數碼相機的防手抖技術(shù)及其設計

　　手抖無(wú)所不在，只要是手持相機攝影,多多少少都存在著(zhù)抖動(dòng)的問(wèn)題，差別是每個(gè)人的穩定程度不同。這里涉及到安全快門(mén)的概念,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),安全快門(mén)就是焦距的倒數,也就是快門(mén)速度達到或超過(guò)安全快門(mén)(曝光時(shí)間小于安全快門(mén)的曝光時(shí)間),這樣比較容易拍出比較清晰的圖片。在長(cháng)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)間遠遠大于安全快門(mén)的曝光時(shí)間,故需要有防抖動(dòng)的技術(shù)去補償,不然一般攝影的結果都是不清晰的。

　　數碼相機的防手抖技術(shù)一般分為三類(lèi):電子防抖,鏡頭防抖(也稱(chēng)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(mén)速度(減低曝光時(shí)間),使快門(mén)速度超過(guò)安全快門(mén)來(lái)避免抖動(dòng)。這種方法變化了快門(mén)速度,不僅能改善相機方面的抖動(dòng),也能對移動(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,相應的圖片噪聲會(huì )提高,影響圖片的質(zhì)量。表一為國際標準組織定義的條件系統,在感光度( ISO)提高一個(gè)級數,快門(mén)時(shí)間就可以減少一半。電子防抖另一種是對圖像進(jìn)行分析,依據抖動(dòng)對邊緣進(jìn)行處理,屬于后端處理,對圖片幫助不是很大。鏡頭防抖是通過(guò)鏡片的移動(dòng)來(lái)補償相機的抖動(dòng),它由傳感器,微處理器,補償鏡片控制組,驅動(dòng)控制部分組成,依靠補償鏡片的移動(dòng)來(lái)校正手抖引起的光線(xiàn)偏移,如圖1,鏡頭不同,設計上有差異,但基本上都是透過(guò)補償鏡片組來(lái)補償。CCD防抖是通過(guò)感光元器件CCD(或CMOS)放在一個(gè)可移動(dòng)支架上來(lái),通過(guò)傳感器感知相機的抖動(dòng),由微處理器計算相應的移動(dòng)量,由驅動(dòng)部分對CCD移動(dòng),以達到防抖目的。目前,一般相機的防抖(CCD防抖或光學(xué)防抖)不是無(wú)限可以補償,一般為2~~3級,按表一來(lái)說(shuō),假設安全快門(mén)1/125,2級,快門(mén)速度1/30,快于此速度,容易拍清晰的照片,由此類(lèi)推,3級,快門(mén)速度為1/15。表2為三種防抖方式的比對表

　　圖1 光學(xué)防抖結構示意圖

　　圖2 CCD防抖示意圖

　　表1 攝影組合級數

　　表2 防抖方式比對表

　　MEMS陀螺儀(Gyro), 微機電系統(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象就是科里奧利效應(Coriolis)。如圖3,微型塊在旋轉面上(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)系統的角速度ω。這些力將導致圖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)電路去檢測電容的振蕩，并將它轉換為電壓，再經(jīng)整流后輸出直流電壓。這種電路的目的是將旋轉速度轉換為電壓。MEMS陀螺儀(Gyro)產(chǎn)品最主要特色是整合了MEMS機械設計和制造、混合信號ASIC設計，以及晶圓級封裝等技術(shù)，開(kāi)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。

　　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)對成像基本沒(méi)有影響,有影響是在X軸(PITCH)與Y軸(YAW)。圖4為在晚上拍照，無(wú)防手抖與有CCD防手抖的結果。圖5為CCD防抖系統框架，CCD防抖是在鏡頭上增加CCD支架,利用步進(jìn)馬達對X軸，Y軸的驅動(dòng)，使CCD移動(dòng)來(lái)補償CCD的抖動(dòng)。MEMS陀螺儀選用要有X，Y軸Gyro 芯片，內部含放大，低通,高通濾波,這樣可以大大減少相機的尺寸。Gyro 信號連DSP 的AD port，DSP的AD是10bit,滿(mǎn)足設計要求。資料運算用相機本身的DSP處理,可以減少一微處理器(Micro),降低成本。DSP 對Gyro傳來(lái)的ω信息進(jìn)行運算,計算補償量,通過(guò)馬達驅動(dòng)電路驅動(dòng)X(jué)，Y移動(dòng)來(lái)達到補償的目的。X軸，Y軸的PI信號是Lens反饋DSP 信息來(lái)校正CCD與Lens中心重合，避免補償過(guò)程超出Lens設計的補償范圍。

　　圖4 左邊照片為沒(méi)有打開(kāi)防手抖，右邊打開(kāi)防手抖

　　圖5 CCD防抖系統方塊圖

　　實(shí)驗證明，一般人手持相機拍照時(shí)手抖頻率0~20Hz(資料來(lái)源：日文版數字攝影雜志 2006/12 )，DSP 對GYRO取樣頻率設為500~1KHz能夠滿(mǎn)足系統的要求。圖5為抖動(dòng)的位移示意圖，黑色為原來(lái)的位置，紅色為偏移位置。

　　按Lens的spec可知步進(jìn)馬達每相的移動(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)系統采用PID自動(dòng)控制系統(PID就是比例微積分調節)，如圖7，P(比例)控制是Gyro偵測的抖動(dòng)按比例移動(dòng)CCD,I(積分)控制是調節對時(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補償。通過(guò)調整PID參數,使系統穩定可靠運行,達到設計的目的。同時(shí)也要考慮部件對系統的影響,如Power noise對Gyro sense造成的測試誤差，步進(jìn)馬達能否達到要求的1000pps，Gyro的低通，高通濾波器等等。

　　圖7 PID方塊圖

　　結論

　　CCD防抖技術(shù)可以克服手抖引起的圖像模糊，但不是萬(wàn)能，目前業(yè)界補償的標準也就是安全快門(mén)的2~3級，遇到長(cháng)焦或快門(mén)時(shí)間過(guò)長(cháng)，超過(guò)補償極限時(shí)，帶三腳架拍照才是最有效。

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