Image Stabilization: Understanding Camera Shake Effects

图像稳定

简介

图像稳定是指相机在拍摄过程中其光学系统保持稳定的程度。如果相机不稳定，拍摄出的图像就会出现模糊。照片模糊的原因有很多，例如光线不足、使用长焦镜头，以及手持拍摄时快门速度较慢导致的手抖。

图像稳定技术的背景

焦距

焦距是指镜头系统的主平面与无限远像点之间的距离。它根据成像区域的大小决定视角。

例如，广角相机的焦距较短，这意味着焦平面更靠近主平面。焦距越短，视角越大，成像区域越宽，图像中的主体显示得越小。为了获得正确的曝光，相机传感器必须捕捉到一定量的光线。

低光环境

若处于低光环境，必须调整光线以获得正确的曝光。您可以通过调整光圈、ISO感光度和快门速度来实现这一调整。因此，在低光环境下，您可以通过选择更大的光圈、更高的ISO感光度或更慢的快门速度来获得更多的光线。然而，环境越暗，可选的调整方案就越少。

在许多情况下，最大光圈仍不足以满足需求，而提高感光度又会对图像质量产生负面影响。这种情况下，降低快门速度是唯一的选择。

在低光环境下，延长曝光时间有助于校正曝光。但快门速度越慢——尤其是手持拍摄时——相机抖动被记录下来的可能性就越大，从而导致图像模糊。

通过缩短快门速度防止画面模糊

一般而言，快门速度至少应等于焦距的倒数。

T = 1/焦距

为避免手持拍摄时出现画面模糊，请牢记：焦距（35毫米等效焦距）越长，所选快门速度就应越短。使用过长的焦距会导致可见抖动增加。

图 1：ISO 100 - f/5.6 - 1/13s 的对比 - 200毫米（左）与 ISO 400 - f/5.6 - 1/50s- 200毫米（中）与 ISO 1600 - f/5.6 - 1/200s - 200mm（右）的对比。

设置较短的快门速度

在大多数情况下，您可以通过在相机设置中选择更大的光圈或更高的 ISO 感光度来设置更短的快门速度。然而，相机往往无法提供符合摄影师偏好的合适设置。例如，摄影师可能需要比相机提供的更小的光圈值。为解决这一问题，可选择更高的ISO感光度，但这样做往往会将图像信号放大到一定程度，从而增加噪点并降低图像质量。如果无法通过相机设置获得更短的快门速度，您可以利用设置之外的其他防抖方法来拍摄无模糊的图像。

图像防抖方法

必须明白，短快门速度是拍摄快速移动物体的最佳解决方案。如果没有短快门速度，即使使用了下面列出的防抖方法，移动物体的运动仍会导致图像模糊。

图4：曝光期间的运动会导致画面模糊（左）。当没有运动时，可以拍摄出清晰的图像（右）

三脚架

防止因慢速快门导致画面模糊的经典方法是使用三脚架。当然，三脚架并非万无一失，其效果很大程度上取决于放置表面的稳固程度。此外，手动快门释放可能会引起轻微的相机抖动，因此建议使用自拍定时器或相机遥控器。

尽管三脚架非常可靠，但并非在所有情况下都能使用。因此，如今大多数相机和镜头都内置了图像稳定系统，这些系统或位于镜头内（镜内防抖），或位于传感器内（机身防抖），以补偿手抖等稳定性问题。

光学防抖

采用“镜头内置”方式的光学防抖系统包含一个浮动镜片单元及相应的传感器，用于抵消震动。基本上，微型测量仪器会记录摄影师手部动作引起的位移，并将信息传输至处理器，处理器随后借助浮动镜片单元进行校正调整。该镜片元件可在水平和垂直方向移动，以平衡偏航（Y轴旋转）和俯仰（X轴旋转）。

图5：围绕Y轴的旋转称为偏航（yaw），而围绕X轴的旋转则称为俯仰（pitch）。

图 6：浮动镜片（绿色）在水平和垂直方向移动，以补偿围绕 X 轴和 Y 轴的旋转运动（右图）。

光学镜头内置图像稳定器在配备光学取景器的相机（例如长焦镜头）中尤为重要。如果稳定器处于激活状态，则在半按快门按钮后开始工作。此时，经过稳定处理的光线信息会通过相机内部的反光镜传送到光学取景器，使拍摄对象在画面中保持静止。

镜头内光学防抖是一种更常见的防抖方法，但并非所有镜头都支持。

传感器位移式光学防抖

一些制造商采用基于传感器的（机身内置）防抖系统。与传感器固定的“镜头内防抖”相比，该方法利用可自由移动的传感器来补偿相机抖动。换言之，传感器会根据相机的移动情况，沿 x 轴或 y 轴向所需方向偏移。除了稳定x轴和y轴方向的位移外，传感器位移防抖系统还能抵消沿光轴（横滚）方向的旋转，从而消除来自三个独立轴向的相机抖动。

图7：传感器位移防抖系统能够校正沿偏航、俯仰和滚转轴方向的相机抖动。

需要注意的是，您可以将机身防抖和镜头防抖同时集成到相机和镜头系统中。在这种情况下，许多相机会选择其中一种，但也有一些相机同时使用这两种防抖技术。在这种情况下，制造商必须确保它们不会相互产生负面干扰，从而导致图像出现不必要的模糊。

其他图像防抖方法

虽然上述图像稳定方法被称为（纯粹的）光学图像稳定，但其他方法通常还包含“非光学”方面。例如，一些手机制造商采用的方法是将多张曝光不足且曝光时间较短的图像，通过相互对齐并整合信号电平，合成一张曝光正常的图像。另一种方法是将曝光正常但模糊的图像与从曝光不足的清晰图像中提取的边缘部分进行组合。这些方法面临的难点之一在于，如何为最终输出的图像确定“那个”曝光时间。尽管如此，对用户而言，唯一重要的是即使在低光条件下也能获得清晰的图像。

测量图像防抖系统的质量

衡量相机系统防抖质量最有效的方法之一，是使用抖动模拟装置和Test Charts。 ISO 20954-1 标准对该方法进行了描述。¹ 借助此类设备，您可以定义并控制相机的抖动，从而获得可比的结果。设置好设备后，相机可以在不同的曝光时间下拍摄包含清晰图像及其他潜在结构的 Test Charts。通过对边缘的评估，可以确定哪些曝光时间会导致边缘模糊。

图 8：使用 STEVE 防抖模拟装置和倾斜边缘 Test Chart 的设置示例。

如果无法控制曝光时间，该过程会稍显复杂。例如，当 Test Chart 上 Illumination 发生变化（降低）时，相机将被迫通过开大光圈、提高 ISO 感光度或延长曝光时间来做出反应。提高 ISO 感光度会导致噪点水平升高，或导致低对比度的细微细节丢失（降噪），即所谓的纹理损失。如果没有图像防抖技术，增加曝光时间也会导致边缘模糊。对于这些情况，Test Charts需要更加复杂，并包含用于分析噪点和纹理损失的目标。

图 9：一个包含用于分析噪点和纹理损失的详细测试目标的Test Chart示例。

结论

图像防抖是指相机光学系统在拍摄过程中的稳定性。如果系统不稳定，图像会出现模糊，从而影响整体画质。使用三脚架、光学防抖或传感器位移式光学防抖等方法有助于改善图像稳定性。同时，测试相机防抖性能的质量依然至关重要。

在测试相机时，我们建议遵循 ISO 20954-1 标准，并使用倾斜边缘 Test Chart 和相机抖动模拟装置。该装置可让您设定抖动级别，随后利用倾斜边缘 Test Chart 快速测试各种曝光时间，从而确定哪些设置会导致最严重的模糊。对于低光环境测试，我们建议使用带有测量噪点和纹理损失目标的Test Chart。