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數位相機防手震技術探究                     自 tech.digitimes.com.tw

前言：數位相機的影像穩定技術一直是相當熱門的話題，採用具備防手震技術的數位相機，可以做到在大部分原先需要三角架的場景情況之下，仍能使用手持的方式進行拍照，讓數位相機在一些低照度環境之下，仍能維持相當優秀的行動力與拍照品質。早先此類技術幾乎都由日本影像大廠所獨佔，近年來台灣數位相機廠商也開始在產品之中增加了各種防手震技術，藉以提升產品競爭力。



圖說：防手震功能可有效改善圖像因晃動而模糊的問題。（資料來源：SCHNEIDER-KREUZNACH）

防手震技術主要透過幾個方式來達成，除了CCD防手震以及機械式防手震以外，最常見的應該屬於以軟體計算補償的方式，不過此種方式降低CCD感光元件的可利用率，而且應用限制上也比較大，但是技術門檻較低。而一般廠商也有將高ISO能力作為訴求，將之視為另一種防手震的方式，不過基本上高ISO只是讓快門可以在感受到震動之前完成動作，並不是一般廣義上的防手震機制，真正的防手震機制是要在拍攝過程中，偵測並抑制因為手部晃動而造成的影像模糊現象，高ISO同時也會帶來更高的雜訊。

防手震技術的發展

如果真要考古的話，防手震技術最早是在1970年代所研發出來的，最早是Nikon的VR（Vibration Reduction）防手震技術，並且搶先應用在消費型數位相機之中，不過因為其高訂價策略以及錯誤的市場策略，使得系列款防手震傻瓜相機銷售奇慘無比，讓Nikon好久一段時間不敢再談及防手震技術，直到2000年才又重新出發。

而Canon自行研發的防手震技術，最早是應用在其高階鏡頭上，稱之為IS（Image Stabilizer）影像穩定系統，由於定位正確，從此Canon在防手震技術上一戰成名。隨後相機從傳統膠片轉望數位發展， Panasonic公司所提出的O.I.S（Optical?Image?Stabilizer）技術，也同樣是在鏡頭上作防手震文章，這些公司的防手震架構基本上都可以歸入同一類技術，不同的只有成像邏輯以及相關演算法而已，扣除不同的晶片方案或佈線結構，在硬體達成方式上可以說沒什麼兩樣。在過去，這類鏡頭防手震技術對於上下晃動的防止較為有效，不過發展至今，以Canon的IS技術為例，已可有效同時防止上下左右四方向的震動，甚至也可以透過設定，決定那個軸不進行防震動作，藉以達到特定的拖影效果。


圖說：Canon IS技術鏡頭元件。（資料來源：Canon）

不過防手震技術並不僅止於鏡頭部分而已，部分公司也轉向成像元件來進行防手震處理，比如說KonicaMinolta 所研發出CCD AS（Anti Shake）技術，概念上便是對CCD感光元件進行機械支架浮移處理，藉由補償運動來抵銷震動過程中所導致的影像模糊化，這個架構是屬於全新一代的機械式防手震技術。


圖說：Konika-Minolta將數位相機部門賣給Sony，其首創的機械式CCD防手震也將由Sony及其他倣傚廠商繼續發揚下去。（資料來源：Konica-Minolta）

AS防手震技術有很大的優點，那就是由於CCD是內建在機身內部，因此不論搭配何種鏡頭，都可以達到防手震的目的，而不必為了防手震技術特意選購具備有防手震技術的鏡頭，而且CCD防手震也可以避免因為鏡頭結構的干擾而改變了原有光軸的位置，導致成像品質的失真。而且甚至也可以搭配具備防手震的鏡頭，來達到雙重防手震的效果。

CCD AS技術發展較晚，因此在應用方面較少，不過在技術層面已屬相當成熟，Sony雖然取得了AS技術的使用授權，但目前也傾向於只將此技術應用在高階 DSLR機種中，而暫時沒有拉往消費機的計畫。這也是因為消費機的競爭過於激烈，加上成像品質也不若DSLR那般要求，因此Sony在消費機上的防手震技術是採用Super Steady Shot技術，與Canon、Nikon及Panasonic等公司的技術同屬鏡頭防手震技術，而雖然在α100上採用的是AS CCD防手震技術，但Sony仍舊將之稱為Super Steady Shot，這事要注意的一點。

同樣對CCD進行防手震動作的還有Pentax公司的SR技術，雖然說Pentax公司採用的SR（Shake Reduction）技術，基本上也是屬於CCD防手震的一種，但是在硬體實做上與AS架構有相當大的不同，Sony Anti Shake採用的是CCD機械浮動原理，而Pentax的SR技術則是採用兩個陀螺儀來進行對CCD感光元件的水平與垂直震動偵測，並利用磁力推動來進行補償動作。要注意的一點就是，Casio所推出的消費型相機中，也採用了名為Anti shake的技術，不過這個AS技術基本上是利用軟體處理重疊曝光的成像，並不是屬於鏡頭硬體防手震的技術。

有在注意數位相機技術的讀者大概也都可以發現，大部分防手震技術基本上都是基於相同的架構之下，這也是因為許多廠商不僅製造自有的產品，也會提供零組件給缺乏關鍵技術的第三方廠商，或者是兩大廠商彼此進行技術合作，而如ALPS等影像專業公司也會提供防手震的關鍵IP授權使用，廠商在生產最終產品時，再以不同的名稱命名，以避免造成消費者的混淆。台灣廠商在數位相機產業一向缺乏自有關鍵技術，因此通常都是以採購現有零件及技術來降低入門門檻。

需要防手震的情境

■長焦距拍攝

對一般DSLR或具備長焦的消費機來說，長焦的應用大多是在風景、鳥類或者是運動場上，還有目前最流行的狗仔隊，在這些情境之下，利用長焦鏡頭除了可以藉由景深來突出主體，並且可以利用長焦望遠將拍攝主體進行放大。不過長焦鏡頭因為鏡片設計的關係，通常會顯得更為粗大，如果在光線不足的環境之下，想要手持穩定拍攝幾乎就成了不可能的任務，一般風景不會動，鳥類也會有其活動範圍，利用三腳架來增加穩定性也是可行之道，不過人物神情或動作抓拍時機一閃即逝，想要利用三腳架來穩定相機顯得緩不濟急，因此防手震便可在此時派上用場。

■低光源環境拍攝

在室內在室內傍晚進行拍攝時，由於自然光線不足，因使通常會將快門速度調慢，藉以增加入光量，使用閃光燈來進行光源補充，或者是提高ISO，來提高對光源的敏感度，但是閃光燈對環境氣氛會產生影響，高ISO或多或少又會帶來雜訊問題，若是藉由防手震技術，便可安全將快門調降至一般無防手震安全快門之下，藉以在不造成畫面晃動的情況之下取得更高的入光量。


圖說：夜景等低照度環境對於數位相機的感光與防手震能力要求很高。（資料來源：kobe-mari.maxs.jp）

■微距拍攝

在距離被攝主體極近的情況之下，會產生與長焦距攝影同樣的狀況，那就是只要稍微晃動，畫面的反應就會很明顯，過去沒有防手震的時代，幾乎都要使用三腳架才有辦法拍出可接受的品質。

防手震核心技術探究

■慣性感測技術

由於目前MEMS微機械技術發展迅速，過去因為體積考量而無法整合的慣性偵測功能，如今因為MEMES製程的改善而有了重大的突破。這一類主要核心技術包含了陀螺儀與加速計，如今也被廣泛的應用在鏡頭防手震或CCD防手震技術之中，此類防手震技術採用動作感測元件來進行移動狀態的感測，回傳到處理器之後，再對鏡頭或CCD進行位移補償。在感測元件的選擇上，自然是以目前最為流行的MEMS微機械架構陀螺儀為主，不過在特定狀況之下，採用加速計也是個不錯的解決方案。由於這類MEMS感測元件可採用標準CMOS製程，因此可以縮到非常小的地步，對於目前追求時尚與輕便的數位相機設計潮流來說，具有相當大的幫助。在元件的採用上，目前有ADI、ST、Freescale以及InvenSense等公司提供。


圖說：ADI的陀螺儀感測元件架構圖。（資料來源：ADI）

ADI的陀螺儀感測元件已經可適應2軸或 3軸感應的需求，而且具備了相當高程度的可程式化能力，在最新的ADIS16255中，提供了從±80°/sec, ±160°/sec, and ±320°/sec的感測能力，靈敏度達到了0.018 °/s/LSB，不過這款晶片主要是應用於較大且較高階的感測應用上，對於圖像穩定的應用，則是以ADXRS系列為主，該系列售價低廉，功耗低，且精確度相當高，不過產品封裝體積上相較起競爭者要顯得稍微大了一點。

圖說：意法半導體的動作感測元件。（資料來源：意法半導體）

而在ST公司所提供的MEMS感測產品上，則是採用了Thelma表面微加工製程技術，可以製造具備更高靈敏度的產品，事實上，該公司的三軸加速計已經被任天堂的次世代體感遊樂器Wii所採用，作為其魅力十足的遊戲控制方式的技術核心。當然，以其三軸加速器而言，該公司的LIS302DL三軸加速計，封裝大小只有驚人的3x5x0.9mm，提供了完整的動作感測能力。


圖說：Freescale的動作感測元件。（資料來源：Freescale）

Freescale公司所提供的是具備3軸感應能力的加速計，與陀螺儀同樣的可以進行傾斜、角速度與定位的感測，在最新的單晶片產品中，以6x6x1.45mm的封裝大小，提供了傾斜、移動、定位等不同感測功能，工作模式之下僅耗電500μA，而且也具備了睡眠模式，最低僅耗電3μA，省電能力極強。

圖說：InvenSense的動作感測元件。（資料來源：InvenSense）

InvenSense 是家死忠的陀螺儀支持者，InvenSense公司認為陀螺儀與與加速計不定位不同，陀螺儀可精準的測量偏航或者斜度。該公司表示，對於手機和遊戲機、數位視訊和數位相機穩定、3D遙控和〝空中滑鼠（air mouse，在空中揮手就可以控制螢幕上的游標，類似電影關鍵報告中的場景應用）〞市場具有極大的潛力，該公司也計畫將要推出六軸感應陀螺儀，以備將來更先進的產品需求。該公司的陀螺儀已經被相當多的數位相機廠商採購應用於數位相機作為防手震功能技術核心，台灣、Sanyo與韓國LG都是其中之一。

■電子圖像穩定演算法

除了硬體設計以外，有些公司也採用以軟體方式計算的防手震補償機制，我們先不談以Best Shot方式進行的防手震功能，因為基本上，該功能只是幫助消費者在爛蘋果中挑出比較不爛的，並無法針對影像品質做出實質改進，雖然可能在某些特定情況下有所作用，但是誤挑出更爛品質相片的例子也是屢見不鮮，因此筆者認為這種功能可有可無，較不重要。

而另一個主流，就是藉提高ISO感度來達到高速快門的作法，在手部晃動之前就已經完整成像，避免拍到模糊圖片，雖然大部分數位相機廠商都已經把提高ISO感度列為重點發展方向，但是每家廠商在成像邏輯方面有所不同，因此得到的影像品質也各有差異，基本上，想要在達到高ISO感度的同時，依舊維持優秀的成像品質，除了提高感光元件的大小以外，另外一點就是在成像邏輯演算法上加強，以目前市面上的產品而言，感光元件在1/2.5吋（包含）以下的CCD想要採用超過ISO800以上的感光度都是非常不實際的作法，因為畫面雜訊將會多到令人無法接受，這主要是因為感光元件太小，單一畫素面積小，而無法有效進行感光處理。


圖說：Fujifilm的數位相機一向以高ISO為主打賣點。（資料來源：Fujifilm）

而利用軟體演算法來加強高ISO的畫質也是有其極限，就目前現有的成像邏輯來看，只要進入抑噪步驟，畫面的銳利度將會大幅喪失。目前的數位相機廠商也只剩 Fujifilm仍未採用任何硬體防手震設計，而純粹採用高ISO，雖然在高照度的環境之下，該公司的產品也有相當不錯的表現，但是當進入抑噪模式之後，同樣也會有畫面失去銳利度的狀況產生，不過因為相較起其他廠商產品，在細節喪失與噪點的均衡仍在可接受的範圍之內，因此也被廣大消費者所接受，作為沒有任何防震設計的防手震數位相機產品應用。

少部分也有利用DSP在照片後製階段進行模糊像素的處理，將因為手振而產生的圖像邊緣模糊問題減輕到特定程度，這種演算架構包含了動態估計以及動態補償兩大部分，動態估計則另外包含了局部動態估計以及全體動態估計這兩大決定單元。透過演算法對畫面陣列中的局部圖像進行處理，可以估算出相對於參考畫面的動態偏移，並且藉由總體動態計算單元來決定動態向量的有效性，藉以提高動態向量的檢測精度。

而動態補償則是透過動態估計單元所提供的動態參數來進行影像的行、列重組，進而達到穩定影像的目的。目前以利用最小絕對差（MAD）或是最小平方差（MSE）的全搜索（FS）頁框匹配法（Frame matching）屬較為有效的動態補償演算法，不過這類運算量相當大，因此需要較為強力的處理器核心才有辦法負擔。

結論：
防手震技術在數位相機上已經幾乎達到全面普及的地步，在設計上決定採用何種防手震架構，將會對該產品的最終市場定位與消費者觀感造成莫大的影響，雖然高 ISO設計可以有效避免掉某些需要使用三腳架的環境，但是在成像邏輯上不夠完美的現在，訴求如3200或4000等超高ISO，除非下一代感光元件可以大幅提升感光能力，並且在製程方面有較大的突破，可以將感光元件縮小到極限，並能維持其成像品質，否則以較高的可用ISO（如ISO800），配合設計完善的防手震技術，不論在應用廣度以及實際成像畫面來講，將會是比較完善的折衷方案。

而在照相手機方面，我們也可以預期在不久的將來，隨著相關感測元件的製程進步，高ISO以及防手震設計也將會同時納入設計概念中。