从抖成一片到稳如泰山 一文看懂防抖的前世今生

2022-12-12 0 1,031

9月10日,OPPO Reno2正式发布,做为OPPO Reno豪华版的插值,OPPO Reno2将初代广受赞誉的图像机能再度升级换代。崭新的四摄全焦距图像控制系统为4800万主摄+800万照相机+1300万长焦+200万双色艺术风格六颗摄影家机,与图像控制系统协力升级换代的除了音频DTHDR机能。

日常生活中,图像摄制中的变形无可避免:照相机端不稳,光学模糊不清。可见光这类暗含极其“高精度”的HDR控制系统,变形对可见光而言并没有什么负面影响,不过对拍照这种精巧活而言,变形负面影响非常大。

介绍HDR,我们具体来说须要智能手机摄制操作过程中须要避免什么样“变形”。

01

日常生活负面影响智能手机照相的“变形”有什么样?

日常生活智能手机照相中,常用的“变形”可以大体上分成四种:依次是照相机变形(Handheld Camera Shake)、静态模糊不清(Motion Blur)和后门负面效应(Rolling Shutter)。

照相机变形

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照相机变形在所难免照相机变形(Handheld Camera Shake)主要是指轻度病理关节、手的冲击波,多见于照相及演唱音频。导致照相机变形的根本原因是人手不足的变形。如果再喝点隔夜茶红酒咖啡等等的小东西,心跳加快会让手抖比平常更为轻微。

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摄影家心法“李云龙功”手抖是变形中最难消除的,最有效率的方式是“李云龙功”:透过很大的锻炼身体或是一些稳定性较好的姿势,是可以很大程度上提高HDR的效果;此外还可以在摄制的时候为身体找个支撑,或是干脆依靠外部设施固定智能手机或照相机,也就是三脚架之所以存在的部分原因了。但剩下的两个,就很难透过操作技巧解决了。

静态模糊不清

运动模糊不清(Motion Blur)指的是画面快速移动导致明显的模糊不清拖动痕迹。如果还不清楚的话,下方图片就很好的诠释了什么是“静态模糊不清”。

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运动模糊不清用的好,偶尔也会成为艺术导致运动模糊不清的原因主要有二:1、运动速度快过了曝光时间。曝光时间越长,运动模糊不清的“变形”就越大。2、连续的运动使得摄影家机没能细致捕捉每一帧的画面,进而导致静态模糊不清。

后门负面效应

后门负面效应(Rolling Shutter)又称果冻负面效应。这种负面效应的形成是CMOS传感器特性决定的,由于CMOS传感器的照相机多数使用卷帘快门,它是透过逐行曝光的方式实现光学的,图像传感器逐行扫描逐行进行曝光,直至所有像素点都被曝光。所有的动作在极短的时间内完成,所以一般情况下不会对摄制导致负面影响。

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正常光学(图左)和后门负面效应光学(图右),图片来自百度百科

如果被摄制物体相对照相机高速运动或快速振动时。用卷帘快门方式摄制,逐行扫描速度不够,摄制结果就可能出现“倾斜”、“摇摆不定”或“部分曝光”等情况。这种卷帘快门方式摄制出现的现象,就定义为果冻负面效应或后门负面效应。

现在,我们已经介绍了变形的类型和变形对智能手机照相产生的负面影响,接下来我们探究如何HDR这一摄制难题。

02

如何在智能手机的方寸之间解决“HDR”难题

“HDR”最早应用于照相机,一般标准焦距或是照相机的摄影家机由于焦距较短,重量不大,手持就已经足够应付大多数场景;而在长焦/微距的摄制操作过程中,光圈不变的情况下,就须要足够的曝光时间,如果这时候再手持摄制的话,很难光学变形。

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智能手机这类光圈有限,进光量堪忧,想要获得足够清晰地图片就须要足够长的曝光时间,就必须学习单方照相机“光学HDR”这一技术的趋势。

就像变焦分数码与光学一样,“HDR”在智能智能手机的摄像头上也主要有光学HDR(OIS)以及电子HDR(EIS)、和机身传感器HDR;如果按照复杂程度来分,还可以分成两轴、三轴(iPhone 6s Plus)、四轴(小米6)、五轴(OPPO Reno2)。

光学HDR(OIS)

光学HDR,简写OIS为Optical image stabilization的缩写。透过摄影家机的浮动透镜来纠正“光轴偏移”。其原理是透过摄影家机内的陀螺仪侦测到微小的移动,然后将信号传至微处理器,处理器立即计算须要补偿的位移量,然后透过补偿镜片组,根据摄影家机的变形方向及位移量加以补偿;从而有效率地消除因照相机的振动产生的图像模糊。

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光学HDR原理

手持智能智能手机照相时,手的变形会导致照相机的轻度倾斜(一般在+/-0.5度以内),该倾斜引起了摄影家机观察角度的变化,以摄影家机为参照物而言,相当于被摄制的物体移动了,因此所成的像也会在图像传感器上相对原位置发生偏移,结果导致图像始终随着手的变形而处于不稳定状态。

需注意的是,目前智能手机模组上的OIS技术只补正照相机倾斜引起的图像偏移,而不处理照相机上下左右平移变形引起的图像问题(这一点跟大众的认知有所不同,因此有必要说明)。在摄制远处景物时,照相机平移变形所产生的图像偏移可以认为不存在,无需OIS控制系统补偿。图像不稳定完全来自于照相机的倾斜变形。但在拍微距时,照相机平移变形的负面影响会渐渐显露出来。当前的智能手机OIS摄像模组为了避免过于复杂的控制系统架构,选择忽略平移变形产生的微距摄制问题。

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HTC最早将“光学HDR”引入智能手机光学HDR在以下使用场景中有出色表现:

1、弱光环境。弱光下照相机为了获得可接受的光学质量,会自动延长曝光时间。因此,曝光时间内手抖导致的图像移动会变得显著得多。OIS技术可以有效率解决弱光环境下图像漂移问题。

2、变焦时。数码或光学变焦在将远处景物放大、视角缩小的同时,也会将手抖的负面影响放大。这时候OIS的优势就表现出来了。

3、手持拍音频。手持摄制的音频时,画面处于不稳定变形。OIS技术可以非常有效率的解决此问题。

4、运动中摄制,或是处于颠簸中摄制。以上四种情况讨论的都是自然手抖,通常其变形幅度不大,如在颠簸环境中,外界引起的手抖往往大大超过自然手抖的幅度,而且变形幅度很难预测。OIS虽很难完全补正颠簸变形,但能在非常大程度上减小颠簸感。

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看不懂也没关系,你只要知道光学HDR是这样动的就可以了。

传感器HDR

传感器HDR技术原理和摄影家机HDR差不多,其主要将传感器安装在一个可自由浮动的支架上,同样配合须要陀螺仪感应照相机的变形方向和幅度,进而控制传感器进行对应的位移补偿。为何要涉及如此多的修正方向,主要原因是减少照相时手的不规则变形。

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五轴HDR技术与五轴的各自作用

目前最为复杂的传感器HDR为五轴传感器HDR,透过镜组+CMOS的移动,涵盖了所有能够补偿的方向,依次是镜组前后翻转、左右翻转,CMOS垂直移动、水平移动以及旋转,于是称之为“五轴HDR”。除了专业照相机之外,OPPO Reno2上也搭载了该技术。

除了光学HDR和传感器HDR的硬件HDR外,软件HDR电子HDR(EIS)也是必不可少。

电子HDR(EIS)

电子HDR是市面上的智能手机中使用得最多的HDR技术,无需任何元器件辅助也可实现,主要通操作过程序对传感器上的图像进行分析和采集。当照片被拍糊时,利用边缘图像对模糊不清部分进行补偿,从而实现“HDR”,其HDR原理更像是对照片进行“后期处理”。

开启电子HDR后,取景画面会有非常明显的裁切,不过被裁切的部分并非传感器停止了工作,而是电子HDR控制系统会将这一部分的数据用于变形补偿。也就是说照片被裁切成两部分,最外面的部分用于补偿里面的一部分。在没有HDR机械结构的前提下依然能带来很大的HDR效果。

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在OPPO R9s Plus就实现了光学HDR+电子HDR

这样,我们也就发现电子HDR的缺陷:画面会被裁切。但是在智能手机上加入超照相机摄影家机后,这一缺陷被巧妙解决了。我们可以在得到电子HDR效果的同时依旧可以使用正常照相机焦距进行摄制。就实现效果而言,借助超照相机摄影家机进行裁切的电子HDR已经有了非常高的可用性。因此,目前不少旗舰机都采用了光学HDR与电子防抖结合的方案,从而得到更好的摄制画面。

以上就是普通厂商对智能手机摄制HDR的“三板斧”,到此为止的话,我们用智能手机能够摄制出比较优质的画面了。但是,做为对照相有极致追求的厂家而言,“优质”是不足以满足OPPO的野心的,在光学HDR(OIS)+传感器HDR+电子HDR(EIS)的基础上,OPPO Reno2上祭出自家“HDR”杀招。

03

OPPO的“HDR”有独家秘笈

直接透过专业术语解释Ultra Steady音频DTHDR技术是挺无聊的一件事,一件还原可见光观感的视觉技术,应该让眼睛说话,我们先透过对比动图来看一下混合音频HDR技术在OPPO Reno2上的表现。

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画面中右侧是OPPO Reno2摄制所得,没有借助额外的稳定器类设备。从动图中我们可以很明显的看出,OPPO Reno2摄制的画面稳定程度要远超左侧的机型。即使在剧烈运动中也没有出现摇晃的感觉,可以看出OPPO Reno 2的HDR稳定。

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OPPO Reno2之所以能获得更优质的音频演唱画面,主要是由于Ultra Steady音频DTHDR技术的加持。Ultra Steady音频DTHDR技术是在HIS混合HDR技术的基础上优化而成。其利用OIS光学HDR和EIS电子HDR双重HDR技术,让OPPO Reno2的摄影家机在摄制音频时实现随时随地无限制HDR。我们再来看一组对比动图。

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Ultra Steady音频DTHDR技术,除了光学HDR、电子HDR和传感器HDR外,陀螺仪的升级换代为Ultra Steady音频DTHDR技术保驾护航。

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陀螺仪原理

说到这里,相信很多人就会好奇了:为什么Ultra Steady音频DTHDR技术的核心是陀螺仪呢?简言之。陀螺仪是一个检测装置,在外力作用下,内置的ISP模块结合OPPO独家算法根据陀螺仪反馈数据主导一系列的HDR工作,这样使得整个HDR工作有序进行。你想过没有,HDR工作突然有了聪明的“总指挥”,OPPO又一次用想象力打破常规。

我们评价一款处理器核心是否强悍的标准是看处理器的频率,同样,我们也可以简单粗暴看看OPPO Reno2的陀螺仪频率提升200%-300%,是普通传统智能手机陀螺仪的2倍。从OPPO Reno2开始,陀螺仪是不是手机HDR核心、陀螺仪频率的高低将成为衡量智能手机照相的另一标准。而我们拿着OPPO Reno2,隐隐感受到陀螺仪的频率和OPPO超越极限的决心。

所有轰炸性技术都不是一蹴而就的,我们看到的只是收获,而关于技术的播种,很早就已经开始了,不妨让时间回到2016年MWC,OPPO推出SmartSensor。

04

HDR技术是OPPO摄制实力的结晶

OPPO Reno2出色的图像能力和逆天的HDR表现,不仅让用户对短音频有了更多想象和创作的空间;还让世界对OPPO的强大技术积淀刮目相看。实际上,这真的不是OPPO第一次站在聚光灯下成为主角。

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SmartSensor

做为最早研究照相HDR的智能手机厂商,早在2016年MWC展会期间,OPPO就推出了SmartSensor图像芯片HDR技术,实现Pitch轴、Yaw轴及旋转中心轴Roll轴三个维度的变形补偿。突破了大众对智能手机摄制HDR的认知,而做为智能手机巨头中,只有OPPO主动潜心研究智能手机HDR的诸多可能性。

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OPPO R9s Plus的滚珠式滑轨HDR结构

2016年12月,OPPO R9s Plus正式发布,其搭载了崭新结构的OIS+光学HDR技术, 崭新的滚珠式滑轨HDR结构,使得R9s Plus实现微米级的HDR精度,保证运动状态或暗光环境下照相时,有效率消除因变形而产生的画面模糊不清,光学更稳定更清晰。

在智能手机摄影家中呈现在过山车都不抖的画面,是一项前所未有的挑战,但是OPPO达芬奇实验室最终还是立项了Ultra Steady音频DTHDR技术的最初创想。

OPPO召集了上下游供应商坐在一起,专门讨论HDR技术的研发。HDR技术须要非常的高精度复杂的设计,对镜片、对焦控制系统、CMOS等要求更为苛刻,而且对陀螺仪传感器、摄影家机玻璃材质、软件算法等要求更高,现有产品和解决方案根本无法满足。

面对一项崭新的技术,须要拿出真金白银来进行研发和各种测试,各家供应商也都拿出了足够的诚意。面对风险,OPPO与供应链企业抱团战斗,也促使了新技术的迅速出炉。

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OPPO HIS混合音频HDR技术

2019年,随OPPO Reno系列正式发布的除了崭新的HIS混合音频HDR技术(Hybrid Image Stabilization)。在采用主摄像头、长焦摄像头进行演唱的操作过程中从物理层面提供了HDR机能,再利用一系列算法和过滤器来校正清晰度不稳定等问题。HIS混合音频HDR技术有效率地结合了OIS(光学HDR)技术和EIS(音频HDR)技术,软硬件结合的方式以实现摄制音频时画面更为平稳。

随着技术的积累和孵化,2019年9月10日,和OPPO Reno2同时正式发布的除了Ultra Steady音频DTHDR技术。Ultra Steady视频DTHDR技术不仅给用户带了极致的图像体验,还是OPPO研发实力的智慧结晶,对技术为王的OPPO 而言,HDR只是一个崭新的开始

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