含人手的生理性抖动频谱）。
• 缺点与挑战 (严重影响客观性/可重复性)：
• 高度主观与不可控： 评测者施加抖动的方向、幅度、频率、模式（是规则正弦还是随机）极难精确控制，也无法在不同评测间保持一致。
• 安装问题： 使用支架时，安装的稳固性、与设备重心的匹配度、是否引入了额外的共振点，都会显著影响结果。安装不当本身就可能成为新的抖动源。
• 轴间耦合与非线性： 人手抖动往往是多轴耦合的（平移+旋转）。更关键的是，防抖系统（尤其是OIS）在不同位置（如镜组居中      vs.      移动到极限边缘）和不同运动方向上的响应可能不同甚至相反（如X轴正负方向补偿效率差异）。手动抖动很难系统地覆盖这些非线性特性。中间位置的小幅度高频抖动补偿效果，可能与大幅度的低频摆动补偿效果完全不同，手动测试难以精确区分和复现。
• 可重复性差： 几乎不可能让不同评测者，甚至同一评测者在不同时间，复现出完全相同的抖动输入。这使得结果难以横向比较。

1. 二 高频小幅度抖动评测（使用简单运动平台）

• 方法描述： 将设备固定在可进行单轴或双轴（如X/Y） 精密往复运动（平移或小角度倾斜）的平台上。平台通常由电机（如步进电机、伺服电机）或压电陶瓷驱动，能够产生高频（如几Hz到几十Hz）、小振幅（几十微米到几百微米） 的精确可控运动，模拟手持拍摄时常见的细微手震。
• 优点：
• 客观可控： 抖动的频率、幅度、波形（正弦、方波等）均可精确设定和记录。
• 可重复性好： 相同参数设置下，可以产生完全一致的抖动输入。
• 量化直接： 通过高速摄像机分析画面中标靶的位移轨迹，或计算图像序列的清晰度/模糊度（如MTF、方差、特定算法得分），可以精确量化防抖系统在高频小抖动下的残余误差。
• 适合评测OIS基础性能： OIS主要设计用于抵消这类细微高频抖动，此方法能有效评估其响应速度、行程范围、线性度、抑制效率。
• 典型设备： 精密线性滑台、音圈电机平台、小型振动台。
• 局限性： 主要模拟高频微抖，难以产生大幅度的低频运动（如走路、跑动带来的晃动）或复杂的多自由度耦合运动。

1. 三 大幅度/多自由度复杂运动评测（使用高精度运动仿真平台）

• 方法描述： 将设备安装在六自由度（6-DoF）运动仿真平台上。这种平台（通常是基于Stewart构型或串并联构型）能够在三个平移轴（X,      Y, Z）和三个旋转轴（俯仰Pitch, 滚转Roll,      偏航Yaw） 上独立或耦合地复现复杂的运动轨迹。这些轨迹可以模拟真实世界场景，如手持行走、车载颠簸、船体摇晃、无人机飞行等。
• 优点：
• 模拟真实复杂场景： 能精确复现包含大幅度、低频、多轴耦合的真实扰动模式，这是评测EIS和混合防抖（OIS+EIS）极限能力的关键。
• 高度客观与可重复： 平台的运动轨迹由程序精确控制，输入完全已知且可重复。不同设备可在完全相同的“路谱”下测试。
• 全面评估： 能测试防抖系统在极端位移/角度下的稳定性、抗饱和能力（OIS达到物理行程极限后的表现）、多轴协同能力以及切换平滑度。
• 缺点与挑战：
• 成本高昂： 高精度6-DoF平台价格昂贵，且需要专业操作和维护。
• 系统复杂性： 涉及运动控制、传感器反馈、同步触发、数据采集与分析等多个环节，搭建和调试复杂。
• 负载与动力学匹配： 平台需要与被测设备（手机/相机）的重量和动力学特性匹配，避免平台自身谐振或响应不足影响输入精度。安装夹具的刚性也至关重要。
• 评测分析复杂： 输出结果（视频）的分析需要更复杂的算法来评估大范围运动下的整体稳定性、画面裁切率、果冻效应抑制、角落画质一致性等。
• 小幅度应用： 这类平台同样可以进行高精度的小幅度、单自由度运动测试，其精度和可控性通常优于简单的双轴平台，但成本效益比不高，一般用于需要极高精度或多轴基准的场景。

客观评测防抖技术是一个系统工程，需要根据评测目标（是基础OIS性能，还是复杂场景下的整体稳定性？）选择合适的可控、可量化、可重复的方法。

• 高频小幅度评测是量化OIS核心性能（响应、精度、线性度）的黄金标准，成本相对可控。但是对于视频防抖并没有太多的作用
• 手动评测虽然能提供“第一感觉”，但因严重的不可控和不可重复性，无法作为客观评测的依据，仅可作为辅助参考或用户主观体验描述。
• 多自由度运动平台评测是评估设备在真实复杂场景下综合防抖性能（尤其是EIS和混合防抖） 的最客观、最可重复的方法，代表了高端评测和研发验证的方向，但成本和技术门槛最高。