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手機防抖技術:EIS電子防抖和OIS光學防抖

454398 ? 來源:雷科技 ? 作者:雷科技 ? 2020-12-16 16:51 ? 次閱讀

相機鏡頭或機身引入防抖技術已經是很平常的事情了,在手機影像系統逐步增強的同時,高像素讓智能手機的拍攝能力越來越接近數碼相機了。為了進一步提高手機拍攝的效果,廠商們為手機相機引入了防抖技術。

那么問題來了,手機都有哪些防抖技術呢?今天我們就展開來聊一聊吧。

EIS電子防抖

EIS電子防抖主要應用在視頻領域,該技術通過計算相機姿態的旋轉變化,對視頻畫面進行動態的裁切,從而讓視頻畫面看起來更穩定。比如拍攝者自身在邊走邊錄時,由于重心的不停交換,會導致錄制的視頻畫面頻繁跳動,這樣視頻在觀看起來體驗很差。

值得一提的是,谷歌Pixel手機的電子防抖技術比較特殊,其配合陀螺儀工作,當拍照時利用陀螺儀檢測機身的震動,進而調節快門速度和ISO感光度,以此來減輕抖動對拍攝的影響。

OIS光學防抖

OIS是光學圖像穩定系統的簡稱。它包括一個可感測手抖的陀螺儀,該陀螺儀將手抖導致的相機傾斜角度測出,系統再根據該角度預測出傾斜導致的圖像偏移量,然后系統控制鏡頭相對于圖像傳感器平移而產生相同大小但方向相反的圖像偏移,由此將手抖造成的圖像偏移抵消掉,保證相機在手抖環境中依然可保持成像穩定。

需要注意的是,目前手機模組上的OIS技術只補正相機傾斜引起的圖像偏移,而不處理相機上下左右平移抖動引起的圖像問題。

事實上,在拍攝遠處景物時,相機平移抖動所產生的圖像偏移可以認為不存在,無需OIS系統補償。圖像不穩定完全來自于相機的傾斜抖動。但在拍微距時,相機平移抖動的影響會漸漸顯露出來。當前的手機OIS攝像模組為了避免過于復雜的系統架構,選擇忽略平移抖動產生的微距拍攝問題。

OIS光學防抖技術適用于以下場景。在弱光環境下,手機相機為了獲得可接受的成像質量,會自動延長曝光時間。因此,曝光時間內手抖造成的圖像移動會變得很明顯,最常見的是夜拍照片中出現遠處的燈光被拉成了一條不規則的曲線。

數碼或光學變焦在將遠處景物放大、視角縮小的同時,也會將手抖的影響放大。比如,0.4度的傾斜抖動對于80度的廣角鏡頭來說,產生的圖像抖動量只有整個畫幅的1/200,但對于視角只有20度的長焦來說,圖像抖動可達畫幅的1/50。

手持相機拍攝的視頻在回放時,畫面處于持續不穩定的抖動中,非常影響觀感。

以上三種情況討論的都是自然手抖,通常其幅度會在0.5度以內。然而在顛簸環境中,外界引起的手抖往往大大超過自然手抖的幅度,而且很難預測。依靠現有的手機攝像OIS技術很難完全彌補上述大角度抖動,只能一定程度上減小顛簸感。因此目前手機OIS技術主要針對于自然手抖帶來的圖像穩定問題。

諾基亞Lumia 920的OIS的浮動鏡頭技術則非常特別,整個光學部件都能完美地與攝像頭運動進行同步。

雙OIS光學防抖

雙OIS光學防抖就是兩個攝像頭都支持OIS光學防抖,但不是簡單的疊加,OIS基本常用的有兩種技術,一種是SHIFT(平移式),另一種是TITLE(移軸式)。

不論是平移式還是移軸式,其基本原理都是一樣的,即控制鏡頭相對于圖像傳感器平移而將手抖造成的圖像偏移抵消補償掉。但是兩者的具體實現方式有所差異。

平移式OIS是將一個獨立的AF自動對焦馬達固定在一個平移懸掛系統上,該懸掛系統允許此AF馬達在平行于圖像傳感器的平面上沿任意方向做微小平移。OIS馬達的自動對焦功能由那個獨立的AF馬達來實現,而OIS功能則由AF馬達連同鏡頭組成的鏡頭懸浮體相對于圖像傳感器平移而實現。

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移軸式OIS的結構類似于普通AF馬達,不同之處在于普通AF馬達的彈簧懸掛系統只允許鏡頭沿對焦方向移動,而移軸式OIS馬達的彈簧懸掛系統不但允許鏡頭沿對焦方向移動,還允許鏡頭相對于一個轉軸支點做任意方向的微小側傾。由于轉軸位于靠近鏡頭底部的位置,因此當鏡頭左右傾斜時,鏡頭頂部實際上在相對于圖像傳感器左右平移。利用這個平移,便可補償手抖帶來的圖像抖動。

雙OIS光學防抖就是將這兩種技術融合在一起。由于傳統的攝像頭模組的抗磁干擾能力十分薄弱,且兩個鏡頭模組的堆疊要保持一定的距離,才可以達到良好的防磁效果。三星Galaxy Note8是首個支持雙OIS光學防抖的手機。

另外,CCD防抖(又稱為四/五軸防抖)、雙OIS四軸光學防抖、HIS混合視頻防抖、AIS智能防抖的原理與OIS光學防抖差不多。

由于結構原理等原因,OIS光學防抖大部分僅支持橫向和縱向的抖動補償(兩軸防抖),因此防抖能力有一定的局限性。而四軸防抖技術由于不用考慮光學的折射因素,因此靈活性比鏡頭防抖高很多,目前其最多可以讓設備實現5個自由度的抖動補償(5軸防抖)。

需要注意的是,小米5的4軸防抖技術與這種CCD防抖技術原理相似,但小米5并沒有利用鏡頭防抖也不是CCD防抖,而是直接將整個鏡頭模組“懸浮”起來,再配合陀螺儀檢測機身震動,從而控制鏡頭模組進行位移補償,其可實現4個自由度的抖動補償,分別為橫向、縱向、前傾、側傾,因此防抖適應能力更強

雙OIS四軸光學防抖增加了旋轉防抖和傾斜防抖,通過手機內陀螺儀與加速度傳感器,高速檢測8個方向的抖動,將信號傳至微處理器立即計算需要補償的位移量,然后將數據實時傳輸給微型驅動馬達,快速調整相機模組的姿態,從而有效地克服因手機抖動產生的影像模糊。而榮耀20 Pro上的雙OIS四軸光學防抖技術就是這個原理。

HIS混合視頻防抖技術其實就是由硬件層面的OIS光學防抖和軟件層面的EI兩部分組成,采用軟硬結合的防抖方式使手機在快速移動狀態下,還能拍出穩定清晰畫面。該技術由OPPO首創,OPPO Reno 10倍變焦版是首款搭載該技術的手機。

AIS智能防抖就是加入了AI,它集成了OIS以及EIS的優點,然后通過人工智能算法來實現圖像防抖的功能,在CMOS數據讀寫速度保證的條件下,效果更為明顯。華為從P20系列開始,便引入了這項技術,之后的P30系列也有搭載。

總結

總的來說,目前手機防抖技術可以歸為兩類,分別是EIS電子防抖和OIS光學防抖。廠商們宣傳的一些防抖技術專業名詞,其實原理都是基于OIS光學防抖,在此基礎上進行一些改進。

在我們日常手機拍照中,常見的“抖動”可以大體分為三種:分別是相機抖動、運動模糊造成的視覺效果、卷簾門效應。

相機抖動主要指輕微生理肌肉、手的震動;運動模糊通常指如果相機或拍攝對象在曝光期間移動,則生成的照片或視頻將顯得模糊; 卷簾門效應也稱果凍效應,由于手機的CMOS圖像傳感器是逐行掃描逐行進行曝光,直至所有像素點都被曝光。 因此,在此期間移動的任何畫面里的元素都可能會出現扭曲。所以,手機加入防抖技術還是很有必要的,可以避免拍照時因為手部抖動等因素造成畫面模糊,提高成像的清晰度。另外由于其能對手部抖動進行一定的補償,因此可以一定程度延長曝光時間來提高進光量,從而拍出更加明亮純凈度更高的照片,該效果在弱光環境下表現更加明顯。

此外,隨著5G商用時代的快速到來,手機視頻應用場景和需求將持續增。長手機視頻功能中加入防抖技術,還可以大幅降低短視頻vlog拍攝的門檻,無需花費大價錢購買專業的防抖設備,只需1部手機便可拍攝一段不錯的視頻。

編輯:hfy
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