聊聊手机上使用的防抖技术本周三早上一点

本周三早上一点，苹果发布了 iPhone 12 系列，在发布会后，不乏有网友希望我们来详细讲解一下 iPhone 12 Pro Max 上首发的传感器位移式光学图像防抖究竟是个什么玩意儿。所以我们这次就从最基础的传统电子防抖出发，以时间为顺序一点点向各位科普手机上的防抖技术都有哪些。
1.传统电子防抖实际上电子防抖在手机上的出现比我们想象中早得多。早在功能机时代就已经有不少机器在视频功能里加入了电子防抖。
早期电子防抖的原理是：通过分析前后帧画面的变化，建立特征点，反求出在拍摄时的手机运动，之后再通过反求出来的运动轨迹反向补偿达到稳定画面的目的。
文章插图
【聊聊手机上使用的防抖技术】（图片来自电子防抖专利文件，利用分析画面移动状况补偿抖动)
这种方式的优势在于只要输入视频流即可进行图像稳定，不需要附加任何设备，也不需要魔改现有的视频格式或加入时间戳。这种不挑设备的好处让这项技术在手机发展初期很受欢迎，甚至现在不少非线性编辑软件中都有电子防抖功能。
文章插图
但是缺点也显而易见：
第一，由于对摄像机的反求需要分析画面，那么只有画面中的特征点越多、用于分析的帧越多、算法的精度越高，反求的结果才会越精准；然而这些都需要强大的算力支撑——而算力恰恰是手机这种移动设备所欠缺的。
第二，因为画面是反求摄像机运动的唯一参考，所以传统的电子防抖很容易被场景欺骗。
第三，由于反向补偿仅仅补偿图像位置，也就是说手抖导致的运动模糊电子防抖无法消除，所以对于整体画面来说，锐度会有间歇性下降。
文章插图
（图片来自谷歌博客）
这也是为什么后来有了光学防抖。
2.光学防抖光学防抖的原理是利用手机中已经有的陀螺仪进行手机运动姿态的采集，然后通过马达驱动单个镜头或者整个镜组移动来补偿运动。
按照镜组的移动方式，光学防抖可以分为两种：平移式和移轴式。前者以诺基亚 Lumia 920 为代表，后者以 htc One (m7) 为代表。
顾名思义，平移式通过直接平移镜头来补偿运动，而移轴式则是选择旋转镜头来补偿。
文章插图
（移轴式光学防抖，图片来自 APP 公司）
文章插图
（平移式光学防抖，图片来自佳能）
两种光学防抖各有优劣：其中平移式适合矫正设备平移时产生的抖动、纠偏幅度大、成本较高；而移轴式适合矫正设备在旋转时（航向、俯仰轴）产生的抖动，纠偏幅度较小，容易生产。
由于采用移轴式光学防抖的镜组光轴通常都不垂直于像平面（例如图像传感器），所以会导致额外的画质损失；再加上前文所说纠偏幅度有限的问题，所以该方案已经极少被手机厂商使用。
文章插图
（图片来自 APP 公司）
而平移式虽然能够保证光轴时刻垂直于像平面，但由于广角镜头的形变，无法完美纠正在旋转方向上的抖动，所以在视频录制时会出现类似果冻的画面效果。
文章插图
（图片来自谷歌博客，注意画面中央和边缘的抖动幅度）
相对于传统的电子防抖，基于物理层面进行矫正的光学防抖还是有很大优势的：
它不会产生运动模糊，同时来自于手机陀螺仪的数据也避免了被场景欺骗的可能。此外，通过对光学防抖组件进行编程，还可以实现超分辨等画质提升的进阶玩法。
文章插图
（图片来自谷歌博客）
但是缺点也同样存在。除了之前所说难以完美纠正旋转方向上的抖动之外，光学防抖受体积和空间的限制，修正的幅度比较有限——通常为 1°~2° ，这就导致在面对走动产生的大幅度抖动场景时，会有些力不从心。
另外，随着图像传感器越做越大，镜头也变得越来越重，为了驱动更加沉重的镜头又需要更大更强力的防抖马达。这对于寸土寸金的手机空间来说也是一大挑战。