前言：数字相机的影像稳定技术一直是相当热门的话题，采用具备防手震技术的数字相机，可以做到在大部分原先需要三角架的场景情况之下，仍能使用手持的方式进行拍照，让数字相机在一些低照度环境之下，仍能维持相当优秀的行动力与拍照质量。早先此类技术几乎都由日本影像大厂所独占，近年来台湾数字相机厂商也开始在产品之中增加了各种防手震技术，藉以提升产品竞争力。
 图说：防手震功能可有效改善图像因晃动而模糊的问题。（数据源：SCHNEIDER-KREUZNACH）
防手震技术主要透过几个方式来达成，除了CCD防手震以及机械式防手震以外，最常见的应该属于以软件计算补偿的方式，不过此种方式降低CCD感光组件的可利用率，而且应用限制上也比较大，但是技术门坎较低。而一般厂商也有将高ISO能力作为诉求，将之视为另一种防手震的方式，不过基本上高ISO只是让快门可以在感受到震动之前完成动作，并不是一般广义上的防手震机制，真正的防手震机制是要在拍摄过程中，侦测并抑制因为手部晃动而造成的影像模糊现象，高ISO同时也会带来更高的噪声。
防手震技术的发展
如果真要考古的话，防手震技术最早是在1970年代所研发出来的，最早是Nikon的VR（Vibration Reduction）防手震技术，并且抢先应用在消费型数字相机之中，不过因为其高订价策略以及错误的市场策略，使得系列款防手震傻瓜相机销售奇惨无比，让Nikon好久一段时间不敢再谈及防手震技术，直到2000年才又重新出发。
而Canon自行研发的防手震技术，最早是应用在其高阶镜头上，称之为IS（Image Stabilizer）影像稳定系统，由于定位正确，从此Canon在防手震技术上一战成名。随后相机从传统胶片转望数字发展， Panasonic公司所提出的O.I.S（Optical?Image?Stabilizer）技术，也同样是在镜头上作防手震文章，这些公司的防手震架构基本上都可以归入同一类技术，不同的只有成像逻辑以及相关算法而已，扣除不同的芯片方案或布线结构，在硬件达成方式上可以说没什么两样。在过去，这类镜头防手震技术对于上下晃动的防止较为有效，不过发展至今，以Canon的IS技术为例，已可有效同时防止上下左右四方向的震动，甚至也可以透过设定，决定那个轴不进行防震动作，藉以达到特定的拖影效果。
图说：Canon IS技术镜头组件。（数据源：Canon）
不过防手震技术并不仅止于镜头部分而已，部分公司也转向成像组件来进行防手震处理，比如说KonicaMinolta所研发出CCD AS（Anti Shake）技术，概念上便是对CCD感光组件进行机械支架浮移处理，藉由补偿运动来抵销震动过程中所导致的影像模糊化，这个架构是属于全新一代的机械式防手震技术。
图说：Konika-Minolta将数字相机部门卖给Sony，其首创的机械式CCD防手震也将由Sony及其他仿效厂商继续发扬下去。（数据源：Konica-Minolta）
AS防手震技术有很大的优点，那就是由于CCD是内建在机身内部，因此不论搭配何种镜头，都可以达到防手震的目的，而不必为了防手震技术特意选购具备有防手震技术的镜头，而且CCD防手震也可以避免因为镜头结构的干扰而改变了原有光轴的位置，导致成像质量的失真。而且甚至也可以搭配具备防手震的镜头，来达到双重防手震的效果。
CCD AS技术发展较晚，因此在应用方面较少，不过在技术层面已属相当成熟，Sony虽然取得了AS技术的用户许可证，但目前也倾向于只将此技术应用在高阶DSLR机种中，而暂时没有拉往消费机的计划。这也是因为消费机的竞争过于激烈，加上成像质量也不若DSLR那般要求，因此Sony在消费机上的防手震技术是采用Super Steady Shot技术，与Canon、Nikon及Panasonic等公司的技术同属镜头防手震技术，而虽然在α100上采用的是AS CCD防手震技术，但Sony仍旧将之称为Super Steady Shot，这事要注意的一点。
同样对CCD进行防手震动作的还有Pentax公司的SR技术，虽然说Pentax公司采用的SR（Shake Reduction）技术，基本上也是属于CCD防手震的一种，但是在硬件实做上与AS架构有相当大的不同，Sony Anti Shake采用的是CCD机械浮动原理，而Pentax的SR技术则是采用两个陀螺仪来进行对CCD感光组件的水平与垂直震动侦测，并利用磁力推动来进行补偿动作。要注意的一点就是，Casio所推出的消费型相机中，也采用了名为Anti shake的技术，不过这个AS技术基本上是利用软件处理重迭曝光的成像，并不是属于镜头硬件防手震的技术。
有在注意数字相机技术的读者大概也都可以发现，大部分防手震技术基本上都是基于相同的架构之下，这也是因为许多厂商不仅制造自有的产品，也会提供零组件给缺乏关键技术的第三方厂商，或者是两大厂商彼此进行技术合作，而如ALPS等影像专业公司也会提供防手震的关键IP授权使用，厂商在生产最终产品时，再以不同的名称命名，以避免造成消费者的混淆。台湾厂商在数字相机产业一向缺乏自有关键技术，因此通常都是以采购现有零件及技术来降低入门门坎。
需要防手震的情境
■长焦距拍摄
对一般DSLR或具备长焦的消费机来说，长焦的应用大多是在风景、鸟类或者是运动场上，还有目前最流行的狗仔队，在这些情境之下，利用长焦镜头除了可以藉由景深来突出主体，并且可以利用长焦望远将拍摄主体进行放大。不过长焦镜头因为镜片设计的关系，通常会显得更为粗大，如果在光线不足的环境之下，想要手持稳定拍摄几乎就成了不可能的任务，一般风景不会动，鸟类也会有其活动范围，利用三脚架来增加稳定性也是可行之道，不过人物神情或动作抓拍时机一闪即逝，想要利用三脚架来稳定相机显得缓不济急，因此防手震便可在此时派上用场。
■低光源环境拍摄
在室内在室内傍晚进行拍摄时，由于自然光线不足，因使通常会将快门速度调慢，藉以增加入光量，使用闪光灯来进行光源补充，或者是提高ISO，来提高对光源的敏感度，但是闪光灯对环境气氛会产生影响，高ISO或多或少又会带来噪声问题，若是藉由防手震技术，便可安全将快门调降至一般无防手震安全快门之下，藉以在不造成画面晃动的情况之下取得更高的入光量。
图说：夜景等低照度环境对于数字相机的感光与防手震能力要求很高。（数据源：kobe-mari.maxs.jp）
■微距拍摄
在距离被摄主体极近的情况之下，会产生与长焦距摄影同样的状况，那就是只要稍微晃动，画面的反应就会很明显，过去没有防手震的时代，几乎都要使用三脚架才有办法拍出可接受的质量。
防手震核心技术探究
■惯性感测技术
由于目前MEMS微机械技术发展迅速，过去因为体积考虑而无法整合的惯性侦测功能，如今因为MEMES制程的改善而有了重大的突破。这一类主要核心技术包含了陀螺仪与加速计，如今也被广泛的应用在镜头防手震或CCD防手震技术之中，此类防手震技术采用动作感测组件来进行移动状态的感测，回传到处理器之后，再对镜头或CCD进行位移补偿。在感测组件的选择上，自然是以目前最为流行的MEMS微机械架构陀螺仪为主，不过在特定状况之下，采用加速计也是个不错的解决方案。由于这类MEMS感测组件可采用标准CMOS制程，因此可以缩到非常小的地步，对于目前追求时尚与轻便的数字相机设计潮流来说，具有相当大的帮助。在组件的采用上，目前有ADI、ST、Freescale以及InvenSense等公司提供。
图说：ADI的陀螺仪感测组件架构图。（数据源：ADI）
ADI的陀螺仪感测组件已经可适应2轴或3轴感应的需求，而且具备了相当高程度的可程序化能力，在最新的ADIS16255中，提供了从±80°/sec, ±160°/sec, and ±320°/sec的感测能力，灵敏度达到了0.018 °/s/LSB，不过这款芯片主要是应用于较大且较高阶的感测应用上，对于图像稳定的应用，则是以ADXRS系列为主，该系列售价低廉，功耗低，且精确度相当高，不过产品封装体积上相较起竞争者要显得稍微大了一点。
图说：意法半导体的动作感测组件。（数据源：意法半导体）
而在ST公司所提供的MEMS感测产品上，则是采用了Thelma表面微加工制程技术，可以制造具备更高灵敏度的产品，事实上，该公司的三轴加速计已经被任天堂的次世代体感游乐器Wii所采用，作为其魅力十足的游戏控制方式的技术核心。当然，以其三轴加速器而言，该公司的LIS302DL三轴加速计，封装大小只有惊人的3x5x0.9mm，提供了完整的动作感测能力。
图说：Freescale的动作感测组件。（数据源：Freescale）
Freescale公司所提供的是具备3轴感应能力的加速计，与陀螺仪同样的可以进行倾斜、角速度与定位的感测，在最新的单芯片产品中，以6x6x1.45mm的封装大小，提供了倾斜、移动、定位等不同感测功能，工作模式之下仅耗电500μA，而且也具备了睡眠模式，最低仅耗电3μA，省电能力极强。
图说：InvenSense的动作感测组件。（数据源：InvenSense）
InvenSense是家死忠的陀螺仪支持者，InvenSense公司认为陀螺仪与与加速计不定位不同，陀螺仪可精准的测量偏航或者斜度。该公司表示，对于手机和游戏机、数字视频和数字相机稳定、3D遥控和〝空中鼠标（air mouse，在空中挥手就可以控制屏幕上的光标，类似电影关键报告中的场景应用）〞市场具有极大的潜力，该公司也计划将要推出六轴感应陀螺仪，以备将来更先进的产品需求。该公司的陀螺仪已经被相当多的数字相机厂商采购应用于数字相机作为防手震功能技术核心，台湾、Sanyo与韩国LG都是其中之一。
■电子图像稳定算法
除了硬件设计以外，有些公司也采用以软件方式计算的防手震补偿机制，我们先不谈以Best Shot方式进行的防手震功能，因为基本上，该功能只是帮助消费者在烂苹果中挑出比较不烂的，并无法针对影像质量做出实质改进，虽然可能在某些特定情况下有所作用，但是误挑出更烂质量相片的例子也是屡见不鲜，因此笔者认为这种功能可有可无，较不重要。
而另一个主流，就是藉提高ISO感度来达到高速快门的作法，在手部晃动之前就已经完整成像，避免拍到模糊图片，虽然大部分数字相机厂商都已经把提高ISO感度列为重点发展方向，但是每家厂商在成像逻辑方面有所不同，因此得到的影像质量也各有差异，基本上，想要在达到高ISO感度的同时，依旧维持优秀的成像质量，除了提高感光组件的大小以外，另外一点就是在成像逻辑算法上加强，以目前市面上的产品而言，感光组件在1/2.5吋（包含）以下的CCD想要采用超过ISO800以上的感亮度都是非常不实际的作法，因为画面噪声将会多到令人无法接受，这主要是因为感光组件太小，单一画素面积小，而无法有效进行感光处理。
图说：Fujitsu的数字相机一向以高ISO为主打卖点。（数据源：Fujitsu）
而利用软件算法来加强高ISO的画质也是有其极限，就目前现有的成像逻辑来看，只要进入抑噪步骤，画面的锐利度将会大幅丧失。目前的数字相机厂商也只剩Fujitsu仍未采用任何硬件防手震设计，而纯粹采用高ISO，虽然在高照度的环境之下，该公司的产品也有相当不错的表现，但是当进入抑噪模式之后，同样也会有画面失去锐利度的状况产生，不过因为相较起其他厂商产品，在细节丧失与噪点的均衡仍在可接受的范围之内，因此也被广大消费者所接受，作为没有任何防震设计的防手震数字相机产品应用。
少部分也有利用DSP在照片后制阶段进行模糊像素的处理，将因为手振而产生的图像边缘模糊问题减轻到特定程度，这种演算架构包含了动态估计以及动态补偿两大部分，动态估计则另外包含了局部动态估计以及全体动态估计这两大决定单元。透过算法对画面数组中的局部图像进行处理，可以估算出相对于参考画面的动态偏移，并且藉由总体动态计算单元来决定动态向量的有效性，藉以提高动态向量的检测精度。
而动态补偿则是透过动态估计单元所提供的动态参数来进行影像的行、列重组，进而达到稳定影像的目的。目前以利用最小绝对差（MAD）或是最小平方差（MSE）的全搜索（FS）页框匹配法（Frame matching）属较为有效的动态补偿算法，不过这类运算量相当大，因此需要较为强力的处理器核心才有办法负担。
结论：
防手震技术在数字相机上已经几乎达到全面普及的地步，在设计上决定采用何种防手震架构，将会对该产品的最终市场定位与消费者观感造成莫大的影响，虽然高ISO设计可以有效避免掉某些需要使用三脚架的环境，但是在成像逻辑上不够完美的现在，诉求如3200或4000等超高ISO，除非下一代感光组件可以大幅提升感光能力，并且在制程方面有较大的突破，可以将感光组件缩小到极限，并能维持其成像质量，否则以较高的可用ISO（如ISO800），配合设计完善的防手震技术，不论在应用广度以及实际成像画面来讲，将会是比较完善的折衷方案。
而在照相手机方面，我们也可以预期在不久的将来，随着相关感测组件的制程进步，高ISO以及防手震设计也将会同时纳入设计概念中。
|
