數(shù)碼相機(jī)的防手抖技術(shù)及其設(shè)計(jì)

　　手抖無所不在，只要是手持相機(jī)攝影,多多少少都存在著抖動(dòng)的問題，差別是每個(gè)人的穩(wěn)定程度不同。這里涉及到安全快門的概念,簡(jiǎn)單來說,安全快門就是焦距的倒數(shù),也就是快門速度達(dá)到或超過安全快門(曝光時(shí)間小于安全快門的曝光時(shí)間),這樣比較容易拍出比較清晰的圖片。在長(zhǎng)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全快門的曝光時(shí)間,故需要有防抖動(dòng)的技術(shù)去補(bǔ)償,不然一般攝影的結(jié)果都是不清晰的。

　　數(shù)碼相機(jī)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(shí)間),使快門速度超過安全快門來避免抖動(dòng)。這種方法變化了快門速度,不僅能改善相機(jī)方面的抖動(dòng),也能對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)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(huì)提高,影響圖片的質(zhì)量。表一為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織定義的條件系統(tǒng),在感光度( ISO)提高一個(gè)級(jí)數(shù),快門時(shí)間就可以減少一半。電子防抖另一種是對(duì)圖像進(jìn)行分析,依據(jù)抖動(dòng)對(duì)邊緣進(jìn)行處理,屬于后端處理,對(duì)圖片幫助不是很大。鏡頭防抖是通過鏡片的移動(dòng)來補(bǔ)償相機(jī)的抖動(dòng),它由傳感器,微處理器,補(bǔ)償鏡片控制組,驅(qū)動(dòng)控制部分組成,依靠補(bǔ)償鏡片的移動(dòng)來校正手抖引起的光線偏移,如圖1,鏡頭不同,設(shè)計(jì)上有差異,但基本上都是透過補(bǔ)償鏡片組來補(bǔ)償。CCD防抖是通過感光元器件CCD(或CMOS)放在一個(gè)可移動(dòng)支架上來,通過傳感器感知相機(jī)的抖動(dòng),由微處理器計(jì)算相應(yīng)的移動(dòng)量,由驅(qū)動(dòng)部分對(duì)CCD移動(dòng),以達(dá)到防抖目的。目前,一般相機(jī)的防抖(CCD防抖或光學(xué)防抖)不是無限可以補(bǔ)償,一般為2~~3級(jí),按表一來說,假設(shè)安全快門1/125,2級(jí),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(jí),快門速度為1/15。表2為三種防抖方式的比對(duì)表

　　圖1 光學(xué)防抖結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2 CCD防抖示意圖

　　表1 攝影組合級(jí)數(shù)

　　表2 防抖方式比對(duì)表

　　MEMS陀螺儀(Gyro), 微機(jī)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(dòng)，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(gè)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(cè)為電容的變化。 此時(shí)陀螺儀(Gyro)所需的就是用相關(guān)電路去檢測(cè)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(jī)械設(shè)計(jì)和制造、混合信號(hào)ASIC設(shè)計(jì)，以及晶圓級(jí)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(shí)現(xiàn)。

　　由圖2看出，在3D圖面上,Z軸有自動(dòng)聚焦功能，Z軸移動(dòng)對(duì)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(jìn)馬達(dá)對(duì)X軸，Y軸的驅(qū)動(dòng)，使CCD移動(dòng)來補(bǔ)償CCD的抖動(dòng)。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(jī)的尺寸。Gyro 信號(hào)連DSP 的AD port，DSP的AD是10bit,滿足設(shè)計(jì)要求。資料運(yùn)算用相機(jī)本身的DSP處理,可以減少一微處理器(Micro),降低成本。DSP 對(duì)Gyro傳來的ω信息進(jìn)行運(yùn)算,計(jì)算補(bǔ)償量,通過馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)X，Y移動(dòng)來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。X軸，Y軸的PI信號(hào)是Lens反饋DSP 信息來校正CCD與Lens中心重合，避免補(bǔ)償過程超出Lens設(shè)計(jì)的補(bǔ)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(shí)驗(yàn)證明，一般人手持相機(jī)拍照時(shí)手抖頻率0~20Hz(資料來源：日文版數(shù)字?jǐn)z影雜志 2006/12 )，DSP 對(duì)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(dòng)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(jìn)馬達(dá)每相的移動(dòng)量(如1.44um)。由公式3可知GYRO感知角速度，就可以計(jì)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(dòng)光路的變化 

　　CCD的防抖動(dòng)系統(tǒng)采用PID自動(dòng)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(cè)的抖動(dòng)按比例移動(dòng)CCD,I(積分)控制是調(diào)節(jié)對(duì)時(shí)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(bǔ)償。通過調(diào)整PID參數(shù),使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行,達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)也要考慮部件對(duì)系統(tǒng)的影響,如Power noise對(duì)Gyro sense造成的測(cè)試誤差，步進(jìn)馬達(dá)能否達(dá)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(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)也就是安全快門的2~3級(jí)，遇到長(zhǎng)焦或快門時(shí)間過長(zhǎng)，超過補(bǔ)償極限時(shí)，帶三腳架拍照才是最有效。

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