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怎样才是优秀的防抖系统?

2018-01-20 14:35:22 | 来源:Soomal | 作者:
光学防抖是基于硬件设计实现的防抖方案,主要又分为机身防抖和镜头防抖两大类。现在手机摄像头使用的多是镜头防抖。基于现阶段的手机镜头的整体表现来看,大部分厂商是不合格的。

来源:Soomal

现在不少中高端手机在镜头中加入了防抖系统,有数字防抖也有光学防抖,还有两者结合的混合防抖系统,各家都会用各种修辞手法变着法子夸自己的手机的弱光成像获得增强。上了防抖系统,效果就一样吗?怎样才是优秀的防抖系统?

什么是数字防抖?

数字防抖我们已经科普过很多很多次,这里再简单说说。

多帧防抖对齐示意

数字防抖即纯算法实现防抖的方案,它通常基于多帧合成。它的基本原理是,单帧拆成多个分帧拍摄,然后对齐合成。假设测光得到了1/20秒,这个值对于一般人来说可能并不安全,会导致手抖,那么多帧防抖机制此时会启动,让摄像头连续拍摄4帧1/80秒的照片,当然,也可能拍摄成4张曝光时间并不等长的照片,然后对齐,对齐示意如图,多帧的交集可以合成一张不抖动的图像。这只是基础的算法,这并不是数字防抖的全部。数字防抖技术作为一种无额外物理成本的方案,深受业界欢迎,比较省钱。数字防抖可以用于静态照片的拍摄也可以用于视频的拍摄。

数字防抖用于视频拍摄时稍有区别,不是多帧对齐,而是前后帧对齐。数字防抖在视频领域,可施展的空间其实更大,因为感光器的像素足够大,拍4K绰绰有余,更别说FullHD,所以,在合成的时候,会有足够大的冗余像素来完成对齐。但是又出现了新的问题,计算量大大增加,至少要跟得上拍摄的需求,燃鹅,能做到的并不多,所以,出现了1080P@30FPS有防抖,到了4K@30FPS防抖就失效了的现象,这是计算力跟不上,或者算法效率低下的结果。

什么是光学防抖?

光学防抖是基于硬件设计实现的防抖方案,主要又分为机身防抖和镜头防抖两大类。现在手机摄像头使用的多是镜头防抖。

Canon 佳能 EF-S 18-55mm IS Ⅱ 镜头 - 防抖组件结构示意图

Canon 佳能 EFS 18-55mm IS 镜头 - 驱动防抖镜片的线圈


我们先来看带有防抖系统的单反镜头内部结构是怎样?这是我们以前拆解过的佳能EF-S 18-55mm IS Ⅱ。可以看到镜头里有个特殊的防抖镜片,其支撑有弹簧,弹簧的作用是让其悬挂以方便位移,弹簧就是其悬挂系统。而驱动系统由磁体和线圈构成,线圈通电就是电磁体,与磁体产生作用力,这样就实现了防抖镜片的姿态调整。线圈的补偿量是可控的,也必须可控,但补偿量也需要计算的,这样才能实现稳定的图像效果,相比数字防抖,光学防抖需要的计算量小的可怜。

Apple 苹果 iPhone 8 Plus 智能手机-后置镜头拆解[图片来自ifixit]

手机镜头的光学防抖的基础原理差不多,没有什么质的不同,但因为手机镜头超级小的特点,也发生了一些变化,手机镜头里通常没有独立的防抖镜片,也没有镜头内部的悬挂系统,而是,整个镜头被悬挂起来,驱动原理不变。整个镜头被悬挂起来的设计,其实更接近理想状态,只是单反没法这么设计而已。

光学防抖也存在差异,有两轴、三轴、四轴、五轴等区别。所谓五轴,即左右和上下的摇摆、水平和垂直的位移以及旋转,二轴是防抖,五轴防抖也是防抖,差别在于驱动系统的复杂性,轴越多,说明驱动系统对镜头姿态的控制能力越强,理论上可以实现更好的防抖效果以及在更多使用场景中实现防抖。

防抖压根就不存在的

光学防抖可以用于静态照片和视频的拍摄,但是,但是,但是,很多手机尤其国产手机的光学防抖系统在视频拍摄时是不起作用的。原因很多,算法不够好,无法快速控制和预测需要控制的姿态,或者,压根就没想过防抖这事。防抖对于不少厂商来说,只是为了增加卖点,而不是为了在技术上解决问题。

什么是混合防抖?

混合防抖即数字防抖和光学防抖相结合的防抖方案。在光学防抖的支持下,分帧的曝光时长可以做到更长,这样合成帧的总曝光时间也更长。iPhone就采用了这种混合防抖机制。

防抖效率才是重要的

采用什么防抖系统,其实不重要。防抖的目的就是为了在实际的弱光拍摄应用中,确保成功率较高的情况下提供更长的曝光时间,这才是防抖真正的意义。我们称之为防抖效率。我们之前测试过不少带有防抖系统的手机,但是,很多手机防抖效率非常低下。

效率低下体现在,具有光学防抖的机型,在实际应用中,只能做到1/17秒的曝光,这种现象其实挺普遍,这也使得光学防抖形同虚设。还有部分手机,在固定的机位,例如三脚架上,可以实现1/4秒、1/6秒曝光,但手持就难以做到或者根本做不到。所谓“难以做到”,指的是,1/4秒、1/6秒这也的长时长的安全快门很少出现,拍个几百张,也只能出现数次。这种情况,也不能视为有效。上到三脚架了,还要防抖作甚。

如何评估防抖效率?

防抖效率是可以量化的,不是玄学。防抖效率和防抖性能正相关,防抖性能好防抖效率自然高。相机行业经常用“档”来描述防抖性能,例如:“5档防抖性能”这样的描述。档即EV。关于EV,可以阅读《EV是什么? 》[作者:夏昆冈 ] 。

Olympus 奥林巴斯 E-M1 微型可换镜头数码相机-0.5秒手持拍摄

制造商=OLYMPUS;型号=E-M1;镜头=OLYMPUS M.75mm F1.8;版权=Soomal;摄影师=Kungang;焦距=75毫米;光圈=F1.8;测光模式=模式;感光度=ISO100;白平衡=自动;对比度=标准;饱和度=高;锐度=强;曝光补偿=-0.3EV;曝光时间=10/20秒;曝光程序=光圈优先;场景类型=标准;日期=2014.03.31 19:25:39

上图采用奥林巴斯E-M1手持拍摄,镜头等效焦距150毫米,而曝光时间0.5秒。对于没有光学防抖的镜头来说,其安全快门值为其等效焦距的倒数,那么等效150毫米的镜头安全快门即1/150秒。如果开启防抖,快门值可以达1/75秒时,说明防抖补偿了一档,即1EV。1/37秒时,补偿即为2EV。1/19秒时,补偿为3EV。1/9秒时,补偿为4EV,1/5时约为5EV。那么,上图的成像,已经实现了6EV+的防抖性能。

Apple 苹果 iPhone X 智能手机-实拍-首都博物馆-积水潭码头复原

制造商=APPLE;型号=IPHONE X;镜头=iPhone X back dual camera 4mm f/1.8;焦距=4毫米;等效焦距=28毫米;光圈=F1.8;测光模式=模式;感光度=ISO160;白平衡=自动;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/4秒;曝光程序=程序模式;场景类型=标准;日期=2017.11.21 15:36:46

Apple 苹果 iPhone X 智能手机-实拍-首都博物馆-传统家居摆设

制造商=APPLE;型号=IPHONE X;镜头=iPhone X back dual camera 4mm f/1.8;焦距=4毫米;等效焦距=28毫米;光圈=F1.8;测光模式=模式;感光度=ISO100;白平衡=自动;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/4秒;曝光程序=程序模式;场景类型=标准;日期=2017.11.21 15:29:53


再以iPhone X为例,其镜头等效焦距约28毫米,它能在手持条件下轻松的实现1/4秒的安全快门,那么,它的防抖性能可达3.5EV,这也是目前手机中最好的防抖性能。三星、Lumia等部分机型可以实现1/7秒的安全快门,且成功率较高,此时,它们实现的防抖性能接近2EV[等效焦距26毫米],这是目前手机镜头防抖次顶级的水平。而很多国产手机,在保证成功率的情况下只能提供1/14秒、1/17秒的安全快门,那么,其防抖性能只能是等于小于1EV。

为什么说某些国产手机光学防抖系统形同虚设?

防抖的意义并不是在于有没有,而是要看性能。通常来说,采用数字防抖系统,能提供约为1EV的性能保证,而手机中的纯防抖系统正常的表现,应该是2EV左右,但很多国产带光学防抖的手机,在正常使用的情况下只能提供1EV的防抖性能,只能说光学防抖系统形同虚设。消费者也不知道防抖性能的评估方法,只是简单的根据厂商文宣盲目跟风说“光学防抖就是好”,1EV的光学防抖性能好在哪里了?还不如纯数字防抖能省点钱。

差距在哪里?

算法,算法和算法。不管是数字防抖还是光学防抖,都依赖于算法,混合防抖系统更是。防抖系统不应该成为花瓶,而应该是工具。1/4秒和1/17秒差2EV,别人用感光度ISO400时,这边需要飚到ISO1600以上,画质自然会出现较大差距。如果硬要上三脚架,都把曝光时间上到1/4秒再去比,这是脱离实际应用,是作弊,对于防抖性能优异的机型不公平。谁用手机拍照还带着三脚架满世界跑的,除非神经病?

什么是优秀的防抖系统?

基于现阶段的手机镜头的整体表现来看,我们认为优秀的防抖系统应该具有以下特征:

  • 1、在手持情况下具有约2EV或更高的防抖性能。
    2、3.5EV其实相比相机的防抖系统差距还很大,我们认为未来可以做到5EV的水准。
    3、在2EV防抖性能的前提下,提供具有实用性的成功率,我们认为是60%以上。
    4、光学防抖机型拍摄弱光场景却大部分以1/17秒完成拍摄,这是浪费钱的防抖系统。26毫米等效焦距的光学防抖机型,应该大部分以1/6秒-1/10秒的快门完成拍摄。
    5、在多种应用下提供防抖支持,例如静态照片和视频拍摄。
    6、视频防抖要具有良好的画面稳定性。
    7、1080@30FPS下可用,4K@30FPS下不可用的防抖系统不足够优秀。 8、……

防抖系统考验的是厂商软硬件结合的硬功夫,从目前来看,

大部分厂商是不合格的

。 

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