數(shù)碼相機的防手抖技術(shù)及其設(shè)計
手抖無所不在，只要是手持相機攝影,多多少少都存在著抖動的問題，差別是每個人的穩(wěn)定程度不同。這里涉及到安全快門的概念,簡單來說,安全快門就是焦距的倒數(shù),也就是快門速度達到或超過安全快門(曝光時間小于安全快門的曝光時間),這樣比較容易拍出比較清晰的圖片。在長焦距拍攝 ,低光源環(huán)境拍攝,微距拍攝的情況下,由于曝光時間遠遠大于安全快門的曝光時間,故需要有防抖動的技術(shù)去補償,不然一般攝影的結(jié)果都是不清晰的。
數(shù)碼相機的防手抖技術(shù)一般分為三類:電子防抖,鏡頭防抖(也稱為光學(xué)防抖),CCD防抖。電子防抖一種是提高感光度(High ISO),從而提高快門速度(減低曝光時間),使快門速度超過安全快門來避免抖動。這種方法變化了快門速度,不僅能改善相機方面的抖動,也能對移動的物體進行更好的捕捉,但由于提高了感光度,由于元器件的限制,相應(yīng)的圖片噪聲會提高,影響圖片的質(zhì)量。表一為國際標準組織定義的條件系統(tǒng),在感光度( ISO)提高一個級數(shù),快門時間就可以減少一半。電子防抖另一種是對圖像進行分析,依據(jù)抖動對邊緣進行處理,屬于后端處理,對圖片幫助不是很大。鏡頭防抖是通過鏡片的移動來補償相機的抖動,它由傳感器,微處理器,補償鏡片控制組,驅(qū)動控制部分組成,依靠補償鏡片的移動來校正手抖引起的光線偏移,如圖1,鏡頭不同,設(shè)計上有差異,但基本上都是透過補償鏡片組來補償。CCD防抖是通過感光元器件CCD(或CMOS)放在一個可移動支架上來,通過傳感器感知相機的抖動,由微處理器計算相應(yīng)的移動量,由驅(qū)動部分對CCD移動,以達到防抖目的。目前,一般相機的防抖(CCD防抖或光學(xué)防抖)不是無限可以補償,一般為2~~3級,按表一來說,假設(shè)安全快門1/125,2級,快門速度1/30,快于此速度,容易拍清晰的照片,由此類推,3級,快門速度為1/15。表2為三種防抖方式的比對表。
圖1 光學(xué)防抖結(jié)構(gòu)示意圖
MEMS陀螺儀(Gyro), 微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)允許制造商在微型芯片上制造出完整的陀螺裝置。MEMS陀螺儀背后的物理現(xiàn)象就是科里奧利效應(yīng)(Coriolis)。如圖3,微型塊在旋轉(zhuǎn)面上(ω),微型塊m將前后振動，因此產(chǎn)生相同頻率的垂直科里奧利力。這些力的幅度等于±2ωvm，并直接正比于整個系統(tǒng)的角速度ω。這些力將導(dǎo)致圖3所示部件的物體從一邊推向另一邊，這些位移可以被檢測為電容的變化。 此時陀螺儀(Gyro)所需的就是用相關(guān)電路去檢測電容的振蕩，并將它轉(zhuǎn)換為電壓，再經(jīng)整流后輸出直流電壓。這種電路的目的是將旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為電壓。MEMS陀螺儀(Gyro)產(chǎn)品最主要特色是整合了MEMS機械設(shè)計和制造、混合信號ASIC設(shè)計，以及晶圓級封裝等技術(shù)，開發(fā)出兼具小尺寸、低成本與高效能的陀螺儀產(chǎn)品。
圖3 MEMS陀螺儀的實現(xiàn)
由圖2看出，在3D圖面上,Z軸有自動聚焦功能，Z軸移動對成像基本沒有影響,有影響是在X軸(PITCH)與Y軸(YAW)。圖4為在晚上拍照，無防手抖與有CCD防手抖的結(jié)果。圖5為CCD防抖系統(tǒng)框架，CCD防抖是在鏡頭上增加CCD支架,利用步進馬達對X軸，Y軸的驅(qū)動，使CCD移動來補償CCD的抖動。MEMS陀螺儀選用要有X，Y軸Gyro 芯片，內(nèi)部含放大，低通,高通濾波,這樣可以大大減少相機的尺寸。Gyro 信號連DSP 的AD port，DSP的AD是10bit,滿足設(shè)計要求。資料運算用相機本身的DSP處理,可以減少一微處理器(Micro),降低成本。DSP 對Gyro傳來的ω信息進行運算,計算補償量,通過馬達驅(qū)動電路驅(qū)動X，Y移動來達到補償?shù)哪康?。X軸，Y軸的PI信號是Lens反饋DSP 信息來校正CCD與Lens中心重合，避免補償過程超出Lens設(shè)計的補償范圍。
圖4 左邊照片為沒有打開防手抖，右邊打開防手抖
圖5 CCD防抖系統(tǒng)方塊圖
實驗證明，一般人手持相機拍照時手抖頻率0~20Hz(資料來源：日文版數(shù)字攝影雜志 2006/12 )，DSP 對GYRO取樣頻率設(shè)為500~1KHz能夠滿足系統(tǒng)的要求。圖5為抖動的位移示意圖，黑色為原來的位置，紅色為偏移位置。
按Lens的spec可知步進馬達每相的移動量(如1.44um)。由公式3可知GYRO感知角速度，就可以計算出CCD的偏移量。
d = f * sinθ ------(1)
When θ < 20° d = f *θ
θ = ∫ω dt -----(2)
θ = Σωi * dt
→ d = f*Σωi * dt -----(3)
d ：偏移量 f :焦距 ω:角速度
圖6 抖動光路的變化
CCD的防抖動系統(tǒng)采用PID自動控制系統(tǒng)(PID就是比例微積分調(diào)節(jié))，如圖7，P(比例)控制是Gyro偵測的抖動按比例移動CCD,I(積分)控制是調(diào)節(jié)對時間積分誤差，D(微分)是抑制誤差產(chǎn)生的超前，如低頻power noise補償。通過調(diào)整PID參數(shù),使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行,達到設(shè)計的目的。同時也要考慮部件對系統(tǒng)的影響,如Power noise對Gyro sense造成的測試誤差，步進馬達能否達到要求的1000pps，Gyro的低通，高通濾波器等等。
圖7 PID方塊圖
結(jié)論
CCD防抖技術(shù)可以克服手抖引起的圖像模糊，但不是萬能，目前業(yè)界補償?shù)臉藴室簿褪前踩扉T的2~3級，遇到長焦或快門時間過長，超過補償極限時，帶三腳架拍照才是最有效。
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