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 相逢是缘 发表于: 2016-3-11 07:49:09|显示全部楼层|阅读模式

[百科] 从冷门到逆袭 相机光学与机身防抖进化史

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  我们知道现在最常见的相机防抖可以分为光学防抖和机身防抖,最近这几年的影像圈似乎处于一个微妙的变化期,光学防抖的发展进入了相对滞缓的阶段,5档防抖效果似乎成了光学防抖的上限;而机身防抖则发展的风生水起,从前些年的无人关注到如今五轴防抖大红大紫。今天我们就来看一下到底什么是机身防抖,机身防抖和光学防抖有什么本质的区别,我们如今所说的三轴防抖、五轴防抖、六轴防抖中的几轴又是什么意思。

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从光学防抖说起 目前经历两代发展
  目前来看,不论相机、手机还是摄像机,图像采集系统一共有三类防抖技术:镜头光学防抖、机身传感器防抖和电子防抖。普遍来讲,公认的可应用的防抖技术中,光学防抖最早是尼康于1994年提出(VR技术),但是尼康提出后很长一段时间没有进行商业应用,光学防抖最早的应用是由佳能实现的。而机身防抖最早是在胶片时代由柯尼卡美能达提出,与光学防抖几乎在同一时间段。

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防抖技术在这么多年来一直是不大不小的宣传噱头,但是在技术应用的一开始却被打入了“冷宫”

  既然光学防抖是应用最早的技术,我们就先来看一下光学防抖技术。目前来看,光学防抖经历了大概20多年的商业应用,目前基本上已经定型。笔者以尼康的VR技术和佳能的IS技术,来说一下光学防抖的基本原理和发展。简单来说,不管是光学防抖还是我们后面要说的机身防抖,都是通过防抖组件(镜组或传感器)的位移或倾斜,来补偿像场发生的偏移或倾斜,从而减少因为相机抖动或倾斜带来的模糊。
  这里我们可以看到,这两组图很直观的介绍了镜片移动与光路改变的关系。就光学防抖而言,目前虽然尼康和佳能都经历了两代防抖(VR和VRII、一代和二代IS),但是在技术层面上,最初的光学防抖只能进行上下和左右的位移,也就是只能消除抖动,不能消除相机摇摆带来的防抖。但是最新的光学防抖,基本都具备了防抖镜片的倾斜功能,能在消除抖动同时消除摇摆。

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再来看下佳能的技术解释,或许更加容易理解

  光学防抖的核心原理基本就是这些,非常的简单明了。那么我们会发现,光学防抖其实在多年的发展中,改进的是传感器的灵敏度和准确性,以及机身防抖组件的精准度,在原理上,并没有实质变化。下面我们就看一下为什么光学防抖从一开始首先迈入了“冷宫”,又怎样成为了如今几乎标配的镜头技术。
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光学防抖的逆袭 从冷门到人人皆知
  其实防抖的发展并不顺利,因为光学防抖的本质在于镜片的运动,既然镜片运动,就有两个问题需要考虑,一个是镜片运动的准确度与灵敏度、一个是防抖镜组对于整体光路的影响情况。
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防抖组件是非常复杂的,如何不影响成像,还要有灵敏的调整,是一个不小的挑战

  虽 然尼康最早提出了可以应用于实际的VR防抖技术,但是由于当时VR技术对于画质有严重下降,所以第一个将防抖应用于量产镜头的公司反而是佳能。佳能在 1995年在75-300mm这枚镜头上率先使用了防抖技术,当时的技术仅限于镜片的上下左右移动,并没有倾斜功能,所以实际防抖效果只有2档快门速度左 右。现在看来,这是一项非常伟大的技术进步,但是当时看来,三脚架依然是最核心的稳定设备,防抖推出虽然有很高的关注度,但是由于防抖技术的不成熟,带来 了画质的巨大下降,反倒使得使得很长一段时间内,防抖设置经常会被大家设定为“off”。
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第一支防抖镜头是佳能95年的75-300mm镜头,虽然引起了很大轰动,但是对画质的下降使得当年的防抖并不那么“惹人喜欢”

  到 2000年左右,一代光学技术出现了突飞猛进的发展,主要在于对画质的影响越来越少,这时光学防抖的核心价值也得到了充分的体现。当时虽然光学防抖在定义 上各家仍然都是1代(以佳能尼康为例子,佳能仍为IS防抖,尼康为红字版一代VR;以两家官方说法,二代防抖效果可以达到4档以上,而一代则不能),但是 实际拍摄时对于画质的影响已经相对变得很弱,这时防抖这种实用性极高的技术,在各家长焦相机上开始大放异彩。
  随着二代光学防抖技术的推出,光学防抖技术达到了一个相对稳定的时期,一直持续至今。这期间例如佳能、尼康、索尼等防抖技术日渐成熟,而各个副厂例如腾龙适马的防抖技术也迎头赶上,可以说如今防抖技术已经逐渐成为了镜头的标配。
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目前的防抖技术,都具有“平移”和“倾斜”两重功能,也就是我们所谓的四轴(图为佳能双重IS防抖示意图)
  值 得注意的是,光学防抖的初期,镜片的矫正方式主要是上下和左右校正,这种方式其实是更加适合常规焦段下的,对于长焦镜头产生的整体摇摆并没有太好效果。但 是早期防抖却是大量应用于长焦镜头上的,这也是初期光学防抖不仅效果差,而且会对画质影响较大的主要原因。随着防抖组件灵敏度的提升,加上技术的改进,从 06年开始,光学防抖进入了一个10年的稳定器,至今鲜有更加出色的技术出现,反倒是另一个技术从无人问津变成了如日中天,那么就是机身防抖。
  光学防抖有着自己的天生优势,那就是对于长焦镜头的防抖效果非常出色,但是光学防抖的实现难度随着镜头结构的复杂化日益增大。而且光学防抖对于慢速快门下的因旋转而带来的模糊始终无能为力,对于视频模式下的防抖也表现得有心无力,这就促使了机身防抖的快速发展。
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机身防抖出现 为何要发展机身防抖
  下 面我们来聊一下机身防抖的话题,对于机身防抖来说,并不是一个新奇的产物。对于机身防抖来说,在胶片时代就已经提出,但是抖动胶片几乎是不可能的事情,因 此机身防抖的发展要比光学防抖晚很多。数码时代,宾得、奥林巴斯、索尼、松下、佳能等公司都有自己的机身防抖技术。通俗来讲,机身防抖的原理,就是通过传 感器的位移和倾斜来代替镜头防抖组件的位移和倾斜,从而起到防抖作用。
  最常见的机身防抖,一般包括“上下”“左右”两个方向,这 也就是机身防抖的雏形。两轴机身防抖有些近似于我们光学防抖的雏形,对于镜头上下左右摇摆带来的抖动几乎是无能为力,因此防抖能力一般仅限于常规焦段镜 头,对于长焦、微距或者是较慢快门下的拍摄都无能为力,标称的防抖效果一般在2.5-4档之间,实际效果一般在3档快门速度左右。例如宾得SR技术、早期 奥林巴斯机身防抖都是这类技术。
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早期官方技术图非常少,图为宾得早期SR光学防抖,可以看到防抖效果仅可以分解为上下和左右

  机身防抖在最初的若干年内一直是默默无闻,除了奥林巴斯和宾得,并没有得到太多的推广。真正是机身防抖进入大家视野的是最近几年的五轴防抖技术。
  在 五轴或者六轴防抖系统中,多出来的变化是传感器具有和镜头一样具有两个方向的“倾斜”,但是与光学防抖不同,镜片是不能转动的,这将改变光轴的走向,但是 传感器可以沿着Z轴转动,从而具备了旋转防抖的功能。另外,通常情况下,多轴防抖中,镜头的防抖组件也参与工作。但是与光学防抖中镜头的工作不同,五轴防 抖下,镜头的防抖镜组负责“倾斜校正”,也就是上下和左右倾斜,而“上下”“左右”位移不参与工作,交给机身的传感器位移来解决。
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通常情况下,虽然五轴防抖下机身具有所有的五个轴向,但光学防抖也会加入其中

  特别值得注意的是,目前最新的机身防抖,传感器也具有倾斜作用,但是由于相机的传感器的倾斜幅度远小于镜头光学镜片的倾斜幅度,因此通常这一矫正交由镜片来做,但是机身防抖下传感器是具有这一功能的。
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虽然五轴防抖以来镜头,但有的传感器本身也可以“倾斜”,公布的厂商包括奥林巴斯和索尼

  因 此,五轴防抖,其实就是“2+3”的防抖效果。但有得传感器没有倾斜校正效果,此时镜头没有防抖时,五轴防抖就变成了三轴防抖。至于松下的六轴防抖,是指 在照片拍摄时,机身防抖增加了一轴,变成了“2+4”。不过松下并没有明说多出来的这一轴是哪一方向,但是根据松下的海外视频,松下在照片拍摄时机身除了 传统的三轴,另外移轴应该是前后位移防抖。
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刚才我们看到了宾得的一代SR机身防抖,从K-1开始宾得进入了SR II,也就是五轴防抖时代

  对于机身防抖来说,优缺点都十分突出,而且很多特点具有不可替代性,下面我们就来看一下:
  1、水平旋转的防抖效果。镜片是无法进行旋转的,而传感器是可以的。这种方式对于更慢的快门速度下,显得更加有意义。
  2、视频效果。对于视频防抖来说,机身防抖的灵敏度和响应时间要快于单纯光学防抖,更加适合动态影像记录,这也是光学防抖的薄弱之处。
  3、体积大且矫正幅度小。由于机身防抖从根本上要驱动传感器的运动,因此防抖组件通常会更大,也会更耗电。而且,传感器的位移幅度和倾斜幅度收到了相机结构的强烈限制,因此对于长焦镜头的防抖效果并不好。
  看过了机身防抖,下面我们来聊一些更加关键的问题,我们一直再说“几轴”,究竟这个几轴是什么概念,而不同轴向又有什么样的实际意义。
 楼主|相逢是缘 发表于: 2016-3-11 07:49:09|显示全部楼层
从两轴到六轴 不同轴向的作用是什么
  从 前两页文章我们可以看到,不管光学防抖还是机身防抖,都会提及“几轴”。而且目前防抖技术已经从相机领域融入手机领域,手机上已经加入了光学防抖(普遍为 两轴),最近的小米5则是宣称具有4轴光学防抖。那么什么是“轴向”,不同轴向的作用又是什么,我们下面来揭晓。
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似乎这两年什么公司都喜欢提“多轴”概念,连手机也不例外

  通 常,我们把防抖组件的某一个补偿向量叫做防抖的一轴。简单来说,一般性的光学防抖可以实现镜片的“上下”和“左右”两个补偿方向的位移,所以可以理解为具 有两轴防抖效果。新一代的光学防抖技术,镜头防抖组件不仅可以上下位移,还可以“前后倾斜”或者“左右倾斜”,也就是具有四轴效果。而与镜头不同,传感器 通常具有三轴,也就是“上下”和“左右”位移,以及水平方向旋转,一共是三个轴向。
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机身防抖的五个轴有特定的名称,适用于所有的品牌,其中与光轴平行的方向为Z坐标轴

  我们很好理解不同轴向的分类,那么不同轴向都有什么样的作用呢?这里笔者为大家简单介绍下。
  1、倾斜:通常倾斜又镜片完成,用来校正相机摆动造成的模糊。镜片倾斜的作用主要针对长焦镜头。
  2、位移:不管是光学镜片位移、还是传感器位移,都是用来校正相机上下左右移动带来的模糊。位移主要用来改善近距离拍摄时的模糊。(大部分的模糊原因)
  3、旋转:特指机身防抖下传感器的水平旋转。在长时间曝光下,相机的横向转动会带来更大的影响,因此旋转可以消除更长快门下的抖动。(常被称作夜静下的防抖)
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五轴的不同作用,这张图可以很好解释

  所以,大家到这里可以明白,光学防抖并不会被机身防抖所代替,因为在长焦下,机身防抖所能起到的作用非常小,因此光学防抖在长焦上的应用,是具有极高价值和实用性的,并不能被替代。而光学防抖不能做到的是旋转,这一点传感器防抖更有优势。
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由于机身防抖对于长焦的效果轻微,像奥林巴斯执着了这么多年,在300mm f/4上也加入光学防抖了

  但 是,对于机身防抖来说,最大的两个局限一个是传感器防抖组件的体积和能耗,本来就不大的机身空间中要再放入任何部件都是艰难的。而另一方面,相机的内部尺 寸注定了传感器不能像镜片那样大幅度的摆动,因此镜头焦距越长,机身防抖的效果其实就越差,这也就是为什么长焦镜头上仍然主要依靠光学防抖。
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光学防抖仍有优势 为何机身防抖如此吃香
  看到这里大家应该明白,机身防抖和光学防抖是脱不开关系的,那么为什么如今机身防抖技术这么吃香呢?原因很简单,机身防抖其实是“可以改装的”,也就是我们可以在机身防抖的基础上,做很多其他的事情。目前来看,最常见的就是“抖动合成”。
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如今抖动合成已经从M43到APS-C再到全画幅,直到哈苏中画幅,都有实际的应用,而且效果出色

  通 过传感器的上下左右位移,我们可以实现传感器的抖动合成,也就是用像素更低的照片自动合成一张与现有镜头相同视角的“高像素照片”。这一技术最早商业化应 用于飞思中画幅,而后面则是奥林巴斯对这一技术进行了推广,最新的PEN-F可以通过2000机身像素,合成高达8000万像素的RAW文件,并进行输 出。相信如果未来这一技术可以解决稳定性瓶颈,例如可以结合连拍实现拍摄的瞬间化(现在需要三脚架稳定),这一技术一定会大放异彩。
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奥林巴斯像素抖动合成,代表了机身防抖的重要应用方向

  与 奥林巴斯不同,宾得的抖动合成,合成的是相同尺寸的照片,这一张照片等于拥有了原来4张照片的光学信息,因此在画质解析力和色彩信息上都比普通拍摄的照片 有巨大提升。这种方式类似于超采样,我们知道拜耳传感器中,一个像素点由四个单独色彩的像素组成,所以我们每个像素等于是4个像素点信息合成为一个。而宾 得的抖动,可以让每个像素点上的四个独立色彩像素单独成像一次,这样等于得到了4倍像素大小的照片超采样而来的照片。
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宾得的抖动合成,类似于我们的超采样,是机身防抖的另一个应用层面

  最 后说了这么多,相信大家已经清楚了机身多轴防抖的原理和应用。机身防抖虽然并不是新技术,但是受制于体积限制和耗电量问题,在近几年才在相机上大范围应 用,但与光学防抖不同,机身防抖具有极大的扩展潜力,可以实现“一箭双雕”的功能,所以是拓展相机潜力的好技术。
 楼主|相逢是缘 发表于: 2016-3-11 07:49:09|显示全部楼层
题外话 防抖与稳定器有什么关系
  最后我们来看一下如今热门的另一个产品:稳定器。究竟相机防抖与稳定器之间有什么样的联系,二者又有怎样的区别呢?
  对于防抖,我们已经介绍了很多了,下面的问题是关于稳定器。稳定器,顾名思义是提供更加稳定的画面,相比于三脚架,稳定器是用于运动的场景,由于成本较高,在近些年才广泛出现于民用市场。
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简单来说,防抖可以让单帧画面(照片或视频更清晰),而稳定器则像三脚架,可以让画面更稳定

  防抖的机制,是通过改变光轴,从而使得图像在传感器上得到稳定,而改变光轴的方式是通过侦测当前时刻的位移变化,从而得出瞬时的改变,因此这种方式更加适合静态影像,而并不能改变画面随相机运动带来的起伏。
  稳 定器的原理有两种,一种是基于物理的重力平衡(例如斯坦尼康),从而减少相机的震动。如今更流行的则是电子稳定器,是借助于陀螺仪来侦测运动。这种侦测是 基于“惯性的”,也就是我们会判定被稳定物体下一秒的运动方式,从而提前做出改变,这种方式相比于光学防抖或者机身防抖,不仅可以稳定每一帧画面,更能让 视频画面保持平稳。
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之前例如斯坦尼康等,主要还是物理原理,但是新一代的稳定器都再向着电子云台转变

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稳定器是针对于视频的,目的在于稳定画面,而不是是单张画面更清晰

  从这里可以看出,防抖技术和稳定器是两个不同的技术层面,是互相弥补不可替代的。对于稳定器来说,抛开斯坦尼康这一类物理稳定器不谈,稳定器的关键在于“惯性预测”,而防抖技术不论是光学防抖还是机身防抖关键在于“实时补偿”。
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大疆的手持云台可以说是稳定器小型化的代表,代表了未来稳定器或者叫电子云台的发展方向之一

  所 以从这里可以看出,防抖技术的发展与稳定器始终是两种不同的技术,对于防抖技术来说,目前最主要的发展方向依然是停留在光学防抖上,但是未来机身防抖的应 用肯定会越来越广泛。而稳定器的成本正逐渐下降,在民用市场上,特别是超小型稳定器,在现实生活中意义越来越大。不管是哪一种技术,最终的目的都是让拍摄 者得到更加稳定的图像。
  总而言之,防抖和稳定器并不是一类技术,却有着看似相同的结果。在未来,防抖仍然是相机发展的主流,但是稳定器可以看作是三脚架的升级产品,将会发挥更大的用途,二者是相辅相成,不可或缺的。
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