论文部分内容阅读
拍片变糊的原因
首先我们需要明确一个观念，哪怕是专业的射击运动员，在心跳的影响下身体也会不由自主地轻微抖动，能将持枪射击瞬间的手抖幅度降低到多少，将决定最终的射击成绩。久经训练的专业人士尚且如此，作为普通人的我们，拿着手机拍照的瞬间自然也难以摆脱手抖的影响。
一般来说，只要环境光线足够好，拍照时手稍微稳一点就能拍出清晰的照片。然而，拍照的最佳时机总是转瞬即逝，比如抓拍的瞬间就最难控制手抖，也是最容易“拍糊”的拍照场景。此外，当光线不足时（如夜晚或暗光场景），较慢的快门速度会成倍放大手抖的影响。在焦距变长时（如进入2X、5X、10X变焦模式），一点点的抖动更会带来远端的大幅度变化（图1），在拍糊之余还容易丢失对焦的目标。
如果你在拍照時常因手抖而“糊片”，在拍摄视频，特别是追踪拍摄动态场景时将更难控制镜头的抖动，而预览晃来晃去的视频不仅严重影响观感，看久了还会引发头晕等健康问题。为了最大限度降低因手抖而产生的照片变糊或视频中镜头晃动的影响，“防抖技术”就成为了每一款智能手机必须掌握的技能，否则都没有资格再被赋予“新品”的身份。
CFan过去曾介绍过和拍照相关的防抖技术，本文我们将重点介绍一下防抖技术在拍摄视频时的原理和意义。
免费的EIS大餐
本刊在2019年第19期《破亿不是梦理性看待手机摄像头的像素值》一文中曾提到过“超像素技术”，通过软件层面的算法，让1600万像素摄像头拍出6400万像素的照片。既然软件工程师可以通过代码让手机拍出更高像素的照片，那能不能利用代码终结“防抖主要靠手”的时代呢？
答案自然是肯定的。在很多年以前，智能手机领域就流行起了一种名为“EIS”的电子防抖技术，这是一种通过代码，也就是软件算法实现的防抖能力。其原理是利用每一款智能手机都必备的“加速度传感器”（G-sensor）和陀螺仪（绝大多数新款手机都有）模块侦测手机抖动的幅度，动态调节ISO、快门和成像算法来进行模糊修正。随着手机硬件性能的不断提升和相关算法的不断成熟，电子防抖技术已经可以较为完美地保证照片不糊了一很多新款手机所支持的“手持超级夜景”，即没有三脚架也能拍摄更亮更具细节的夜景照片，就是电子防抖技术的一种终极演化形式（图2）。
随着抖音等APP的兴起，短视频拍摄已经成为智能手机的下一个“燃点”功能，而电子防抖技术也逐渐针对视频拍摄贡献力量。但是，拍摄视频和拍摄照片不同，前者想要使用电子防抖需要建立在牺牲部分画面的基础上——大家可以打开手机上的相机APP，从“拍照”切换到“录像”功能时，后者的取景画面是不是被“放大”了（图3）？
电子防抖模式下的视频拍摄，只有位于取景框中心的画面才是有效内容，边缘部分的画面则被自动“剪裁”（拍摄照片时也是如此，只是剪裁损失的画面比例更小）。需要注意的是，裁切的画面内容并没有被“丢掉”，相机APP会根据陀螺仪记录的手机姿态数据对摄像头的抖动进行反向补偿，而被剪裁掉的画面内容就是用于补偿的素材。
换句话说，电子防抖最大的问题就是画面裁切，只是在更高像素广角镜头渐成主流、AI算法越加先进的今天，它已经可以保留更多画面内容，在拍摄相对稳定的视频内容之余还支持更高分辨率和帧数的超高清模式录制。但是，这种技术仍然无法解决较大抖动导致的画面被拉伸后的变形问题，毕竟它属于通过一段代码就能实现的功能，这种“零硬件成本”的解决方案必定存在局限性。
那么，如何才能拍摄更加稳定的视频内容呢？
云台防抖了解一下
从斯坦尼康系统开始，全世界的摄影师都在寻找更好的防抖技术与更轻便的操作平台，而手持云台的出现就成为了最理想的解决方案之一（图4），它能帮助智能手机、数码相机和运动相机等一切固定在其上的视频拍摄设备获得几近完美的防抖性能。
简单来说，绝大多数手持云台都内置多轴（普遍为三轴）陀螺仪和多轴加速度传感器，同时还配有X、Y、Z三个轴向的电机。在内置算法的控制下，手持云台可以根据手机重量驱动手机转动所需要输出的电机力度，并利用传感器不断检测手柄部分出现的抖动或转动，再通过电机反向旋转补偿抵消手柄部分抖动对录制画面造成的影响（图5）。
来自OIS的诱惑
就好像变焦技术存在数码（电子）变焦和光学变焦一样，防抖技术领域也有EIS电子防抖和“OIS”光学防抖之别。当手机的攝像头和OIS技术联姻之后，无论是拍照还是录制视频都能更大程度抵消来自手抖的威胁，让拍摄的照片和视频更加趋近完美。
如果说EIS电子防抖效果考验的是来自代码的“软实力”，那OIS光学防抖则是需要软硬结合的“硬指标”。
我们都知道，智能手机的每一颗镜头都是由电路板、CMOS传感器、固定支架、镜片、光圈等诸多部件构成（图6）。想要获得OIS光学防抖功能，需要在镜头内部加装可以向多个方向移动的微型马达。在我们使用相机APP拍照/录制视频时，系统可以将陀螺仪和加速感应器监测出的实时抖动信息转换为电信号，OIS控制驱动器会根据这些数据预测出倾斜导致的图像偏移量，再将结果反馈给马达，让其以和预测图像偏移量大小相同但方向相反的位移量推动传感器移动（图7），从而将手抖造成的图像偏移抵消掉。
没错，我们可以将支持OIS的镜头理解为内置云台的摄像头模组，由于微型马达和相关的控制电路非常占用空间，所以这种OIS镜头的尺寸较之传统传感器但不支持OIS的镜头大了一圈（图8）。需要注意的是，都是OIS镜头，但大家的光学防抖性能依旧可能存在差距，而影响它们防抖能力的因素主要包含以下几个方面。
1“多轴”之争：内置马达可以向哪些方向进行位移？双轴可抵消X、Y两个反向的抖动;三轴可以抵消X、Y、Z三个方向的抖动;四轴可实现横向、纵向、前倾、侧倾八个方向的全方位修正抖动;五轴则可抵消横向位移、纵向位移、上下摇摆、左右摇摆和Z轴旋转。光学防抖支持的轴越多，意味着这款手机可以抵消更多方向的抖动。
2传感器性能：智能手机内置的加速度传感器和陀螺仪传感器也有高低档次之别（图9），比如灵敏度、工作频率等等。频率越高越灵敏的传感器，可以收集更精准的抖动信息，从而让马达实现更精确的位移修复。
3光学防抖算法：协调软硬件之间的算法，一般只有官方自带的相机APP才能确保防抖体验，第三方APP取得拍照或视频录制权限后，可能无法进一步调用OIS马达模块。
在手机以拍照为主要用途的时代，OIS技术主要用于旗舰手机身上的“主摄”;随着更多消费者开始关注变焦拍照，很多旗舰机开始倾向将OIS技术从主摄转移到“长焦”镜头;在视频开始流行的今天，OIS技术又有了从长焦镜头回归主摄的趋势，而少数产品还会采用更豪华的“双OIS”矩阵，即主摄和长焦镜头都支持OIS，高端代表有苹果iPhone 11，中端代表则以荣耀V30 PRO为主。
协同作战是趋势
随着最新传感器和拥有更强AI性能SoC的普及，业内有一种观点认为EIS电子防抖技术就已经足够，强上OIS纯属浪费。实际上，这是一种非常不负责任的态度。说OIS马达会显著增加摄像头模块体积，导致手机镜头变厚纯属敷衍，OIS尚未普及的根源还是源于更高的成本——小学生才会从OIS和EIS中二选一，真正的玩家绝对会表示“我全要”！
原因很简单，想要视频不糊，光靠EIS电子防抖是肯定不够的。在过山车、骑行、奔跑等可能存在大幅抖动的视频录制过程中，单靠OIS光学防抖也难以确保完美。因此，在智能手机领域EIS+OIS结合的“HIS”混合防抖将成为未来的发展趋势。
以OPPO Reno2为例，其主打的Ultra Steady视频超级防抖技术的本质其实就是HIS混合防抖，而且该产品还引入了多源传感器信息融合和防抖场景智能分析技术，并将陀螺仪的频率从传统的400Hz提升到了800Hz，能够更加灵敏地感应手机的运动状态，从而实现视频拍摄中的超级防抖（图10）。
