數碼相機防抖技術及檢測方法進展

王瀟瀟,譚 山,黃 鋒

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州,510663）

數碼相機防抖技術及檢測方法進展

王瀟瀟*,譚 山,黃 鋒

（廣州計量檢測技術研究院，廣東廣州,510663）

本文通過對相關國內外專利及文獻的檢索，綜述了近年來數碼相機防抖技術的進展， 包括機械防抖和數字防抖技術；同時報道了防抖性能檢測技術的最新動態，提出防抖技術及檢測方法領域的發展趨勢。

數碼相機；防抖技術；減震技術；防抖檢測

0　前言

在攝影實踐中，無論是數碼相機或傳統的膠片相機，拍攝者的抖動均會造成影像模糊。醫學上,這種發生在所有健康個體中有節奏的、不自覺的肌肉收縮現象,稱為生理震顫。該種生理現象人類無法克服，因此，為了得到更優質的影像效果，實現最大程度的影像還原，攝影產品的防抖技術應運而生。隨著數碼影像技術的不斷發展，數碼相機日益輕便化、小型化、模塊化，加之數碼相機消費市場的迅速擴大，使得拍攝者越來越向大眾化方向發展，因此，在數碼相機中應用防抖技術成為一種趨勢，而對于防抖技術的不斷優化與創新隨之成為當今數碼影像界的研發熱點。各國相關企業及研究機構為此做了許多有意義的工作，由于該領域的技術發展可以影響市場取向，產生直接的經濟利益，因此數碼相機的防抖技術多以專利的形式出現。李晶等人檢索了2012年6月以前在中國申請的相機防抖技術專利文獻，主要從專利分布角度介紹這一領域中國專利的現狀和發展趨勢，總結出相機防抖技術專利的特征。本文鑒于該領域的國際化特點，通過國內外相關期刊文獻及專利文獻的分析，從技術角度綜述了數碼相機防抖技術的進展，并對數碼相機防抖性能檢測技術的最新動態進行了報道。

1　數碼相機防抖技術進展

各個廠家開發的防抖系統和方法多種多樣，總結起來主要分機械防抖系統和數字防抖系統兩類。機械防抖（又稱光學防抖）又可分為鏡頭防抖和傳感器防抖。 鏡頭防抖是在鏡頭中設置防抖補償鏡組，根據相機的抖動方向和程度，調整鏡組位置和角度，使光路保持穩定。傳感器防抖是依靠移動成像傳感器來補償抖動造成的光軸偏移，是一類新穎的機械防抖方式。對于數字防抖系統，有廠商采用提高ISO的方式，使快門可以在感受抖動之前完成拍攝，此種機制會帶來更高的噪點，且不屬于嚴格意義上的相機防抖機制，因此，本文中的數字防抖系統主要指算法補償防抖技術。

1.1機械防抖（光學防抖）系統

尼康公司1994年推出的VR（Vibration Reduction）防抖技術袖珍相機和第二年佳能推出的IS（Image Stabilizer）防抖系統鏡頭，是業界公認的全球開發最早、影響力最為廣泛的兩大光學防抖系統，其原理都是利用鏡頭中浮動鏡片糾正“光軸偏移”，由檢測部分、補償振動鏡片組和驅動控制部分組成，鏡頭中的陀螺儀（角速度傳感器）檢測到鏡頭光軸的晃動，數據經過微處理器的運算，實時修正鏡頭內部的鏡片位置，有效減少外部振動對最終相機成像造成的影響。此種方案可從取景器中直接觀察防抖效果，從而獲得清晰的影像。柯尼卡美能達研發的CCD AS（AntiShake)技術，是通過對成像傳感元件進行機械支架浮移處理以補償振動，是傳感器防抖技術的代表。為了使機械防抖系統的響應時間更短，體積更小，圖像還原更準確，成本更低，各制造商及科研機構在驅動器的開發、運動傳感器的研制、控制電路的設計，透鏡組的布置，處理算法的優化等眾多方面做了大量的工作。

1.1.1光學元件驅動器

光學元件（包括棱鏡組和光學傳感器）的驅動有多種方式，主要有音圈馬達（VCM)和壓電（PZT)驅動器等。Yu HC等人報道了用于機械光學防抖系統的VCM驅動棱鏡裝置。該裝置為四個球軸承的對稱結構，其雙軸穩定時間小于0.03 s，增加的推力球軸承減少了移動部件與固定部件的摩擦力，使驅動電流小于5 mA，圖1為系統設置示意圖。Yeom等人研究了基于CCD移動的光學防抖驅動器裝置，該裝置為四個球軸承的非對稱VCM結構。Song等人利用調整棱鏡組原理，采用柔性運動機制，將音圈驅動光學防抖器應用于移動電話成像模組中。Kim等人研究了由四個球軸承和一個樞軸軸承組合的混合VCM光學防抖驅動器，其半徑方向和切線方向的交流靈敏度分別為1.91 G/V和2.17 G/V。Richard J.Topliss等人在2015年授權的專利中，公開了基于VCM的棱鏡模組，該模組既包含了可雙向調節鏡頭的OIS系統，又融合了可三維調節的自動對焦功能，可用于小型化的手機拍攝模組。

圖1　. 系統設置示意圖

音圈馬達驅動器產生響應的驅動電壓較低，成本低廉，近年來在光學防抖領域受到關注。而壓電（PZT）驅動器在響應時間、可靠性及體積上的優勢，也吸引了眾多研究者的目光。Kauhanen和Rouvinen等人研究了雙壓電晶片彎曲制動器在移動電話光學防抖模塊中的應用。Hyun Phill Ko等人在美國專利US8405921中公開了一種壓電致動器，其能夠簡化鏡筒的致動機構，并通過改變壓電促動器的設計提高動作的可靠性。柯尼卡美能達的CCD防抖系統（Anti-shake System）中也采用了壓電制動的方式。圖2是美能達壓電制動器的原理圖。多個壓電驅動器序列（圖2-31）附著在具有移動滑塊（圖2-4a）的橫桿（圖2-32）上。成像傳感器置于滑塊上，壓電單元的膨脹與收縮實現了CCD在橫桿上的移動。

圖2　美能達壓電制動器原理圖

1.1.2運動感測元件

MEMS（Micro Electro-Mechanical Systems）技術及光刻技術的發展實現了陀螺儀和加速度計兩種慣性傳感器的小型化和經濟化，使其成為數碼相機及手機攝影模組抖動探測的重要部件。對于陀螺儀的小型化，另一個重要原因是振動陀螺儀技術的產生，其無需機械軸承支持，由振動元件代替轉子，大大節省了空間，使防抖系統在小型相機甚至手機上的應用成為可能。Analog Devices Inc. 公司推出的ADXRS系列集成角速度傳感陀螺儀，將振動單元聯接于多晶硅框架上，使其僅能對一個方向產生共振。硅電容式傳感器與固定硅束相互交叉于基質上，用以測試振動單元及其框架的科里奧利位移，其外觀如圖3所示，可以滿足2軸和3軸的應用需求，靈敏度達到0.018°／s／LSB。韓國首爾國立大學2000年研制的基于體-表混合工藝的單晶硅陀螺儀，其厚度為40μm，分辨率為9°hr-1Hz-1／2。卡耐基梅隆大學（CMU）報道的基于post-CMOS工藝的MEMS陀螺儀利用CMOS斬波穩定技術，分辨率達到0.02°s-1Hz-1／2。He G等人開發的基于體硅加工工藝的振動環型單晶硅陀螺儀，厚度為150μm，其分辨率達到10.4°hr-1Hz-1／2。我國清華大學、北京大學、中科院微系統所等院校及科研單位也相繼展開了MEMS微陀螺儀技術的研發工作。清華大學導航與控制研究組的陀螺儀高精度靜電技術，使姿態漂移僅為每小時萬分之五。雖然目前圖像穩定系統中運動檢測以使用MEMS陀螺儀為主流，但在特定的情況下采用MEMS加速度計也是一種有效的解決方案。根據原理不同MEMS加速度傳感器主要分為電容式、壓阻式、壓電式、隧道電流式和熱對流式等。目前市場上商業化的加速度計主要是采用壓阻式、電容式和熱對流式。日系廠商主要采用壓阻式技術，ADI、ST等歐美廠商則采用電容式技術，對流式的代表廠商則為MEMSIC。

圖3　ADI公司iMEMS ADXRS角速度陀螺儀外觀圖

1.1.3感光元件及光路

2014年，Brian K.Guenter等人在曲面傳感器上增加防抖功能的攝影模組獲得專利授權。2012年以來，包括索尼、柯尼卡美能達、東芝等廠家相繼推出了曲面傳感器的相關專利。曲面傳感器的出現，最直接的優勢是解決了廣角鏡頭畸變和邊緣分辨率不足的問題，降低了鏡頭設計和制造的難度，同時，鏡頭結構的簡化也為攝影模組的進一步小型化、輕薄化提供了契機。基于曲面傳感器的防抖功能，其主要設計思路是陀螺儀偵測到相機運動數據，控制器使曲面傳感器繞其曲率中心做旋轉，在一個或多個方向補償相機的抖動，原理示意圖見圖4。

圖4　根據相機抖動方向曲面傳感器進行旋轉補償的示例圖

1.2數字防抖系統

數字防抖就是根據相機抖動的情況，在數據取樣和圖像合成時，通過軟件計算的方式來彌補抖動所帶來的影響。數字圖像穩定技術（也稱數字防抖）可通過兩個階段得以實現：運動評估、運動補償。各種方案的創新均源自這兩個階段的不同處理算法。目前運動評估主要包括基于特征的方法和基于像素的方法。特征提取法的運算速度雖然比直接像素法快，但該方法更傾向于局部特征的辨識，其運算效率取決于特征點的選取，因此其在無意識的抖動應用中具有局限性。由于直接像素法測量的是每個像素的貢獻，因此它可以得到運動評估的最優化信息。為了克服運算速度的缺陷，可采用基于圖像金字塔的分層技術或者圖像函數的泰勒級數展開法作為全像素分析的替代法。運動補償是通過動態評估單元提供的動態參數進行影像的行、列重組，從而實現穩定影像的過程。利用最小絕對差（MAD）或最小平方差（MSE)的全搜索（FS)頁框匹配法（Frame matching)是當前較為有效的運動補償算法，但此類方法運算量大，往往需要強力的處理核心來實現。

2　數碼相機防抖檢測技術進展

在數碼相機防抖技術不斷發展的背景下，防抖檢測技術的研發顯得不甚突出。但為了滿足研發需求及產品檢測需要，部分科研院所、檢測機構及企業對數碼相機防抖性能檢測技術也進行了不同程度的研究。科隆大學的圖像科學與媒體技術系，針對拍攝者的抖動評價和相機防抖性能檢測做了較為系統的研究。他們選擇年齡在17-35歲的健康個體，對單反相機和消費相機（包括液晶取景拍攝和光學取景器拍攝） 進行拍攝，測試抖動幅度，結果如圖5所示。因此其隨后研究的防抖測試儀振幅上限被設定為0.6 °。

對于手持相機的抖動頻率，有文獻報道其活躍峰值在8-12Hz。松下公司的測試結果表明，抖動頻率與振幅具有相關性，手部抖動的頻率越高，其振幅越小（見圖6）。Ricoh等人也得到了同樣的結果，這說明低、中頻率的抖動對影像清晰度的影響更為明顯。因此，目前防抖檢測裝置振動頻率的設置上限一般不超過15Hz。

圖6　圖像抖動頻率分析結果示意圖

Borys Golik等人研制的防抖檢測裝置（振動部件如圖7所示），其框架由水平和垂直方向的兩個旋轉軸組成。分別在固定頻率不同振幅（10Hz-0.1°、0.2°、0.3°、0.4°、0.5°）及固定振幅不同頻率下（0.2°-1Hz、3Hz、5Hz、8Hz、10Hz、13Hz、15Hz），數碼相機對分辨率測試圖進行拍攝，通過分析所得圖像的MTF值得出該相機的防抖性能。

圖7　防抖檢測裝置振動部分

圖5　測得最大振幅的平均值示意圖

目前，國內對防抖性能檢測的研究并不多見，但2013年發布的GB／T 29298-2012 《數字（碼）照相機通用規范》首次將防抖性能列入檢測規范。規范規定的檢測設備包括：ISO12233規定的視覺分辨率測試卡、振動裝置及配置圖像處理軟件的計算機。其中振動裝置的頻率及振幅分別設定為5 Hz和±0.1°，在此條件下，數碼相機對分辨率測試圖進行拍攝，通過圖像分析最終得到防抖性能的評價。

3　結語

數碼相機的防抖技術在光路補償和CCD移動補償的思路下，一直沒有新突破。但在材料科學的推動下，微電子技術不斷發展，使得機械防抖技術在器件的集成化、小型化、穩定性、經濟性方面產生了飛躍。目前的防抖技術不僅僅只應用于高端相機，普通的消費級相機也具備了光學防抖功能，甚至具有攝影模組的移動電話也開始運用光學防抖技術。因此，防抖元件的經濟化、小型化成為目前研究的熱點。而由于數字防抖技術對硬件開發的依賴性較小，也吸引了許多研究者的目光，期望隨著運算速度的不斷提升、算法的不斷開發優化，可將該技術由動態影像防抖逐步向靜態影像防抖領域發展。

防抖檢測技術的研究對防抖技術發展、產品性能優化具有推動作用。當前的技術集中在依托振動設備測試相機分辨率的方案上。其中設定合理的振動頻率及振幅成為評估相機防抖性能的前提，研制多方向多模式的振動機制成為防抖檢測技術的關鍵。

[1] 李晶，李婉怡，盧浩；相機防抖技術的專利分析[J]；電視技術；2012，36（S2），64-66。

[2]Yu HC, Liu TS；Design of a slim optical image stabilization actuator for mobile phone cameras[J]；Phys Status Solidi；2007 C 4(12): 4647–4650.

[3]Yeom DH；Optical image stabilizer for digital photographing apparatus[J]；IEEE Trans Consumer Electron；2009 55(3):1028–1031。

[4]Song MG, Hur YJ, Park NC, Park YP, Park KS, Lim SC, Park JH; Development of small sized actuator for optical image stabilization. IEEE Trans Magn; 2009 (7):152–157

[5]Song MG, Baek HW, Park NC, Park YP, Park KS, Lim SC; Development of small sized actuator with compliant mechanism for optical image stabilization. IEEE Trans Magn; 2010, 46(6):2369–2371

[6]Kim C, Song MG, Park NC, Park YP, Park KS, Song DY；Design of a hybrid optical image stabilization actuator to compensate for hand trembling；Microsyst Technol；2011， 17(5):971-981

[7] Richard J.Topliss; VCM OIS actuator module; US 9134503B2[P], 2015.9.15.

[8]Kauhanen P, Rouvinen J；Actuator for miniature optical image stabilizer[J]；In: IEEE trans magnetics, 10th international confer-ence on new actuators（2006），pp 549–552

[9]Hyun Phill Ko; Won Seob Oh, Jae Hyuk Park; Piezo actuator and lens actuating module using the same; US:8405921 [P], 2013.3.26.

[10] Hirota Toshihiko, Tanaka Yoshiharu; Camera with shake correction mechanism; US: 7471886[P], 2008.12.30.

[11] Geen John A.; Micromachined gyroscope; US 6877374[P], 2005.4.12

[12] Geen John A., Carow Donald W.; Micromachined gyros; US 6122961[P], 2000.9.26

[13] Geen John A.; Feedback mechanism for rate gyroscopes; US 6470748[P], 2002.10.29.

[14] Geen John A.; Apparatus and method for calibrating MEMS inertial sensors；US 8701459[P],2014.4.22

[15] Lee S, Park S, Kim J, et al. Surface/bulk micromachined single-crystalline

-silicon micro-gyroscope[J]. IEEE/ASME Journal of Microelectromechanical Systems, 2000, 9(4):557-567

[16]Luo H, Zhu X, Lakdawala H, et al. A copper CMOSMEMS z-axis gyroscope[C]. The 15th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2002. 631-634

[17] He G, Najafi K. A single crystal silicon vibrating ring gyroscope[C]. 15th IEEE

International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2002. 718-721

[18] 楊海軍，滕云鶴，郭美鳳，等. 環形激光陀螺儀的機械抖動控制及信號讀出的研究 [J].清華大學學報(自然科學版),1998,38(11):33-35.

[19] 蘇小波，振動環型MEMS陀螺儀的研究與相關設計[D]，無錫：江南大學；2011.

[20] Geen, J., Krakauer, D.；New iMEMS Angular-Rate-Sensing Gyroscope [EB/OL]；[2003.3][2014.6]； http://www. analog.com/library/analogdialogue/archives/37-03/ gyro.html

[21] Brian K.Guenter, Redmond, WA(US); Neel S. Joshi, Seattle, WA(US); Anti-shake correction system for curved optical sensor; US 8699868 B1[P], 2014.4.15.

[22] Itonaga Soichir；Solid-state imaging device and electronic equipment; JP, 2012-182194 A [P].

[23] Suzuki Kazuhiro,Ueno Risako, Kwon Honam, Kobayashi Mitsuyoshi, Funaki Hideyuki; Solid state imageing device, solid state imaging element, and method for manufacturing solid state imaging element; JP 2013-084880,A[P].

[24] Sato Masae, Ozaki Yuichi; Image pickup lens and image pickup apparatus; JP,2013-025202,A[P].

[25]Golik B; Development of a test method for image stabilization systems[D]; Diploma Thesis at the Cologne University of Applied Sciences(2006).

[26] Borys Golik, Dietmar Wueller; Measurement Method for Image Stabilizing Systems[J]; SPIE-IS&T; 2007(6502), 65020O.1-65020O.10。

[27] H. Kusaka, Y. Tsuchida, and T. Shimohata; Control technology for optical image stabilization[J]; SMPTE Journal，2002（111）, pp. 609–615。

[28] T. Kitazawa et al.； Imaging Apparatus, and Method and Device for Shake Correction in Imaging Apparatus；United States Patent Application No. 20020163581；2002.11.7.

The development of image stabilization technique and measurement for digital camera

Wang Xiaoxiao*,Tan Shan,Huang Feng
(Guangzhou institute of measuring and testing technology,Guangdong,Guangzhou,510663)

In this paper,the progress of digital camera image stabilization technology including mechanical and digital technique in recent years is reviewed by retrieving relevant domestic and international patents and literature.Also,the latest developments in anti-shake performance testing technique are reported; and the trends of image stabilization technology and testing methods in the field are proposed.

digital camera;image stabilization technology;vibration reduction;measurement for anti-shake

TB852.1

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2014QK057）資助