微云台:这个技术正在重新定义手机防抖

来源:科技杂谈微信公众号 

作者:王云辉


【摘要】到现在为止,已经有了哪些手机防抖技术,它们又各有什么优劣呢?




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2018年春节,陈可辛拍了一部微电影《三分钟》,没用摄像机,只用一台iPhone X,就拍出了一部火爆朋友圈的口碑热片。


很多人看完它就去买了iPhone X,回来却发现,怎么也拍不出那样的大片效果。


这并不意外。7分钟的短片背后,除了一台手机,还有一位顶级导演的专业功底,一个规模庞大的摄制团队,乃至一笔总金额高达700万的经费支出。


尤其是陈可辛使用了很多专业设备,用外接镜头扩展拍摄视野,用云台让运动拍摄更加稳定,都突破了当时的手机拍摄能力极限。



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但两年过去,很多瓶颈不复存在,普通人用手机自由拍摄的创作空间,已经越来越来越大。


比如,越来越多手机已经采用了广角+主摄+长焦的多摄像头组合,我们不需要外挂镜头,就可以根据需要,直接调整拍摄焦段。


比如,有的手机已经通过多麦克风阵列+人工智能算法,根据拍摄主体的位置来智能调整录音效果和降噪。


最值得关注的,是手机防抖功能的日新月异。


手抖是拍摄的天敌,它会让照片变成浆糊,让视频晃来晃去,让很多本来可能成为美好回忆的记录,变成无法弥补的遗憾。


然而,即使是经过专业训练的人,也永远不可能做到始终稳定如一。


所以,我们不得不通过通过硬件的运动补偿,或是软件的加工处理,来抵消抖动对拍摄的影响。


自2007年,首款OIS光学防抖手机面世,到今年6月1日,vivo X50系列的"微云台防抖"技术商用,10多年来,已经有越来越多的防抖技术,从专业设备移植到手机上,而且不断推陈出新。


到现在为止,已经有了哪些手机防抖技术,它们又各有什么优劣呢?



【1】


手机解决不了的问题,用外部工具来解决。这是最常见,也最无奈的一条路。


就像陈可辛那样,iPhone X的防抖功能不够用,就上云台稳定器。


云台是利用陀螺仪工作的专业辅助设备,它有可以自由活动的摇臂,摇臂关节上带有电机,然后通过电机的动力控制,来抵消手机抖动,实现平稳拍摄。


目前,智云、魔爪、大疆、飞宇4个头部品牌产品,占据了中国约80%的云台市场份额,其中仅智云和大彊就达到了市场总规模的约60%。



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用云台来增加稳定性的优势在于,它不会影响手机本身的内部结构,也不会因为裁切画幅而影响成像质量,稳定效果也非常好。


而且,防抖只是云台的基本功能之一。它的主要功能,其实在于用来拍摄全景、360度旋转、运动延时等特殊场景。



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但与此同时,作为一个外部工具,云台的携带和操作都比手机麻烦得多,尤其是每次使用前后,都必须重新装卸手机、调平、校准,也无法做到"秒拍"。


而在日常的绝大多数时候,我们都需要拿出手机就能直接拍照、拍视频。


所以,云台其实是专业玩家的工具,却并不适合普通用户使用。买云台用了几天,就嫌麻烦丢在一边吃灰的人,真的不少。


也正是因为这个原因,在经过前几年的高速增长之后,手持云台的市场规模已经日趋平稳。



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【2】


对我们绝大多数人来说,手机自身的防抖功能,远远比云台更加实用方便。


尤其是在Vlog和直播日益红火的当下,视频防抖已经成为旗舰手机性能评测中,非常重要的一个关键指标。


整体来说,手机防抖技术主要分为两类:


第一类是物理防抖,主要通过可移动式的硬件,对机身震动进行光路补偿。


第二类是电子防抖,主要通过软件和人工智能,针对画面抖动进行拍摄方案优化和后期修复。


在实际的应用中,更多的情况是两类技术混合使用。


先看一下物理防抖。


这一类技术的总体思路,都是通过陀螺仪侦测手机的抖动方向和幅度,计算需要补偿的位移量,然后通过硬件的轻微移动来完成实时补偿。


根据可移动的硬件不同,它主要可以分成两个方向:


一是OIS(镜头防抖)。


它在镜片组中增加了使用磁力悬浮的镜片,当手机抖动时,会控制浮动镜片进行位移补偿。根据运动方式不同,它有SHIFT(平移)和TITLE(移轴)两种运动结构,但不论哪种结构,防抖幅度都相对有限,有效位移补偿角度一般只有不到1度。


值得注意的是,由于镜片的不同角度存在球差,所以当镜头移动,就会影响透视关系与合焦区域,画面边缘会出现明显模糊,很容易把现实场景拍成童话世界里的小人国。


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二是CCD(光电传感器) 防抖。


它与OIS的主要差异在于,它的镜头不移动,而是把光电传感器安装在可以自由浮动的支架上,根据手机的抖动方向和幅度,来调整姿态进行补偿。这种结构能避免OIS结构对成像效果的影响,灵活性也更高,最多可以实现5轴防抖(OIS仅2轴)。


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但由于位移补偿距离更大,随着镜头由广角端拉到长焦端,它的防抖效果会越来越差。与此同时,CCD的精密驱动方式比镜片更复杂,需要驱动调节器进行高频振动,所以对结构的精密度要求更高。



【3】


无论是OIS还是CCD,都有自身难以弥补的缺陷,防抖能力也有所不足,尤其是镜片与传感器的相对运动,会造成画面非中心区域的大范围画质损失。


所以,随着手机技术发展,新的硬件防抖模式开始出现。


2019年5月,vivo首次提出"微云台防抖"方案:让主摄像头的镜片和传感器作为一个整体,共同进行运动补偿。


这样,微云台模组内部没有相对位移,无论怎样运动,边缘的画质都不会有损失,同时也能获得更大的转动角度。以前困扰OIS防抖和CCD防抖的症结,全部都能迎刃而解。


但这个方案也有一个最大的问题:微云台的整体面积是普通主摄平均占版面积的5倍,潜望式摄像头的3.2倍,而且有大量垂直水平放置的元器件需要异形排布。


这意味着,它需要在已经极度拥挤的手机内部,挤出更大的空间,而且电子走线、元器件设计等内部电路都必须重新设计。


在目前的技术工艺下,这是一个几乎无法实现的方案。


然而,就在2020年6月1日正式发布的vivo X50 Pro上,这个新的方案真的在商用手机上落地了。


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据vivo透露,微云台可以实现5轴防抖,且防抖角度达到了正负3度以上,是传统OIS光学防抖的3倍。


同时,它在暗光场景下的曝光能力也大幅提升。


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经过vivo实验室防抖效果对比,普通OIS光学防抖的暗光成片能力,是没有光学防抖的6.25倍;而微云台防抖暗光成片能力,普通OIS光学防抖的2倍,无光学防抖的12.5倍。


vivo X50 Pro的整体拍摄能力,都因此跃升了一个巨大台阶。





【4】


那么,vivo是怎么把"微云台防抖"方案变成现实的?


关键在于,vivo影像团队耗时一年,最终拿出来的全新堆叠方案--异形结构磁动框架。


正是这个框架,在保证微云台正常使用的前提下,将微云台的占板面积节省约40%,厚度减少1mm,与屏幕的距离更压缩到了0.13mm的"极限",最终实现了外观设计与主板布局的完美平衡。


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它的内部构造,主要由限位机构、双滚珠悬架、镜头、音圈马达、双S型FPC排线、T-FPC、磁动力框架、模组载架以及保护盖构成:


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(vivo官方的X50 Pro微云台结构图)


在这个框架中,有大量极具想象力的的创新。


比如,连接镜头模组的FPC柔性电路板的反作用力,会影响镜头模组的转动角度。为了在确保稳定连接同时,减少微云台的扭动拉力,经过数千次调试,vivo最后研发出了"双滚珠悬架"结构。


这个结构的框架,通过两对滚珠配合十字支架,分别让微云台在X轴、Y轴完成灵活的"双轴转动",从而搭建起一个稳定且平衡的内部电磁框架,最终实现"5轴立体防抖"。


而它的材料公差精度,比行业普遍的±0.05mm提升了近一倍。

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与此同时,框架的弹片也采用了多角度的立体设计,虽然大幅增加弹片制造的工艺难度与加工精度,但微云台的防抖角度能扩大到了正负3°以上,就主要归功于它。


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而vivo史上最薄的"双S型FPC排线",更是采用了中间挖槽的多重折叠设计,厚度仅为0.07mm,远低于行业普遍的0.1mm,仅制具制作就经过上百次调整,从而有效了减少FPC在防抖过程中的扭动拉力,使微云台防抖的计算更为精准。


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当然,这个方案目前还有一个重大的缺陷,那就是:贵!


据vivo透露,在X50系列上,这颗微云台镜头BOM造价,达到了普通主镜头的两到三倍。


不过,从它的效果来说,这个贵确实是值得的。


而且,凭借功能上的全面优势,微云台未来必然将成为"新时代的防抖方向"。随着技术成熟、工艺升级和规模爬坡,它的成本也最终会回落下来。


【5】


当下,最后来说一下电子防抖。


这是手机防抖技术创新最密集的一个领域。


其中,最广泛应用,也最基础的一个方式,是EIS防抖。它根据相机镜头的姿态变化,对照片的边缘部分进行裁切,实现对画面抖动的位移补偿。



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这个方式的好处是成本低,不需要硬件支持,但是会缩小视野,同时损失照片和视频的大量信息,导致清晰度受损。


除此之外,目前也有很多新的电子防抖方式,比如:


动态向量调整。与物理防抖的方式类似,在抖动时先对图像位置进行移动补偿,而不是直接裁切。只不过它是通过人工智能计算后,在软件层面直接对图片进行修正。


连拍防抖。在你按下快门时,手机会同时拍摄多张照片,然后从中选择最清晰的照片,甚至将多张照片的有效信息合并叠加。这个技术主要应用于拍照,最早是用来改善照片的曝光,但随着人工智能技术发展,也已经在防抖上有了用武之地。


参数调整防抖。在侦测到抖动的时候,通过提高ISO、提升画面锐度、调节快门速度等方式,来改善拍摄的内容质量。


预设场景优化。根据特定的场景,提前对拍摄流程进行人工智能优化。比如vivo X50 Pro,为用户提供了一个"星空模式",将星空与地景分割处理,利用对齐算法将多帧星空画面对齐,从而解决长曝光期间地球自转带来的星星位移,同时保证场景细节清晰。


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整体来说,与物理防抖不同,电子防抖的实现,一般不需要元器件辅助,而是通过软件和算法来对拍摄内容进行优化,而且伴随人工智能技术发展,它还有巨大的发展潜力与想象空间。


但巧妇难为无米炊,作为后期工种,电子防抖的工作始终还是"锦上添花",做不到"无中生有"。


所以,今天的手机防抖,基本上已经很难见到单一的物理防抖或电子防抖。


只是因为我们的手抖了一下,手机厂商已经用尽了它们的洪荒之力,几乎所有的智能手机,都是同时使用了多种防抖技术,来为用户提供最佳的拍摄体验。


而这,也是未来的大势所趋。




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