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防抖技術的革新 回顧EIS和OIS的防抖原理

454398 ? 來源:cfan ? 作者:cfan ? 2020-12-13 11:19 ? 次閱讀

自從以高通驍龍710為代表的移動平臺被“賤賣”到千元價位開始,性能就不再是智能手機的短板所在。特別是驍龍765G/768G、麒麟820、天璣800/820和Exynos 980/880等新一代中端SoC的普及,更是賦予了5G手機足以滿幀運行《王者榮耀》和《和平精英》等常見3D手游的動力,此時拍照和攝像便成為了提升用戶感知體驗的全新戰場。

而防抖技術,就是能幫助手機廠商在這局部戰場取得優勢的重要籌碼之一,長焦、夜拍和視頻則是最能檢驗其效果的功能模式。

長焦防抖

一款手機要想拍清遠處的風景,必須搭配長焦鏡頭。但是,正如CFan曾在《智能手機的望遠鏡!潛望式長焦鏡頭哪家強?》特別話題中所說,和采用相同結構的主攝相比,長焦鏡頭為了實現更長的焦距,傳感器尺寸通常都比較小,意味著它們的進光量偏小,不適合暗光環境。同時,焦距越長拍攝時的抖動問題就越明顯,一顆合格的長焦鏡頭,必須搭配OIS光學防抖功能。

5X以上潛望式長焦鏡頭必須搭配OIS才能保證拍攝的穩定

夜拍防抖

在光線充足時,絕大多數手機都能“隨手一拍就是好照片”。但是,在光線昏暗的夜晚,則是低素質傳感器的“照妖鏡”,為此幾乎所有手機廠商都推出了所謂的“夜景模式”。其中,最具代表性的就是華為/榮耀手機主打的“AIS手持超級夜景”,該技術最早誕生于P20手機時代,依托于當年麒麟970芯片內集成的NPU單元,無需聯網就能在手機端進行實時的AI手持檢測、AI光線檢測、AI防抖處理,最后實現AI圖像合成。哪怕沒用三腳架固定,也能一鍵呈現漂亮清晰的夜景照片。

視頻防抖

視頻防抖主要以EIS電子防抖和OIS光學防抖為主,前者屬于軟件算法,在AI技術的加持下效果越來越好。而OIS源于特殊結構的鏡頭硬件,可以帶來更趨完美的防抖能力。如今,采用EIS+OIS的HIS混合防抖技術組合正在成為中高端手機的潮流趨勢,兼顧軟硬防抖的優點。

需要注意的是,在錄制視頻時,開啟EIS電子防抖或HIS混合防抖功能后,取景畫面邊緣的部分內容會被自動“剪裁”,而這些被剪裁掉的畫面就是用于補償抖動的素材。為了減少開啟防抖技術就大幅減少視頻畫面的問題,以華為P40 Pro和OPPO Reno4 Pro為代表的手機在開啟視頻防抖技術時,超廣角鏡頭會接替原本屬于主攝的錄制任務,由于超廣角鏡頭默認的取景畫幅更大,所以經過EIS裁切之后畫幅損失相對較少,有效保證了取景畫面。

使用超廣角鏡頭搭配超級視頻防抖功能是未來的發展趨勢

防抖技術的革新

隨著競爭的日趨激烈,幾乎所有的新款5G手機都支持EIS、OIS、AIS、HIS其中的一種或多種。在技術趨于同質化的今天,“人無我有,人有我優”的精神自然就更加值得提倡了。而vivo X50 Pro主打的微云臺超感光鏡頭,就是這一態度的真實展現。

回顧EIS和OIS的防抖原理

CFan在過去曾經介紹過,EIS屬于“軟件派”,它通過每一部手機必備的加速度和陀螺儀傳感器偵測手機抖動的幅度,并借助SoC內集成的ISP和NPU單元的計算力動態調節ISO、快門和成像算法來做模糊修正,ISP和NPU越先進,最終的成像和防抖效果就越出色。

OIS光學防抖功能屬于EIS的升級版,智能手機常用的OIS都是依靠磁力包裹懸浮鏡頭(準確來說是鏡頭內的鏡片),鏡頭內的陀螺儀偵測到微小的移動,并且會將信號傳至ISP即時計算需要補償的位移量,然后通過電磁力驅動懸浮的鏡頭朝相反方向位移,從而使光路保持穩定,有效克服因手機的振動產生的影像模糊問題。

在OIS背后,還存在滾珠防抖、彈簧防抖、懸絲防抖等不同的技術流派,在手機晃起來拍視頻時鏡頭內會傳出不同的快板聲,限于篇幅本文就不再贅述了。

總之,EIS和OIS一個靠“算”,一個靠“動”,顯然還是更賣力的OIS效果更好一些。但是,OIS光學防抖懸浮的鏡頭依舊不夠完美,比如其運動的自由度被限制在了XY平面內,防抖角度只有正負 1°左右,僅能實現小范圍的平移運動。因此,OIS應付小幅振動壓力不大,但遇到大幅的手抖就難以補償了。此外,OIS懸浮的鏡頭和內部的CMOS有時會出現運動幅度不一的情況,從而出現畫面上的損失。

淺析微云臺超感光鏡頭

從本質上來看,微云臺技術和OIS光學防抖比較像,但OIS光學防抖只實現了鏡頭的懸浮,而微云臺技術則是將整套相機模組給懸浮起來,從而改變了防抖作用的維度。

根據vivo的官方資料來看,微云臺鏡頭模組包括限位機構、雙滾珠懸架、鏡頭、音圈馬達、雙S型FPC排線、T-FPC、磁動力框架以及保護蓋構成,可實現X軸、Y軸雙軸轉動。

它利用陀螺儀測量出手機抖動方向和位移,利用洛倫茲力控制相機模組,進行反向運動補償,通過不斷調整,保持畫面穩定。但由于其結構更加復雜,所以整體面積約為普通主攝平均占版面積的5倍、潛望式攝像頭的3.2倍,是云臺實現小型化的難點,也是業內面對的主要挑戰。

為了解決這個問題,vivo采用異形結構磁動框架堆疊方式,最終實現了微云臺鏡頭的小型化:363平方毫米的占板面積,(模塊)厚度僅有4.5mm,而且它采用雙S型FPC排線,經過上百次制具調整,(排線)厚度僅有0.07mm。

從X50 Pro的內部結構來看,其采用的微云臺超感光鏡頭所占的空間相當于其他3顆鏡頭的總和,但也遠遠小于最初的設計,達成了小型化的既定目標。

由于微云臺是整套相機模組都處于懸浮狀態,可實現更多方向的防抖校正,而且它的轉動角度更是高達正負3°,是傳統OIS光學防抖的3倍,整套相機模組和CMOS傳感器的運動幅度整齊劃一,足以抵消大幅振動對拍攝畫面穩定性的影響。

視頻夜拍兩相宜

得益于全新的結構和更大的補償角度,我們可以將微云臺鏡頭視為更完美的OIS鏡頭,可以獲得超預期的視頻防抖能力。但細心的朋友應該已經發現了,vivo在宣傳X50 Pro的這顆鏡頭時還用了“超感光”這個關鍵詞。

還記得哪家手機廠商最喜歡主打“超感光鏡頭”嗎?沒錯,就是華為和榮耀,它們所搭配的RYYB傳感器的手機就喜歡突出“超感光鏡頭”這一賣點。

X50 Pro的這顆鏡頭之所以也具備“超感光”的特性,是因為vivo為其準備了全新定制的IMX598傳感器(1/2.0英寸),且搭配了f/1.6大光圈,感光性能較之主流的f/1.8更好。此外,微云臺結構的更強防抖能力可以讓相機APP在拍照時獲得更長的曝光時間,而且X50 Pro在低光環境下還能觸發極夜算法,應用RAW域AI降噪算法拍攝出清晰、噪點少的圖片。根據vivo實驗室提供的數據,微云臺的防抖暗光成片能力是無光學防抖的12.5倍,普通光學防抖暗光成片能力的2倍。

體積依舊是最大缺陷

總的來說,微云臺超感光鏡頭賦予了vivo X50 Pro更極致的防抖能力,3倍于傳統OIS的光學防抖能力意味著更長的安全快門時間,捕捉更多環境光線,哪怕不借助多幀合成算法也能獲得更加清晰明亮的暗光畫面。

但是,就傳感器的底層素質而言,vivo X50 Pro所搭配的索尼IMX598依舊屬于中檔級別,缺少了“底大一級壓死人”的先天傲骨。因此,與其同期發布的X50 Pro+所采用的三星ISOCELL GN1就成為了讓人羨慕嫉妒恨的存在,后者的傳感器尺寸達到了破天荒的1/1.3英寸,擁有5000萬像素值,支持Dual PD和Tetracell技術,單像素1.2μm(四合一等效像素面積2.4μm),其各項指標足以媲美索尼專為華為P40系列定制的旗艦級IMX700傳感器。

vivo X50系列參數對比

可惜,微云臺鏡頭技術并不適合這種“大底”傳感器,我們不妨看看vivo X50 Pro的微云臺鏡頭實物大小,它已經算是智能手機可以容納的相機模組的體積極限了,除非你能忍受更厚重的機身設計,否則短期內應該是看不到ISOCELL GN1+云臺結構的可能。

當然,我們也希望微云臺鏡頭可以繼續朝著微型化的方向再進一步,并最終實現旗艦級傳感器的“云臺夢”。
編輯:hfy

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