拍片不糊　視頻不晃　淺析手機(jī)防抖的那些事兒

拍片變糊的原因

首先我們需要明確一個(gè)觀念，哪怕是專(zhuān)業(yè)的射擊運(yùn)動(dòng)員，在心跳的影響下身體也會(huì)不由自主地輕微抖動(dòng)，能將持槍射擊瞬間的手抖幅度降低到多少，將決定最終的射擊成績(jī)。久經(jīng)訓(xùn)練的專(zhuān)業(yè)人士尚且如此，作為普通人的我們，拿著手機(jī)拍照的瞬間自然也難以擺脫手抖的影響。

一般來(lái)說(shuō)，只要環(huán)境光線(xiàn)足夠好，拍照時(shí)手稍微穩(wěn)一點(diǎn)就能拍出清晰的照片。然而，拍照的最佳時(shí)機(jī)總是轉(zhuǎn)瞬即逝，比如抓拍的瞬間就最難控制手抖，也是最容易“拍糊”的拍照?qǐng)鼍?。此外，?dāng)光線(xiàn)不足時(shí)（如夜晚或暗光場(chǎng)景），較慢的快門(mén)速度會(huì)成倍放大手抖的影響。在焦距變長(zhǎng)時(shí)（如進(jìn)入2X、5X、10X變焦模式），一點(diǎn)點(diǎn)的抖動(dòng)更會(huì)帶來(lái)遠(yuǎn)端的大幅度變化（圖1），在拍糊之余還容易丟失對(duì)焦的目標(biāo)。

如果你在拍照時(shí)常因手抖而“糊片”，在拍攝視頻，特別是追蹤拍攝動(dòng)態(tài)場(chǎng)景時(shí)將更難控制鏡頭的抖動(dòng)，而預(yù)覽晃來(lái)晃去的視頻不僅嚴(yán)重影響觀感，看久了還會(huì)引發(fā)頭暈等健康問(wèn)題。為了最大限度降低因手抖而產(chǎn)生的照片變糊或視頻中鏡頭晃動(dòng)的影響，“防抖技術(shù)”就成為了每一款智能手機(jī)必須掌握的技能，否則都沒(méi)有資格再被賦予“新品”的身份。

CFan過(guò)去曾介紹過(guò)和拍照相關(guān)的防抖技術(shù)，本文我們將重點(diǎn)介紹一下防抖技術(shù)在拍攝視頻時(shí)的原理和意義。

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免費(fèi)的EIS大餐

本刊在2019年第19期《破億不是夢(mèng)理性看待手機(jī)攝像頭的像素值》一文中曾提到過(guò)“超像素技術(shù)”，通過(guò)軟件層面的算法，讓1600萬(wàn)像素?cái)z像頭拍出6400萬(wàn)像素的照片。既然軟件工程師可以通過(guò)代碼讓手機(jī)拍出更高像素的照片，那能不能利用代碼終結(jié)“防抖主要靠手”的時(shí)代呢？

答案自然是肯定的。在很多年以前，智能手機(jī)領(lǐng)域就流行起了一種名為“EIS”的電子防抖技術(shù)，這是一種通過(guò)代碼，也就是軟件算法實(shí)現(xiàn)的防抖能力。其原理是利用每一款智能手機(jī)都必備的“加速度傳感器”（G-sensor）和陀螺儀（絕大多數(shù)新款手機(jī)都有）模塊偵測(cè)手機(jī)抖動(dòng)的幅度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)ISO、快門(mén)和成像算法來(lái)進(jìn)行模糊修正。隨著手機(jī)硬件性能的不斷提升和相關(guān)算法的不斷成熟，電子防抖技術(shù)已經(jīng)可以較為完美地保證照片不糊了一很多新款手機(jī)所支持的“手持超級(jí)夜景”，即沒(méi)有三腳架也能拍攝更亮更具細(xì)節(jié)的夜景照片，就是電子防抖技術(shù)的一種終極演化形式（圖2）。

隨著抖音等APP的興起，短視頻拍攝已經(jīng)成為智能手機(jī)的下一個(gè)“燃點(diǎn)”功能，而電子防抖技術(shù)也逐漸針對(duì)視頻拍攝貢獻(xiàn)力量。但是，拍攝視頻和拍攝照片不同，前者想要使用電子防抖需要建立在犧牲部分畫(huà)面的基礎(chǔ)上——大家可以打開(kāi)手機(jī)上的相機(jī)APP，從“拍照”切換到“錄像”功能時(shí)，后者的取景畫(huà)面是不是被“放大”了（圖3）？

電子防抖模式下的視頻拍攝，只有位于取景框中心的畫(huà)面才是有效內(nèi)容，邊緣部分的畫(huà)面則被自動(dòng)“剪裁”（拍攝照片時(shí)也是如此，只是剪裁損失的畫(huà)面比例更小）。需要注意的是，裁切的畫(huà)面內(nèi)容并沒(méi)有被“丟掉”，相機(jī)APP會(huì)根據(jù)陀螺儀記錄的手機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)攝像頭的抖動(dòng)進(jìn)行反向補(bǔ)償，而被剪裁掉的畫(huà)面內(nèi)容就是用于補(bǔ)償?shù)乃夭摹?/p>

換句話(huà)說(shuō)，電子防抖最大的問(wèn)題就是畫(huà)面裁切，只是在更高像素廣角鏡頭漸成主流、AI算法越加先進(jìn)的今天，它已經(jīng)可以保留更多畫(huà)面內(nèi)容，在拍攝相對(duì)穩(wěn)定的視頻內(nèi)容之余還支持更高分辨率和幀數(shù)的超高清模式錄制。但是，這種技術(shù)仍然無(wú)法解決較大抖動(dòng)導(dǎo)致的畫(huà)面被拉伸后的變形問(wèn)題，畢竟它屬于通過(guò)一段代碼就能實(shí)現(xiàn)的功能，這種“零硬件成本”的解決方案必定存在局限性。

那么，如何才能拍攝更加穩(wěn)定的視頻內(nèi)容呢？

云臺(tái)防抖了解一下

從斯坦尼康系統(tǒng)開(kāi)始，全世界的攝影師都在尋找更好的防抖技術(shù)與更輕便的操作平臺(tái)，而手持云臺(tái)的出現(xiàn)就成為了最理想的解決方案之一（圖4），它能幫助智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和運(yùn)動(dòng)相機(jī)等一切固定在其上的視頻拍攝設(shè)備獲得幾近完美的防抖性能。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，絕大多數(shù)手持云臺(tái)都內(nèi)置多軸（普遍為三軸）陀螺儀和多軸加速度傳感器，同時(shí)還配有X、Y、Z三個(gè)軸向的電機(jī)。在內(nèi)置算法的控制下，手持云臺(tái)可以根據(jù)手機(jī)重量驅(qū)動(dòng)手機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需要輸出的電機(jī)力度，并利用傳感器不斷檢測(cè)手柄部分出現(xiàn)的抖動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)窒直糠侄秳?dòng)對(duì)錄制畫(huà)面造成的影響（圖5）。

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可惜，手持云臺(tái)屬于體型較大的外設(shè)，無(wú)論是日常攜帶還是安裝固定手機(jī)都很麻煩。俗話(huà)說(shuō)“打鐵還需自身硬”，智能手機(jī)為何不能天生自帶云臺(tái)的“Buff”？

來(lái)自O(shè)IS的誘惑

就好像變焦技術(shù)存在數(shù)碼（電子）變焦和光學(xué)變焦一樣，防抖技術(shù)領(lǐng)域也有EIS電子防抖和“OIS”光學(xué)防抖之別。當(dāng)手機(jī)的攝像頭和OIS技術(shù)聯(lián)姻之后，無(wú)論是拍照還是錄制視頻都能更大程度抵消來(lái)自手抖的威脅，讓拍攝的照片和視頻更加趨近完美。

如果說(shuō)EIS電子防抖效果考驗(yàn)的是來(lái)自代碼的“軟實(shí)力”，那OIS光學(xué)防抖則是需要軟硬結(jié)合的“硬指標(biāo)”。

我們都知道，智能手機(jī)的每一顆鏡頭都是由電路板、CMOS傳感器、固定支架、鏡片、光圈等諸多部件構(gòu)成（圖6）。想要獲得OIS光學(xué)防抖功能，需要在鏡頭內(nèi)部加裝可以向多個(gè)方向移動(dòng)的微型馬達(dá)。在我們使用相機(jī)APP拍照/錄制視頻時(shí)，系統(tǒng)可以將陀螺儀和加速感應(yīng)器監(jiān)測(cè)出的實(shí)時(shí)抖動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，OIS控制驅(qū)動(dòng)器會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出傾斜導(dǎo)致的圖像偏移量，再將結(jié)果反饋給馬達(dá)，讓其以和預(yù)測(cè)圖像偏移量大小相同但方向相反的位移量推動(dòng)傳感器移動(dòng)（圖7），從而將手抖造成的圖像偏移抵消掉。

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沒(méi)錯(cuò)，我們可以將支持OIS的鏡頭理解為內(nèi)置云臺(tái)的攝像頭模組，由于微型馬達(dá)和相關(guān)的控制電路非常占用空間，所以這種OIS鏡頭的尺寸較之傳統(tǒng)傳感器但不支持OIS的鏡頭大了一圈（圖8）。需要注意的是，都是OIS鏡頭，但大家的光學(xué)防抖性能依舊可能存在差距，而影響它們防抖能力的因素主要包含以下幾個(gè)方面。

1“多軸”之爭(zhēng)：內(nèi)置馬達(dá)可以向哪些方向進(jìn)行位移？雙軸可抵消X、Y兩個(gè)反向的抖動(dòng);三軸可以抵消X、Y、Z三個(gè)方向的抖動(dòng);四軸可實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、前傾、側(cè)傾八個(gè)方向的全方位修正抖動(dòng);五軸則可抵消橫向位移、縱向位移、上下?lián)u擺、左右搖擺和Z軸旋轉(zhuǎn)。光學(xué)防抖支持的軸越多，意味著這款手機(jī)可以抵消更多方向的抖動(dòng)。

2傳感器性能：智能手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器和陀螺儀傳感器也有高低檔次之別（圖9），比如靈敏度、工作頻率等等。頻率越高越靈敏的傳感器，可以收集更精準(zhǔn)的抖動(dòng)信息，從而讓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)更精確的位移修復(fù)。

3光學(xué)防抖算法：協(xié)調(diào)軟硬件之間的算法，一般只有官方自帶的相機(jī)APP才能確保防抖體驗(yàn)，第三方APP取得拍照或視頻錄制權(quán)限后，可能無(wú)法進(jìn)一步調(diào)用OIS馬達(dá)模塊。

在手機(jī)以拍照為主要用途的時(shí)代，OIS技術(shù)主要用于旗艦手機(jī)身上的“主攝”;隨著更多消費(fèi)者開(kāi)始關(guān)注變焦拍照，很多旗艦機(jī)開(kāi)始傾向?qū)IS技術(shù)從主攝轉(zhuǎn)移到“長(zhǎng)焦”鏡頭;在視頻開(kāi)始流行的今天，OIS技術(shù)又有了從長(zhǎng)焦鏡頭回歸主攝的趨勢(shì)，而少數(shù)產(chǎn)品還會(huì)采用更豪華的“雙OIS”矩陣，即主攝和長(zhǎng)焦鏡頭都支持OIS，高端代表有蘋(píng)果iPhone 11，中端代表則以榮耀V30 PRO為主。

協(xié)同作戰(zhàn)是趨勢(shì)

隨著最新傳感器和擁有更強(qiáng)AI性能SoC的普及，業(yè)內(nèi)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為EIS電子防抖技術(shù)就已經(jīng)足夠，強(qiáng)上OIS純屬浪費(fèi)。實(shí)際上，這是一種非常不負(fù)責(zé)任的態(tài)度。說(shuō)OIS馬達(dá)會(huì)顯著增加攝像頭模塊體積，導(dǎo)致手機(jī)鏡頭變厚純屬敷衍，OIS尚未普及的根源還是源于更高的成本——小學(xué)生才會(huì)從OIS和EIS中二選一，真正的玩家絕對(duì)會(huì)表示“我全要”！

原因很簡(jiǎn)單，想要視頻不糊，光靠EIS電子防抖是肯定不夠的。在過(guò)山車(chē)、騎行、奔跑等可能存在大幅抖動(dòng)的視頻錄制過(guò)程中，單靠OIS光學(xué)防抖也難以確保完美。因此，在智能手機(jī)領(lǐng)域EIS+OIS結(jié)合的“HIS”混合防抖將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

以O(shè)PPO Reno2為例，其主打的Ultra Steady視頻超級(jí)防抖技術(shù)的本質(zhì)其實(shí)就是HIS混合防抖，而且該產(chǎn)品還引入了多源傳感器信息融合和防抖場(chǎng)景智能分析技術(shù)，并將陀螺儀的頻率從傳統(tǒng)的400Hz提升到了800Hz，能夠更加靈敏地感應(yīng)手機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)視頻拍攝中的超級(jí)防抖（圖10）。

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