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    从抖成一片到稳如泰山 一文看懂防抖的前世今生

      [  中关村在线 原创  ]   作者:余航   |  责编:庞超

    9月10日,OPPO Reno2发布,作为OPPO Reno标准版的迭代,OPPO Reno2将初代广受好评的影像功能再次升级。全新的四摄全焦段影像系统为4800万主摄+800万广角+1300万长焦+200万黑白风格四颗镜头,与影像系统共同升级的还有视频超级防抖功能。

    日常中,影像拍摄中的抖动不可避免:相机端不稳,成像模糊。人眼本身带有极为“精密”的防抖系统,抖动对人眼来说并没有什么影响,然而对于拍照这种精细活来说,抖动影响很大。

    了解防抖,我们首先需要手机拍摄过程中需要防止哪些“抖动”。

    01 日常影响手机拍照的“抖动”有哪些?

    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(Handheld Camera Shake)、动态模糊(Motion Blur)和卷帘门效应(Rolling Shutter)。

    相机抖动

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 相机抖动难以避免

    相机抖动(Handheld Camera Shake)主要是指轻微生理肌肉、手的震动,常见于拍照及录制视频。造成相机抖动的主因是人手的抖动。如果再喝点浓茶咖啡啤酒之类的东西,心跳加快会让手抖比平时更加严重。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 摄影绝学“铁手功”

    手抖是抖动中最容易克服的,最有效的手段是“铁手功”:通过一定的锻炼或者一些稳定性较好的姿势,是可以一定程度上提高防抖的效果;此外还可以在拍摄的时候为身体找个支撑,或者干脆依靠外部设施固定手机或相机,也就是三脚架之所以存在的部分原因了。但剩下的两个,就很难通过操作技巧解决了。

    动态模糊

    运动模糊(Motion Blur)指的是画面快速移动造成明显的模糊拖动痕迹。如果还不清楚的话,下方图片就很好的诠释了什么是“动态模糊”。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 运动模糊用的好,偶尔也会成为艺术

    造成运动模糊的原因主要有二:1、运动速度快过了曝光时间。曝光时间越长,运动模糊的“抖动”就越大。2、连续的运动使得镜头没能细致捕捉每一帧的画面,进而造成动态模糊。

    卷帘门效应

    卷帘门效应(Rolling Shutter)又称果冻效应。这种效应的形成是CMOS传感器特性决定的,由于CMOS传感器的相机多数使用卷帘快门,它是通过逐行曝光的方式实现成像的,图像传感器逐行扫描逐行进行曝光,直至所有像素点都被曝光。所有的动作在极短的时间内完成,所以一般情况下不会对拍摄造成影响。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 正常成像(图左)和卷帘门效应成像(图右),图片来自百度百科

    如果被拍摄物体相对于相机高速运动或快速振动时。用卷帘快门方式拍摄,逐行扫描速度不够,拍摄结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等情况。这种卷帘快门方式拍摄出现的现象,就定义为果冻效应或卷帘门效应。

    现在,我们已经了解了抖动的类型和抖动对手机拍照产生的影响,接下来我们探究如何防抖这一拍摄难题。

    02 如何在手机的方寸之间解决“防抖”难题

    “防抖”最早应用于相机,一般标准焦距或者广角的镜头由于焦距较短,重量不大,手持就已经足够应付大多数场景;而在长焦/微距的拍摄过程中,光圈不变的情况下,就需要足够的曝光时间,如果这时候再手持拍摄的话,很容易成像抖动。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)

    手机本身光圈有限,进光量堪忧,想要获得足够清晰地图片就需要足够长的曝光时间,就必须学习单方相机“光学防抖”这一技术的趋势。

    就像变焦分数码与光学一样,“防抖”在智能手机的摄像头上也主要有学防抖(OIS)以及电子防抖(EIS)、和机身传感器防抖;如果按照复杂程度来分,还可以分为两轴、三轴(iPhone 6s Plus)、四轴(小米6)、五轴(OPPO Reno2)。

    光学防抖(OIS)

    光学防抖,简写OIS为Optical image stabilization的缩写。通过镜头的浮动透镜来纠正“光轴偏移”。其原理是通过镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动,然后将信号传至微处理器,处理器立即计算需要补偿的位移量,然后通过补偿镜片组,根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿;从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 光学防抖原理

    手持智能手机拍照时,手的抖动会造成相机的轻微倾斜(一般在+/-0.5度以内),该倾斜引起了镜头观察角度的变化,以镜头为参照物来说,相当于被拍摄的物体移动了,因此所成的像也会在图像传感器上相对于原位置发生偏移,结果造成图像始终随着手的抖动而处于不稳定状态。

    需注意的是,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(这一点跟大众的认知有所不同,因此有必要说明)。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。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) HTC最早将“光学防抖”引入手机

    光学防抖在以下使用场景中有出色表现:

    1、弱光环境。弱光下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显著得多。OIS技术可以有效解决弱光环境下图像漂移问题。

    2、变焦时。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。这时候OIS的优势就表现出来了。

    3、手持拍视频。手持拍摄的视频时,画面处于不稳定抖动。OIS技术可以非常有效的解决此问题。

    4、运动中拍摄,或是处于颠簸中拍摄。以上三种情况讨论的都是自然手抖,通常其抖动幅度不大,如在颠簸环境中,外界引起的手抖往往大大超过自然手抖的幅度,而且抖动幅度很难预测。OIS虽很难完全补正颠簸抖动,但能在很大程度上减小颠簸感。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)

    看不懂也没关系,你只要知道光学防抖是这样动的就可以了。

    传感器防抖

    传感器防抖技术原理和镜头防抖差不多,其主要将传感器安装在一个可自由浮动的支架上,同样配合需要陀螺仪感应相机的抖动方向和幅度,进而控制传感器进行对应的位移补偿。为何要涉及如此多的修正方向,主要原因是减少拍照时手的不规则抖动。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) 五轴防抖技术与五轴的各自作用

    目前最为复杂的传感器防抖为五轴传感器防抖,通过镜组+CMOS的移动,涵盖了所有能够补偿的方向,分别是镜组前后翻转、左右翻转,CMOS垂直移动、水平移动以及旋转,于是称之为“五轴防抖”。除了专业相机之外,OPPO Reno2上也搭载了该技术。

    除了光学防抖和传感器防抖的硬件防抖外,软件防抖电子防抖(EIS)也是必不可少。

    电子防抖(EIS)

    电子防抖是市面上的手机中使用得最多的防抖技术,无需任何元器件辅助也可实现,主要通过程序对传感器上的图像进行分析和采集。当照片被拍糊时,利用边缘图像对模糊部分进行补偿,从而实现“防抖”,其防抖原理更像是对照片进行“后期处理”。

    开启电子防抖后,取景画面会有非常明显的裁切,然而被裁切的部分并非传感器停止了工作,而是电子防抖系统会将这一部分的数据用于抖动补偿。也就是说照片被裁切成两部分,最外面的部分用于补偿里面的一部分。在没有防抖机械结构的前提下依然能带来一定的防抖效果。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) OPPO R9s Plus就实现了光学防抖+电子防抖

    这样,我们也就发现电子防抖的缺陷:画面会被裁切。但是在手机上加入超广角镜头后,这一缺陷被巧妙解决了。我们可以在得到电子防抖效果的同时依旧可以使用正常广角焦段进行拍摄。就实现效果而言,借助超广角镜头进行裁切的电子防抖已经有了非常高的可用性。因此,目前不少旗舰机都采用了光学防抖与电子防抖结合的方案,从而得到更好的拍摄画面。

    以上就是普通厂商对于手机拍摄防抖的“三板斧”,到此为止的话,我们用手机能够拍摄出比较优质的画面了。但是,作为对于拍照有极致追求的厂家来说,“优质”是不足以满足OPPO的野心的,在光学防抖(OIS)+传感器防抖+电子防抖(EIS)的基础上,OPPO Reno2上祭出自家“防抖”杀招。

    03 OPPO的“防抖”有独家秘笈

    直接通过专业术语解释Ultra Steady视频超级防抖技术是挺无聊的一件事,一件还原人眼观感的视觉技术,应该让眼睛说话,我们先通过对比动图来看一下混合视频防抖技术在OPPO Reno2上的表现。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)

    画面中右侧是OPPO Reno2拍摄所得,没有借助额外的稳定器类设备。从动图中我们可以很明显的看出,OPPO Reno2拍摄的画面稳定程度要远超左侧的机型。即使在剧烈运动中也没有出现摇晃的感觉,可以看出OPPO Reno 2的防抖稳定。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)

    OPPO Reno2之所以能获得更优质的视频录制画面,主要是由于Ultra Steady视频超级防抖技术的加持。Ultra Steady视频超级防抖技术是在HIS混合防抖技术的基础上优化而成。其利用OIS光学防抖和EIS电子防抖双重防抖技术,让OPPO Reno2的镜头在拍摄视频时实现随时随地无限制防抖。我们再来看一组对比动图。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)

    Ultra Steady视频超级防抖技术,除了光学防抖、电子防抖和传感器防抖外,陀螺仪的升级为Ultra Steady视频超级防抖技术保驾护航。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)
    陀螺仪原理

    说到这里,相信很多人就会好奇了:为什么Ultra Steady视频超级防抖技术的核心是陀螺仪呢?简言之。陀螺仪是一个检测装置,在外力作用下,内置的ISP模块结合OPPO独家算法根据陀螺仪反馈数据主导一系列的防抖工作,这样使得整个防抖工作有序进行。你想过没有,防抖工作突然有了聪明的“总指挥”,OPPO又一次用想象力打破常规。

    我们评价一款处理器核心是否强悍的标准是看处理器的频率,同样,我们也可以简单粗暴看看OPPO Reno2的陀螺仪频率提升200%-300%,是普通传统手机陀螺仪的2倍。从OPPO Reno2开始,陀螺仪是不是手机防抖核心、陀螺仪频率的高低将成为衡量手机拍照的另一标准。而我们拿着OPPO Reno2,隐隐感受到陀螺仪的频率和OPPO超越极限的决心。

    所有轰炸性技术都不是一蹴而就的,我们看到的只是收获,而关于技术的播种,很早就已经开始了,不妨让时间回到2016年MWC,OPPO推出SmartSensor。

    04 防抖技术是OPPO拍摄实力的结晶

    OPPO Reno2出色的影像能力和逆天的防抖表现,不仅让用户对短视频有了更多想象和创作的空间;还让世界对OPPO的强大技术积淀刮目相看。实际上,这真的不是OPPO第一次站在聚光灯下成为主角。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) SmartSensor

    作为最早研究拍照防抖的手机厂商,早在2016年MWC展会期间,OPPO就推出了SmartSensor图像芯片防抖技术,实现Pitch轴、Yaw轴及旋转中心轴Roll轴三个维度的抖动补偿。突破了大众对手机拍摄防抖的认知,而作为手机巨头中,只有OPPO主动潜心研究手机防抖的诸多可能性。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发) OPPO R9s Plus的滚珠式滑轨防抖结构

    2016年12月,OPPO R9s Plus发布,其搭载了全新结构的OIS+光学防抖技术, 全新的滚珠式滑轨防抖结构,使得R9s Plus实现微米级的防抖精度,保证运动状态或暗光环境下拍照时,有效克服因抖动而产生的画面模糊,成像更稳定更清晰。

    在手机摄影中呈现在过山车都不抖的画面,是一项前所未有的挑战,但是OPPO达芬奇实验室最终还是立项了Ultra Steady视频超级防抖技术的最初创想。

    OPPO召集了上下游供应商坐在一起,专门讨论防抖技术的研发。防抖技术需要非常的精密复杂的设计,对镜片、对焦系统、CMOS等要求更为苛刻,而且对陀螺仪传感器、镜头玻璃材质、软件算法等要求更高,现有产品和解决方案根本无法满足。

    面对一项全新的技术,需要拿出真金白银来进行研发和各种测试,各家供应商也都拿出了足够的诚意。面对风险,OPPO与供应链企业抱团战斗,也促使了新技术的迅速出炉。

    从“稳定器”OPPO Reno2说起 手机防抖的前世今生(审核不发)
    OPPO HIS混合视频防抖技术

    2019年,随OPPO Reno系列发布的还有全新的HIS混合视频防抖技术(Hybrid Image Stabilization)。在采用主摄像头、长焦摄像头进行录制的过程中从物理层面提供了防抖功能,再利用一系列算法和过滤器来校正清晰度不稳定等问题。HIS混合视频防抖技术有效地结合了OIS(光学防抖)技术和EIS(视频防抖)技术,软硬件结合的方式以实现拍摄视频时画面更加平稳。

    随着技术的积累和孵化,2019年9月10日,和OPPO Reno2同时发布的还有Ultra Steady视频超级防抖技术。Ultra Steady视频超级防抖技术不仅给用户带了极致的影像体验,还是OPPO研发实力的智慧结晶,对于技术为王的OPPO 来说,防抖只是一个全新的开始。

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