论文部分内容阅读
长焦 夜拍 视频 防抖的三大战场
自从以高通骁龙710为代表的移动平台被“贱卖”到千元价位开始，性能就不再是智能手机的短板所在。特别是骁龙765G/768G、麒麟820、天玑800/820和Exynos 980/880等新一代中端SoC的普及，更是赋予了5G手机足以满帧运行《王者荣耀》和《和平精英》等常见3D手游的动力，此时拍照和摄像便成为了提升用户感知体验的全新战场。
而防抖技术，就是能帮助手机厂商在这局部战场取得优势的重要筹码之一，长焦、夜拍和视频则是最能检验其效果的功能模式。
长焦防抖
一款手机要想拍清远处的风景，必须搭配长焦镜头。但是，正如CFan曾在2020年第11期《远方风景独好手机如何变身“望远镜”》特别话题中所说，和采用相同结构的主摄相比，长焦镜头为了实现更长的焦距，传感器尺寸通常都比较小，意味着它们的进光量偏小，不適合暗光环境。同时，焦距越长拍摄时的抖动问题就越明显，一颗合格的长焦镜头，必须搭配OIS光学防抖功能（图1）。
夜拍防抖
在光线充足时，绝大多数手机都能“随手一拍就是好照片”。但是，在光线昏暗的夜晚，则是低素质传感器的“照妖镜”，为此几乎所有手机厂商都推出了所谓的“夜景模式”。其中，最具代表性的就是华为/荣耀手机主打的“AIS手持超级夜景”（图2）。该技术最早诞生于P20手机时代，依托于当年麒麟970芯片内集成的NPU单元，无需联网就能在手机端进行实时的AI手持检测、AI光线检测、AI防抖处理，最后实现AI图像合成。哪怕没用三脚架固定，也能一键呈现漂亮清晰的夜景照片。
视频防抖
视频防抖主要以EIS电子防抖和OIS光学防抖为主，前者属于软件算法，在AI技术的加持下效果越来越好。而OIS源于特殊结构的镜头硬件，可以带来更趋完美的防抖能力。如今，采用EIS+OIS的HIS混合防抖技术组合正在成为中高端手机的潮流趋势，兼顾软硬防抖的优点。
需要注意的是，在录制视频时，开启EIS电子防抖或HIS混合防抖功能后，取景画面边缘的部分内容会被自动“剪裁”，而这些被剪裁掉的画面就是用于补偿抖动的素材。为了减少开启防抖技术就大幅减少视频画面的问题，以华为P40 Pro和OPPO Reno4 Pro为代表的手机在开启视频防抖技术时，超广角镜头会接替原本属于主摄的录制任务（图3），由于超广角镜头默认的取景画幅更大，所以经过EIS裁切之后画幅损失相对较少，有效地保证了取景画面。
人无我有 人有我优 防抖技术的革新
随着竞争的日趋激烈，几乎所有的新款5G手机都支持EIS、OIS、AIS、HIS其中的一种或多种。在技术趋于同质化的今天，“人无我有，人有我优”的精神自然就更加值得提倡了。而vivo X50 Pro主打的微云台超感光镜头，就是这一态度的真实展现。
回顾EIS和OIS的防抖原理
CFan在过去曾经介绍过，EIS属于“软件派”，它通过每一部手机必备的加速度和陀螺仪传感器侦测手机抖动的幅度，并借助SoC内集成的ISP和NPU单元的计算力动态调节ISO、快门和成像算法来进行模糊修正，ISP和NPU越先进，最终的成像和防抖效果就越出色。
OIS光学防抖功能属于EIS的升级版，智能手机常用的OIS都是依靠磁力包裹悬浮镜头（准确地说是镜头内的镜片），镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动，并且会将信号传至ISP即时计算需要补偿的位移量，然后通过电磁力驱动悬浮的镜头朝相反方向位移，从而使光路保持稳定，有效地克服因手机的振动产生的影像模糊问题（图4）。在OIS背后，还存在滚珠防抖、弹簧防抖、悬丝防抖等不同的技术流派，在手机晃起来拍视频时镜头内会传出不同的快板声，限于篇幅本文就不再赘述了。
总之，EIS和OIS一个靠“算”，一个靠“动”，显然还是更卖力的OIS效果更好一些。但是，OIS光学防抖悬浮的镜头依旧不够完美，比如其运动的自由度被限制在了XY平面内，防抖角度只有正负1。左右，仅能实现小范围的平移运动。因此，OIS应付小幅振动压力不大，但遇到大幅的手抖就难以补偿了。此外，OIS悬浮的镜头和内部的CMOS有时会出现运动幅度不一的情况，从而出现画面上的损失。
浅析微云台超感光镜头
从本质上来看，微云台技术和OIS光学防抖比较像，但OIS光学防抖只实现了镜头的悬浮，而微云台技术则是将整套相机模组给悬浮起来，从而改变了防抖作用的维度。 根据vivo的官方资料来看，微云台镜头模组包括限位机构、双滚珠悬架、镜头、音圈马达、双S型FPC排线、T-FPC、磁动力框架以及保护盖构成（图5），可实现X轴、Y轴双轴转动。它利用陀螺仪测量出手机抖动的方向和位移，利用洛伦兹力控制相机模组，进行反向运动补偿，通过不断调整，保持画面稳定。但由于其结构更加复杂，所以整体面积约为普通主摄平均占版面积的5倍、潜望式摄像头的3.2倍，是云台实现小型化的难点，也是业内面对的主要挑战。
为了解决这个问题，vivo采用异形结构磁动框架堆叠方式，最终实现了微云台镜头的小型化：363mm2的占板面积，（模块）厚度仅有4.5mm，而且它采用双S型FPC排线，经过上百次制具调整，（排线）厚度仅有0.07mm（图6）。从X50 Pro的内部结构来看，其采用的微云台超感光镜头所占的空间几乎相当于其他3颗镜头的总和（图7），但也远远小于最初的设计，达成了小型化的既定目标。
由于微云台是整套相机模组都处于悬浮状态，可实现更多方向的防抖校正，而且它的转动角度更是高达正负3°，是传统OIS光学防抖的3倍（图8），整套相机模组和CMOS传感器的运动幅度整齐划一，足以抵消大幅振动对拍摄画面稳定性的影响。
视频夜拍两相宜
得益于全新的结构和更大的补偿角度，我们可以将微云台镜头视为更完美的OIS镜头，可以获得超预期的视频防抖能力。但细心的朋友应该已经发现了，vivo在宣传X50 Pro的这颗镜头时还用了“超感光”这个关键词。
还记得哪家手机厂商最喜欢主打“超感光镜头”吗？没错，就是华为和荣耀，它们所搭配的RYYB传感器的手机就喜欢突出“超感光镜头”这一卖点（图9）。X50 Pro的这颗镜头之所以也具备“超感光”的特性，是因为vivo为其准备了全新定制的IMX598传感器（1/2.0英寸），且搭配了f/1.6大光圈，感光性能较之主流的f/1.8更好。此外，微云台结构更强的防抖能力可以让相机APP在拍照时获得更长的曝光时间，而且X50 Pro在低光环境下还能触发极夜算法，应用RAW域AI降噪算法拍摄出清晰、噪点少的图片（图10）。根据vivo实验室提供的数据，微云台的防抖暗光成片能力是无光学防抖的12.5倍，普通光学防抖暗光成片能力的2倍。
体积依旧是最大缺陷
总的来说，微云台超感光镜头赋予了vivo X50 Pro更极致的防抖能力，3倍于传统OIS的光学防抖能力意味着更长的安全快门时间，捕捉更多的环境光线，哪怕不借助多帧合成算法也能获得更加清晰明亮的暗光画面。
但是，就传感器的底层素质而言，vivo X50 Pro所搭配的索尼IMX598依旧属于中档级别，缺少了“底大一级压死人”的先天傲骨。因此，与其同期发布的X50 Pro+所采用的三星ISOCELL GN1就成为了让人羡慕嫉妒恨的存在（图11），后者的传感器尺寸达到了破天荒的1/1.3英寸，拥有5000万像素值，支持Dual PD和Tetracell技术，单像素1.2μm（四合一等效像素面积2.4μm），其各项指标足以媲美索尼专为华为P40系列定制的旗舰级IMX700传感器。
可惜，微云台镜头技术并不适合这种“大底”传感器，我们不妨看看vivo X50 Pro的微云台镜头实物大小（图12），它已经算是智能手机可以容纳的相机模組的体积极限了，除非你能忍受更厚重的机身设计，否则短期内应该是看不到ISOCELL GN1+云台结构的可能。
当然，我们也希望微云台镜头可以继续朝着微型化的方向再进一步，并最终实现旗舰级传感器的“云台梦”。
