精華 地球自轉(zhuǎn)限制了相機(jī)防抖的性能

2016 年，奧林巴斯推出號稱擁有 6.5 級防抖的新相機(jī)，并宣稱限制因素是地球自轉(zhuǎn)，引起攝影界轟動。這令人吃驚，因為相機(jī)防抖技術(shù)自上世紀(jì) 90 年代引入鏡頭以來一直在穩(wěn)步提升，最初的防抖系統(tǒng)僅能提供幾級的補(bǔ)償效果。后來，隨著技術(shù)進(jìn)步和從膠片到硅基成像傳感器的轉(zhuǎn)變，防抖系統(tǒng)得以集成到相機(jī)本身，成為機(jī)身防抖 (IBIS)。

防抖性能提升的主要因素在于用于測量振動的陀螺儀傳感器和用于校正振動的控制電子設(shè)備。對于這類應(yīng)用，陀螺儀傳感器的零點偏移精度往往是限制因素。即使相機(jī)完全靜止，噪音也會導(dǎo)致傳感器讀出微小的非零值，進(jìn)而導(dǎo)致防抖系統(tǒng)漂移。漂移越小，防抖系統(tǒng)保持圖像穩(wěn)定的時間就越長。理論上，假如陀螺儀傳感器沒有噪音且防抖系統(tǒng)完美工作，它應(yīng)該能夠提供無限的防抖補(bǔ)償級數(shù)。然而，在大約 6 級快門速度補(bǔ)償時，限制因素就不再是電子設(shè)備，而是地球的自轉(zhuǎn)！

舉例來說，假設(shè)你站在地球表面某個地方，相機(jī)指向正東或正西。為方便起見，假設(shè)你位于赤道上，但緯度在這個分析中實際上無關(guān)緊要。一天有 86,400 秒，因此地球的旋轉(zhuǎn)速率為 2π/86400 弧度/秒，或 7.27 * 10^-5 弧度/秒。這意味著你的拍攝對象(想必也靜止在地球表面)也以這個速率旋轉(zhuǎn)。你的相機(jī)正在使用 IBIS 系統(tǒng)盡可能保持一切靜止，它可能沒有意識到你和拍攝對象正在一起旋轉(zhuǎn)，而是會嘗試消除任何相機(jī)的旋轉(zhuǎn)，包括地球的旋轉(zhuǎn)。更準(zhǔn)確地說，相機(jī)試圖相對于慣性參考系保持穩(wěn)定，而由于地球的自轉(zhuǎn)，你和你的拍攝對象并不屬于慣性參考系。

當(dāng)?shù)厍蛟谄毓馄陂g旋轉(zhuǎn)時，基本的防抖系統(tǒng)會嘗試保持相機(jī)的指向，就像它處于慣性系或參考系一樣。假如相機(jī)指向東方，這將導(dǎo)致它相對于拍攝對象逐漸向上移動，而拍攝對象并不位于慣性系中。

相機(jī)當(dāng)然會隨地球和拍攝對象一起移動，但會相對于拍攝對象旋轉(zhuǎn)。假如相機(jī)像上圖所示那樣指向東方，它將相對于拍攝對象向上旋轉(zhuǎn)。

假設(shè)曝光時間由變量 T 表示。因此，IBIS 將導(dǎo)致圖像在傳感器上移動的距離為：

以最大允許模糊為 1 個像素寬度作為我們的標(biāo)準(zhǔn)，我們可以得到最大允許快門時間為：

一臺 2400 萬像素的全畫幅相機(jī)將具有寬 0.0059 毫米的像素。將此值代入上述方程，我們得到：

假如我們將 1/焦距作為實現(xiàn)銳利圖像的最大快門速度的標(biāo)準(zhǔn)建議，那么這個方程表明，在防抖的情況下，我們可以使用的快門速度是地球自轉(zhuǎn)模糊圖像一個像素的 81 倍。用更熟悉的術(shù)語來說：

級

真巧！當(dāng)然，并非所有相機(jī)都具有相同的 0.0059 毫米像素間距，但手持拍攝最大快門速度的規(guī)則會相應(yīng)改變，因此這 6.3 級對于大多數(shù)相機(jī)來說都是一致的。反過來，我們可以說，為了提供 6.3 級防抖，系統(tǒng)必須能夠測量和補(bǔ)償相機(jī)旋轉(zhuǎn)緩慢的現(xiàn)象，例如地球的旋轉(zhuǎn)，即每天 360 度。這確實令人印象深刻。

奧林巴斯相機(jī)公司可能正是基于類似的計算得出了以下說法：

“由于地球自轉(zhuǎn)干擾陀螺儀傳感器，6.5 級實際上是目前的一個理論限制。”

從那時起，情況變得更加復(fù)雜。奧林巴斯發(fā)布了號稱擁有 7.5 級防抖的 OM-D E-M1X，松下則宣稱其新款 70-200 f/2.8 擁有 7 級防抖。這怎么可能呢？由于無法獲得用于對這些設(shè)備進(jìn)行 CIPA 防抖評級測試的數(shù)據(jù)，很難確定原因。從理論上講，有一些方案可以繞過地球自轉(zhuǎn)帶來的限制：

使用相機(jī)的 GPS、加速度計和指南針來精確計算其指向和緯度。有了這些信息，您可以計算必要的偏移量并編程您的防抖系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。
對您的防抖系統(tǒng)使用高通濾波器。地球的自轉(zhuǎn)超級恒定，因此假如您的陀螺儀傳感器應(yīng)該測量到微小但恒定的旋轉(zhuǎn)。相比之下，您的手會不停地晃動相機(jī)，因此工程師可以指示傳感器只補(bǔ)償后一種運動。

第一種方案由于多種原因不是一個好的解決方案。沒有 GPS 信號？在磁鐵旁邊拍攝？您的系統(tǒng)將無法工作。第二種解決方案更有說服力，但仍然超級困難。用戶必須將相機(jī)對準(zhǔn)拍攝對象足夠長的時間，以使他們對拍攝對象的瞄準(zhǔn)漂移小于地球自轉(zhuǎn)的漂移。這也不太可能。然而，令人擔(dān)憂的是，第二種方案是一種可以在 CIPA 指定的防抖測試儀器上很好地抵消地球自轉(zhuǎn)的方案。

在 CIPA 防抖測試中，相機(jī)安裝在振動平臺上。然后，相機(jī)由平臺按照 CIPA 提供的波形移動，該波形旨在模擬手持相機(jī)時的運動。設(shè)置如下圖所示：

在這個測試設(shè)置中，相機(jī)安裝在一個超級穩(wěn)定的平臺上，并在測試圖像拍攝前后的很長一段時間內(nèi)保持在那里。從理論上講，這可以使相機(jī)更容易識別和濾除地球自轉(zhuǎn)的任何影響。假如波形沒有任何超級低頻分量，則很容易將任何低頻運動識別為地球自轉(zhuǎn)。然而，由于無法確切知道相機(jī)制造商在執(zhí)行此測試時使用的波形是什么，因此無法得出任何有意義的結(jié)論。假如我們能夠獲得對所述穩(wěn)定值的一些獨立驗證，那就太好了，但 CIPA 似乎故意使之變得困難。正如他們的應(yīng)用程序指南中所述：

申請人必須是企業(yè)組織。
申請人必須了解標(biāo)準(zhǔn)和測量套件無法提供給個人、大學(xué)或任何其他研究目的的當(dāng)事方。

這對我來說似乎是不必要的限制，并使得獨立驗證和分析測試成為不可能。

總而言之，我無法確定奧林巴斯和松下是否在其防抖系統(tǒng)中找到了補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)的方案，突破了 6.3 級限制，或者它們是否通過 CIPA 評級測試的奇怪之處實現(xiàn)了 7 級以上的防抖。假如有人擁有這些擁有 7 級以上防抖功能的相機(jī)并且有一些時間，那么能夠展示相機(jī)突破地球自轉(zhuǎn)障礙將超級酷。假如相機(jī)無法做到，并且您可以證明地球自轉(zhuǎn)實際上是防抖系統(tǒng)的限制因素，那么那也將超級酷。

本文譯自 The Center Column，由 BALI 編輯發(fā)布。

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