数码相机的防手抖技术及其设计

2009年02月14日 16:02    比尔盖
关键词: 防抖 , 数码相机
手抖无所不在,只要是手持相机摄影,多多少少都存在着抖动的问题,差别是每个人的稳定程度不同。这里涉及到安全快门的概念,简单来说,安全快门就是焦距的倒数,也就是快门速度达到或超过安全快门(曝光时间小于安全快门的曝光时间),这样比较容易拍出比较清晰的图片。在长焦距拍摄 ,低光源环境拍摄,微距拍摄的情况下,由于曝光时间远远大于安全快门的曝光时间,故需要有防抖动的技术去补偿,不然一般摄影的结果都是不清晰的。
  数码相机的防手抖技术一般分为三类:电子防抖,镜头防抖(也称为光学防抖),CCD防抖。电子防抖一种是提高感光度(High ISO),从而提高快门速度(减低曝光时间),使快门速度超过安全快门来避免抖动。这种方法变化了快门速度,不仅能改善相机方面的抖动,也能对移动的物体进行更好的捕捉,但由于提高了感光度,由于元器件的限制,相应的图片噪声会提高,影响图片的质量。表一为国际标准组织定义的条件系统,在感光度(ISO)提高一个级数,快门时间就可以减少一半。电子防抖另一种是对图像进行分析,依据抖动对边缘进行处理,属于后端处理,对图片帮助不是很大。镜头防抖是通过镜片的移动来补偿相机的抖动,它由传感器,微处理器,补偿镜片控制组,驱动控制部分组成,依靠补偿镜片的移动来校正手抖引起的光线偏移,如图1,镜头不同,设计上有差异,但基本上都是透过补偿镜片组来补偿。CCD防抖是通过感光元器件CCD(或CMOS)放在一个可移动支架上来,通过传感器感知相机的抖动,由微处理器计算相应的移动量,由驱动部分对CCD移动,以达到防抖目的。目前,一般相机的防抖(CCD防抖或光学防抖)不是无限可以补偿,一般为2~~3级,按表一来说,假设安全快门1/125,2级,快门速度1/30,快于此速度,容易拍清晰的照片,由此类推,3级,快门速度为1/15。表2为三种防抖方式的比对表

  图1 光学防抖结构示意图

  图2 CCD防抖示意图

  表1 摄影组合级数

  表2 防抖方式比对表

  MEMS陀螺仪(Gyro),微机电系统(MEMS)技术的飞速发展已经允许制造商在微型芯片上制造出完整的陀螺装置。MEMS陀螺仪背后的物理现象就是科里奥利效应(Coriolis)。如图3,微型块在旋转面上(ω),微型块m将前后振动,因此产生相同频率的垂直科里奥利力。这些力的幅度等于±2ωvm,并直接正比于整个系统的角速度ω。这些力将导致图3所示部件的物体从一边推向另一边,这些位移可以被检测为电容的变化。此时陀螺仪(Gyro)所需的就是用相关电路去检测电容的振荡,并将它转换为电压,再经整流后输出直流电压。这种电路的目的是将旋转速度转换为电压。MEMS陀螺仪(Gyro)产品最主要特色是整合了MEMS机械设计和制造、混合信号ASIC设计,以及晶圆级封装等技术,开发出兼具小尺寸、低成本与高效能的陀螺仪产品。

  图3 MEMS陀螺仪的实现。

  由图2看出,在3D图面上,Z轴有自动聚焦功能,Z轴移动对成像基本没有影响,有影响是在X轴(PITCH)与Y轴(YAW)。图4为在晚上拍照,无防手抖与有CCD防手抖的结果。图5为CCD防抖系统框架,CCD防抖是在镜头上增加CCD支架,利用步进马达对X轴,Y轴的驱动,使CCD移动来补偿CCD的抖动。MEMS陀螺仪选用要有X,Y轴Gyro 芯片,内部含放大,低通,高通滤波,这样可以大大减少相机的尺寸。Gyro 信号连DSP的AD port,DSP的AD是10bit,满足设计要求。资料运算用相机本身的DSP处理,可以减少一微处理器(Micro),降低成本。DSP对Gyro传来的ω信息进行运算,计算补偿量,通过马达驱动电路驱动X,Y移动来达到补偿的目的。X轴,Y轴的PI信号是Lens反馈DSP信息来校正CCD与Lens中心重合,避免补偿过程超出Lens设计的补偿范围。

  图4 左边照片为没有打开防手抖,右边打开防手抖



  图5 CCD防抖系统方块图

  实验证明,一般人手持相机拍照时手抖频率0~20Hz(资料来源:日文版数字摄影杂志 2006/12 ),DSP 对GYRO取样频率设为500~1KHz能够满足系统的要求。图5为抖动的位移示意图,黑色为原来的位置,红色为偏移位置。
  按Lens的spec可知步进马达每相的移动量(如1.44um)。由公式3可知GYRO感知角速度,就可以计算出CCD的偏移量。
  d = f * sinθ ------(1)
  When θ < 20° d = f *θ
  θ = ∫ω dt -----(2)
  θ = Σωi * dt
  → d = f*Σωi * dt -----(3)
  d :偏移量 f :焦距 ω:角速度

  图6 抖动光路的变化

  CCD的防抖动系统采用PID自动控制系统(PID就是比例微积分调节),如图7,P(比例)控制是Gyro侦测的抖动按比例移动CCD,I(积分)控制是调节对时间积分误差,D(微分)是抑制误差产生的超前,如低频powernoise补偿。通过调整PID参数,使系统稳定可靠运行,达到设计的目的。同时也要考虑部件对系统的影响,如Power noise对Gyrosense造成的测试误差,步进马达能否达到要求的1000pps,Gyro的低通,高通滤波器等等。

  图7 PID方块图

  结论
  CCD防抖技术可以克服手抖引起的图像模糊,但不是万能,目前业界补偿的标准也就是安全快门的2~3级,遇到长焦或快门时间过长,超过补偿极限时,带三脚架拍照才是最有效。
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