高等动力学「期末陀螺仪研讨会」

1、高等動力學期末陀螺儀研討會題目：防手震(陀螺儀技術應用)林永勝 19754315 高等動力學期末陀螺儀研討會題目：防手震(陀螺儀技術應用) 林永勝 陳孟群 楊道琴 19754315, 19754317, 19754323, 摘要數位相機的影像穩定技術一直是相當熱門的話題，採用具備防手震技術的數位相機，可以做到在大部分原先需要三角架的場景情況之下，仍能使用手持的方式進行拍照，讓數位相機在一些低照度環境之下，仍能維持相當優秀的行動力與拍照品質。早先此類技術幾乎都由日本影像大廠所獨佔，近年來臺灣數位相機廠商也開始在產品之中增加了各種防手震技術，藉以提升產品競爭力。 防手震技術主要透過幾個方

2、式來達成，除了CCD防手震以及機械式防手震以外，最常見的應該屬於以軟體計算補償的方式，不過此種方式降低CCD感光元件的可利用率，而且應用限制上也比較大，但是技術門檻較低。而一般廠商也有將高ISO能力作為訴求，將之視為另一種防手震的方式，不過基本上高ISO只是讓快門可以在感受到震動之前完成動作，並不是一般廣義上的防手震機制，真正的防手震機制是要在拍攝過程中，偵測並抑制因為手部晃動而造成的影像模糊現象，高ISO同時也會帶來更高的雜訊。圖說：防手震功能可有效改善圖像因晃動而模糊的問題。（資料來源SCHNEIDER-KREUZNACH）時也會帶來更高的雜訊。一、 前言防手震技術最早是在1970年代所研

3、發出來的，最早是Nikon的VR（Vibration Reduction）防手震技術，並且搶先應用在消費型數位相機之中，不過因為其高訂價策略以及錯誤的市場策略，使得系列款防手震傻瓜相機銷售奇慘無比，讓Nikon好久一段時間不敢再談及防手震技術，直到2000年才又重新出發。而Canon自行研發的防手震技術，最早是應用在其高階鏡頭上，稱之為IS（Image Stabilizer）影像穩定系統，由於定位正確，從此Canon在防手震技術上一戰成名。隨後相機從傳統膠片轉望數位發展， Panasonic公司所提出的O.I.S（Optical?Image?Stabilizer）技術，也同樣是在鏡頭上作防手震

4、文章，這些公司的防手震架構基本上都可以歸入同一類技術，不同的只有成像邏輯以及相關演算法而已，扣除不同的晶片方案或佈線結構，在硬體達成方式上可以說沒什麼兩樣。在過去，這類鏡頭防手震技術對於上下晃動的防止較為有效，不過發展至今，以Canon的IS技術為例，已可有效同時防止上下左右四方向的震動，甚至也可以透過設定，決定那個軸不進行防震動作，藉以達到特定的拖影效果。圖說：Canon IS技術鏡頭元件。（資料來源：Canon）不過防手震技術並不僅止於鏡頭部分而已，部分公司也轉向成像元件來進行防手震處理，比如說KonicaMinolta 所研發出CCD AS（Anti Shake）技術，概念上便是對CCD

5、感光元件進行機械支架浮移處理，藉由補償運動來抵銷震動過程中所導致的影像模糊化，這個架構是屬於全新一代的機械式防手震技術。圖說：Konika-Minolta將數位相機部門賣給Sony，其首創的機械式CCD防手震也將由Sony及其他倣傚廠商繼續發揚下去。（資料來源：Konica-Minolta）二、防手震技術的種類(一)光學式防手震技術 (舉例廠商如下)Canon IS :在鏡頭中加入一塊浮動鏡片，使射入的光線與相機本身的振動做抵銷位移，來維持影像本身的清晰。補充:IS技術發表於1992年.是最早的光學防手震技術.應用於AF鏡頭CANON於2004年應用於DC上 型號為 Powershot S1

6、IS.第三代IS技術為最新.可抗3級震動.(二)電子式防手震技術 (舉例廠商如下)Sony:藉由陀螺儀來感應角速度，並由程式對捕捉到的像素做補正(三)機械式防手震技術 (舉例廠商如下)Minolta AS :藉由陀螺儀角速度偵測裝置，偵測到發生震動時，使浮動CCD做反方向運動，來補正像素。補充:AS技術於2003年發表.是第一個浮動CCD抗震技術Minolta最先應用於DC A1上。除了常見的以上分類外，也有依據調整元件位移的種類不同，所做的分類如下:鏡片位移式：Nikon Vibration Reduction(VR)CanonImage Stabilizer(IS)PanasonicOpt

7、ical Image Stabilizer(OIS)SigmaOptical Stabilizer(OS)感光元件位移式：KonicaMinoltaAnti-Shock(AS)RicohVibration Correction FunctionPentaxShake Reduction(SR)  SONYSuper Steady ShotOlympusImage Stabilization 三、感光元件位移式防手震技術AS此防手震技術有很大的優點，那就是由於CCD是內建在機身內部，因此不論搭配何種鏡頭，都可以達到防手震的目的，而不必為了防手震技術特意選購具備有防手震技術的鏡頭，而且C

8、CD防手震也可以避免因為鏡頭結構的干擾而改變了原有光軸的位置，導致成像品質的失真。而且甚至也可以搭配具備防手震的鏡頭，來達到雙重防手震的效果。CCD AS技術發展較晚，因此在應用方面較少，不過在技術層面已屬相當成熟，Sony雖然取得了AS技術的使用授權，但目前也傾向於只將此技術應用在高階 DSLR機種中，而暫時沒有拉往消費機的計畫。這也是因為消費機的競爭過於激烈，加上成像品質也不若DSLR那般要求，因此Sony在消費機上的防手震技術是採用Super Steady Shot技術，與Canon、Nikon及Panasonic等公司的技術同屬鏡頭防手震技術，而雖然在100上採用的是AS CCD防手震

9、技術，但Sony仍舊將之稱為Super Steady Shot，這事要注意的一點。同樣對CCD進行防手震動作的還有Pentax公司的SR技術，雖然說Pentax公司採用的SR（Shake Reduction）技術，基本上也是屬於CCD防手震的一種，但是在硬體實做上與AS架構有相當大的不同，Sony Anti Shake採用的是CCD機械浮動原理，而Pentax的SR技術則是採用兩個陀螺儀來進行對CCD感光元件的水平與垂直震動偵測，並利用磁力推動來進行補償動作。要注意的一點就是，Casio所推出的消費型相機中，也採用了名為Anti shake的技術，不過這個AS技術基本上是利用軟體處理重疊曝光的

10、成像，並不是屬於鏡頭硬體防手震的技術。四、 防手震技術原理原理是靠移動鏡片及時調整光軸來抑制手震，光學防手震的設計原理其實不難理解，相機中會放入一個秘密武器"陀螺儀"，也有廠商稱之為"迴向感應器"。陀螺儀可以偵側各種方向的加速度，相機內建類似陀螺儀的電子元件當觸動快門第一階段(第二段為啟動快門)，經由相機微處裡器換算陀螺儀的偏動訊號將訊號轉為電能，傳遞給位於鏡頭內負責校正的"浮動鏡片"(通常為凹透鏡)負向移動，進而改變光線曲率，抵銷手震的頻率然後靠著微電腦計算機，回饋反方向改變量，來穩定平衡你的鏡頭，所以你可以把它想成當你按下快門時手

11、不小心向下滑了一下，電腦就會發布命令，讓鏡頭或是CCD向上滑移補正。五、 防手震核心技術由於目前MEMS微機械技術發展迅速，過去因為體積考量而無法整合的慣性偵測功能，如今因為MEMES製程的改善而有了重大的突破。這一類主要核心技術包含了陀螺儀與加速計，如今也被廣泛的應用在鏡頭防手震或CCD防手震技術之中，此類防手震技術採用動作感測元件來進行移動狀態的感測，回傳到處理器之後，再對鏡頭或CCD進行位移補償。在感測元件的選擇上，自然是以目前最為流行的MEMS微機械架構陀螺儀為主，不過在特定狀況之下，採用加速計也是個不錯的解決方案。由於這類MEMS感測元件可採用標準CMOS製程，因此可以縮到非常小的地

12、步，對於目前追求時尚與輕便的數位相機設計潮流來說，具有相當大的幫助。在元件的採用上，目前有ADI、ST、Freescale以及InvenSense等公司提供。圖說：ADI的陀螺儀感測元件架構圖。（資料來源：ADI）ADI的陀螺儀感測元件已經可適應2軸或 3軸感應的需求，而且具備了相當高程度的可程式化能力，在最新的ADIS16255中，提供了從±80°/sec, ±160°/sec, and ±320°/sec的感測能力，靈敏度達到了0.018 °/s/LSB，不過這款晶片主要是應用於較大且較高階的感測應用上，對於圖像穩定的應

13、用，則是以ADXRS系列為主，該系列售價低廉，功耗低，且精確度相當高，不過產品封裝體積上相較起競爭者要顯得稍微大了一點。圖說：意法半導體的動作感測元件。（資料來源：意法半導體）而在ST公司所提供的MEMS感測產品上，則是採用了Thelma表面微加工製程技術，可以製造具備更高靈敏度的產品，事實上，該公司的三軸加速計已經被任天堂的次世代體感遊樂器Wii所採用，作為其魅力十足的遊戲控制方式的技術核心。當然，以其三軸加速器而言，該公司的LIS302DL三軸加速計，封裝大小只有驚人的3x5x0.9mm，提供了完整的動作感測能力。圖說：Freescale的動作感測元件。（資料來源：Freescale）Fr

14、eescale公司所提供的是具備3軸感應能力的加速計，與陀螺儀同樣的可以進行傾斜、角速度與定位的感測，在最新的單晶片產品中，以6x6x1.45mm的封裝大小，提供了傾斜、移動、定位等不同感測功能，工作模式之下僅耗電500A，而且也具備了睡眠模式，最低僅耗電3A，省電能力極強。圖說：InvenSense的動作感測元件。（資料來源：InvenSense）InvenSense 是家死忠的陀螺儀支持者，InvenSense公司認為陀螺儀與與加速計不定位不同，陀螺儀可精準的測量偏航或者斜度。該公司表示，對於手機和遊戲機、數位視訊和數位相機穩定、3D遙控和空中滑鼠（air mouse，在空中揮手就可以控制

15、螢幕上的游標，類似電影關鍵報告中的場景應用）市場具有極大的潛力，該公司也計畫將要推出六軸感應陀螺儀，以備將來更先進的產品需求。該公司的陀螺儀已經被相當多的數位相機廠商採購應用於數位相機作為防手震功能技術核心，台灣、Sanyo與韓國LG都是其中之一。圖說：完整的影像防震電路。六、 未來需要防手震技術之情境(一) 長焦距拍攝對一般DSLR或具備長焦的消費機來說，長焦的應用大多是在風景、鳥類或者是運動場上，還有目前最流行的狗仔隊，在這些情境之下，利用長焦鏡頭除了可以藉由景深來突出主體，並且可以利用長焦望遠將拍攝主體進行放大。不過長焦鏡頭因為鏡片設計的關係，通常會顯得更為粗大，如果在光線不足的環境之下

16、，想要手持穩定拍攝幾乎就成了不可能的任務，一般風景不會動，鳥類也會有其活動範圍，利用三腳架來增加穩定性也是可行之道，不過人物神情或動作抓拍時機一閃即逝，想要利用三腳架來穩定相機顯得緩不濟急，因此防手震便可在此時派上用場。(二)低光源環境拍攝在室內在室內傍晚進行拍攝時，由於自然光線不足，因使通常會將快門速度調慢，藉以增加入光量，使用閃光燈來進行光源補充，或者是提高ISO，來提高對光源的敏感度，但是閃光燈對環境氣氛會產生影響，高ISO或多或少又會帶來雜訊問題，若是藉由防手震技術，便可安全將快門調降至一般無防手震安全快門之下，藉以在不造成畫面晃動的情況之下取得更高的入光量。圖說：夜景等低照度環境對於數位相機的感光與防手震能力要求很高。（資料來源：kobe-mari.maxs.jp）(三)微距拍攝在距離被攝主體極近的情況之下，會產生與長焦距攝影同樣的狀況，那就是只要稍微晃動，畫面的反應就會很明顯，過去沒有防手震的時代，幾乎都要使用三腳架才有辦法拍出可接受的品質。七、 結論防手震技術在數位相機上已經幾乎達到全面普及的地步，在設計上決定採用何種防手震架構，將會對該產品的最終市場定