手机防抖

光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析

解官宝;郭喜庆

【摘要】研究了光学防抖提高相机成像清晰度的原理和效果.从相机成像光路上分

析了抖动对成像的影响并给出抖动造成的偏移量的表达式；建立了光学防抖的控制

模型,采用PID控制算法,利用MATLAB仿真得出防抖效果；在关闭和开启光学防

抖条件下,对成像目标拍摄并经处理后得到2组8幅150×112像素的图像.在基于

频率域的直方图上,有光学防抖的图像增加10个左右高频分量；在基于空间域的能

量梯度曲线上,有光学防抖的图像数量级从104提高到了105.%Theprincipleand

effectofimagestabilizerforimprovingthedefinitionofimagearestudied.

First,theinfluenceofshakingonimagingisanalyzedaccordingtothelight

pathofcameraandtheexpressionofofftdcaudbyshakingisgiven;

cond,thepaperestablishesthecontrolmodeloftheimagestabilizer,

ustheproportional-integral-derivative(PID)con-,trolalgorithmand

getstheresultofanti-shakingeffectswiththesimulationofMATLAB;last,

someobjectsareshotbyadigitalcamerarespectivelyunderthe

ups,8images

nthehistograminfrequency

domain,theimageshotwithimagestabilizerhas10morehigh-frequency

componentsthantheimageshotwithoutimagestabilizeronaverage;

badontheenergygradientcurveinspatialdomain,theorderof

magnitudeoftheimageshotwithimagestabilizerincreasfrom104to

105.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2012(033)002

【总页数】6页(P278-283)

【关键词】光电检测;光学防抖;成像清晰度;MATLAB图像处理

【作者】解官宝;郭喜庆

【作者单位】中国科学院光电研究院,北京100094;中国科学院研究生院,北京

100049;中国科学院光电研究院,北京100094

【正文语种】中文

【中图分类】TN206

引言

在使用数码照相机时，特别是在长焦距条件下，如果没有使用三角架，那么人手的

抖动难免会对成像质量造成影响，甚至是不可恢复的。因此，抖动补偿成为许多有

关稳像技术科研院所和生产企业的研究热点。目前的3种主流防抖技术：光学防

抖、CCD防抖和电子防抖。光学防抖主要依靠镜头内部的补偿镜片来实现抖动补

偿；CCD防抖是以移动CCD自身来补偿抖动造成的光轴偏移量；电子防抖是通过

数字图像处理技术对抖动后成的像进行修正恢复。3种防抖方法各有优劣，但是光

学防抖在一些情况下防抖效果显著，应用前景广阔。

1994年日本Nikon公司推出具有“VR”减震系统的袖珍相机，第一次将光学防

抖技术引入相机领域，VR全称是“VibrationReduction”。1995年日本

Canon公司推出世界上第一只带有图像稳定器镜头EOS75～300mmf／4～

5．6IS，IS是“ImageStabilizer”的简称。“VR”和“IS”技术在原理上大致

相同。之后，Panasonic的OIS（OpticalImageStabilizer）技术在防抖组件中

引入磁悬浮技术，Sony在防抖组件中只有一枚移动镜片。

光学防抖技术正向小体积、多驱动方向发展，有望能在手机照相机等微相机系统上

实现防抖功能［1］。同时，光学防抖技术与机械减振、电子防抖相结合，实现光

机电一体化的高精度、高可靠性和高效率的结合。随着航空相机和工业相机等成像

系统数字化，电子防抖方式灵活、体积小、成本低等优点，在机械减振系统大幅度

减振后和光学防抖技术有机地结合，也将成为稳像技术发展的趋势之一。

1光学防抖

1．1光学防抖原理

在成像过程中，常常会因为成像设备与被摄物体之间的相对运动，导致图像模糊

［2］。在使用数码相机时，在按下相机快门后的曝光时间内抖动就会使得光轴偏

移，从而严重影响图像清晰度和分辨率等性能［3］。从抖动的形式来看：可以将

照相过程的相机上下左右前后的平移称之“平动”；将照相过程中相机的倾斜称之

为“倾角”。在“平动”抖动过程中，若曝光时间较短，那么可以看作被摄物相对

像平面做匀速直线运动，偏移量d与被摄物的距离成反比；在“倾角”抖动过程

中，那么可以看作被摄物相对像平面附近的轴做旋转运动，偏移量d与旋转角度

成正比，显然，“倾角”抖动对成像造成的影响相对“平动”抖动大得多［4］。

因此，在长距离拍摄静态目标时，“平动”抖动往往可以忽略。抖动对成像的影响

及光学防抖原理如图1所示。

在图1中，（a）图是没有抖动下的成像，（b）图是抖动下的成像。可以看出在

成像过程中因为抖动会造成光轴偏移θ角，这样原来成像在CCD上的点会成像到

另一点。我们将这个偏移量计作d，并给出d的计算公式：

当θ较小时，有关系式：

其中

式中ωt为光轴角速度。

光学防抖目的是减小偏移量d，方法是在镜头中加入一组补偿镜片，利用镜片的光

学特性减小光轴偏移角度θ，从而减小偏移量d，其原理图如图1（c）所示。

1．2光学防抖中的控制模型

光学防抖中，在曝光时间内需要完成以下过程：抖动检测、信号处理和补偿镜片移

动。整个过程是一个伺服运动，同时还具有检测时间短、信号处理速度快和镜片补

偿移动量小等特点。本文就此过程建立一个控制模型来进行理论分析。

在工程实践中，比例、积分、微分控制算法应用广泛，简称PID控制。PID控制

因其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而从它诞生之日起成为工业控制的

主要技术之一。当控制量是恒值时，利用PID控制规律可以使被控量迅速达到控

制量的设定值［5］。我们要做的就是将抖动造成的光轴偏移量尽量减小到预设的

位置，所以PID算法可以应用到光学防抖之中。本文是按照PID控制算法建模的。

根据相机中的抖动和防抖原理得出光学防抖中的控制模型如图2所示。

在图2中，按下快门时的光轴位置角度记作：

实际的光轴位置角度记作：

控制器采用PID控制算法，其数学表达式为

将抖动干扰信号和它后面的部分记作：

并且因为测量值是单一的，所以模型为单位反馈。于是得图3所示的控制传递函

数图。

由图3可以得出输出C（s）的表达式：

代入（4）式～（8）式并化简后得出：

PID参数的整定是需要理论计算和工程经验的，有时需要工程人员在线对控制系统

进行大量的参数整定［6］。为了说明（10）式可以起到防抖的作用，本文选取一

组PID参数KP＝0．0001、Td＝0．001和Ti＝0．001，并讨论ωt不同形式下

的防抖效果。下面首先给出在已给定参数下的运动曲线（图4）。

从图4可以看出：整个运动大约在0．01s后趋于稳定。同时，所有的单反相机应

至少有以下快门：1、1／2、1／4、1／8、1／15、1／30、1／60、1／125、1

／250、1／500、1／1000，单位为s。而在照相时因个人差异、手腕稳定度不同，

所造成的抖动形式也是千差万别，ωt可以看作是随机信号。实验证明，一般人手

持相机时的手抖频率为0～20Hz，为研究方便将ωt的频率用ν表示且其取值范

围也设定为0～20Hz，并且在表1中的快门速度下对抖动造成的光轴偏移看作是

匀速圆周运动，角速度为1°／s（为计算方便取该数值，实际中人在有意识下的动

作为200°／s～300°／s）。防抖效果用θc－θ0的幅值衡量，得出防抖效果如表

1所示。

表1防抖效果Table1Imagestabilizereffect（θc－θ0）／°快门／sν＝0ν＝

5Hzν＝10Hzν＝15Hzν＝20Hz020．00001／2002．50005．0000

7．500010．00001／无有无有无有无有无有1005．000010．000

015．0004001．25002．50003．75005．0000

续表无：没有防抖；有：有防抖（θc－θ0）／°快门／sν＝0ν＝5Hzν＝10Hzν

＝15Hzν＝20Hz8000．62501．25001．87502．50001／1500

0．33300．66701．00001．33301／30000．16700．33300．500

00．66701／60000．08300．16700．25000．33301／12500

0．0400．000020．0800．001020．1200．000150．1600．000201

／250000．020－0．000980．040－0．001960．060－0．00298

0．080－0．003981／500000．0010．000050．0200．00840

0．0300．012600．0400．016801／1000000．00050．00027

0．0010．000530．0150．0无有无有无有无有无有1／08010．020

0．01068

表1中的讨论全部基于图4中的运动曲线，即PID的参数是已给定，从表1中的

数据可以看出相机防抖功能会大大减小因抖动造成的影响，但是防抖的作用不是无

限的。

2相机成像清晰度评价

图像质量评价可分为主观评价方法和客观评价方法，前者凭借实验人员的主观感知

来评价图像质量；后者依据模型给出的量化指标，模拟人类视觉系统感知机制衡量

图像质量［7］。由于相机成像质量评价是无参考图像的质量评价，而且图像质量

与人的主观欣赏度是相关的，这就使得图像客观评价的内容和范围都受到限制，无

法全面地衡量图像质量［8］。因此，本文在主观观察之后，主要依靠客观评价方

法来评价图像质量。同时，本文中的抖动对图像质量的影响主要体现在图像的清晰

度上，而图像清晰度也是普通相机和航空相机在获得图片时重要考虑因素，所以本

文着重讨论光学防抖对相机成像清晰度的影响。

数字图像评价函数是评价数字图像清晰度的重要依据，常用的图像清晰度评价函数

有基于频率域、空间域特征和统计特征等几类［9］，本文就前两类来讨论。

1）基于频率域，文献［10］指出图像的高频分量少，则图像模糊；图像的高频分

量多，则图像清晰。

2）基于空间域特征，文献［11］指出在数字图像处理中，图像的对比度越高，它

的边缘就越清

式中I（x，y）是图像在点（x，y）处的灰度值。

下面给出关闭防抖和开启防抖功能下两组150×112像素的图片。晰，其梯度值也

就越大。能量梯度函数常作为清晰度评价函数，其数学表达式为

图5中（a）与（e），（b）与（f），（c）与（g），（d）与（h）仅是有无防

抖差别的一对图片。主观上有防抖的图像要清晰，客观上评价，它们的直方图如图

6所示。

在图6中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（g）、（h）分别是图

5中与之对应的灰度直方图，可以看出开启防抖功能的图片高频分量增多，图片清

晰。它们的能量梯度曲线图如图7所示。

在图7中，下方的曲线是对应a、b、c、d的4幅图像，上方是对应e、f、g、h

的4幅图像，从图中可以看出具有防抖功能之后的图像清晰度比没有防抖功能的

在数值上高出一个数量级。

3结论

对光学防抖提高相机成像清晰度的原理进行了理论分析，并对光学防抖建立控制模

型。分别选取抖动频率为0、5、10、15、20Hz，同时将抖动造成的光轴偏移看

作是匀速圆周运动，在角速度为1°／s的条件下，利用MATLAB仿真，当抖动频

率为5Hz时抖动角度为0．083°（假设此时安全快门为1／60s），那么开启光学

防抖功能后的快门速度在1s时，使抖动角度降为0°，仍可成清晰的像，降低了6

档快门速度，较目前降低4档左右快门速度的效果要好。类似地，在其他频率时

也可以得出相应的结论。通过对关闭和开启防抖功能下拍摄图像的直方图和能量梯

度曲线比较，开启防抖功能下的图像清晰度明显优于关闭防抖功能的图像。

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