手機相機OIS與EIS防手震的差別

電腦王阿達 – 2016年10月11日 上午11:19

隨著社交網站的盛行與智慧型手機的相機功能越來越強大，人們越來越倚重利用智慧型手機的相機來拍照與錄影，越來越多原本用於傳統相機及錄影機的技術導入手機相機之中。

為了克服手機夜拍與攝影容易手抖模糊的問題，中高階手機內建防手震功能越來越普遍，日前Sony更是推出全球第一台五軸防手震技術的Sony Xperia XZ，讓手機的相機功能與單眼相機又接近了一步。

手機的防手震功能，主要分成EIS電子防手震與OIS光學防手震，兩者有什麼差別呢 ? 2軸、3軸、4軸、5軸防手震又有什麼差別呢 ? 以下做一說明:

圖片來源:網路

由於手持智慧型手機拍照時，手的抖動會造成手機相機的輕微傾斜（一般在+/-0.5度以內），造成鏡頭觀察角度的變化，導致成像在圖像傳感器上相對於原位置發生偏移，造成圖像或影像模糊的問題。

尤其在弱光下夜拍、使用數位變焦將遠處景物放大、使用錄影功能、在行進、運動中拍攝、處於顛簸環境下拍照，都會加劇手抖問題而造成圖像或影像模糊。為克服這個問題，手機相機陸續引入相機的防手震技術。

所謂防手震技術Image Stabilization /Anti-snake最早是由Nikon在1994年的VRVibration Reduction防手震技術而來，其防震原理主要是利用可以偵測相機晃動用的高性能陀螺儀感測器及判定及處理相機晃動信號用的IS控制IC當作影像穩定器Image Stabilizer ，在快門開閤、捕捉影像的期間內，使之保持在同一位置上。

防手震技術演進至今主要分成OIS光學防手震、EIS電子防手震、CCD影像處理補正及光學補正。由於CCD易失真及光學補正體積大，智慧型手機相機所使用的防手震技術皆以OIS與EIS為主。

1. OIS 與 EIS防手震的差異:
A. EIS Electric Image Stabilization，電子防手震:
EIS是利用偵測到機身抖動的程度來動態調整ISO、快門或軟體來做模糊修正。EIS是一種演算法運算，透過影像裁減補償方式來避免模糊，防震效果取決於演算法的設計與效率，主要是用拍攝影像錄影防手震使用∘ EIS的優點是不需額外增加硬體，成本較低且適合微型化設計，但通常必須犧牲影像的解析度與大小，相對效果較不優。

B. OIS Optical Image Stabilization，光學防手震:
OIS是利用內置的鏡片Lens-Shift Optical Image Stabilization或感光元件Senor-Shift Optical Image Stabilization來對相機水平或上下的動作來逆向修正，可以用於照相及攝影的防手震上∘OIS優點是可靠性較高且不會犧牲影像的解析度，效果比EIS好，但缺點成本較貴、鏡頭機身沒辦法做很薄且有邊緣解析力下降的問題∘


圖片來源: 網路

手機相機因有微型化設計需求，採用鏡片移動Lens-Shift Optical Image Stabilization技術居多∘ 為了控制鏡頭相對於圖像傳感器平移而將手抖造成的圖像偏移抵消補償掉，手機相機模組的音圈馬達（VCM）扮演OIS防手震最關鍵的零組件，目前有平移式（Pure shift ）OIS 對焦馬達以Nokia Lumia 920為代表 以及基於移軸式Tilt-shift 對焦馬達兩大技術路線以HTC One為代表



圖片來源: 三星電機

以下是Giga Tech 的影片實測了 iPhone 6s採用EIS 與 iPhone 6s Plus採OIS 的錄影畫面，顯示了兩者防震效果的差異：



2. 2軸、3軸、4軸、5軸防手震又有什麼差別呢 ?
眾所皆知，立體空間有三軸Axis~ X、Y、Z，但業者針對防手震技術提出的2軸、3軸、4軸、5軸，甚至6軸的防手震技術。不同軸各自代表什麼意思呢?

A. Yaw、Ｐitch、Roll
防手震技術一開始是為了補正手抖造成相機鏡頭傾斜導致圖像偏移模糊而來，對應立體空間的X、Y、Z三軸於是有了Yaw、Ｐitch、 Roll三種專有補正的專有名詞。
Yaw: 偏航，代表手機左右偏移
Pitch: 俯仰 ，代表手機上下偏移
Roll: 翻滾運動，繞著垂直於手機螢幕的軸旋轉



圖片來源: 網路

OIS防手震利用內置的鏡片來對相機水平或上下的動作來逆向修正，所以一般是用來克服Yaw（左右）偏移及Pitch（上下俯偏移的兩軸防手震作用。

理論上手機模組上的OIS 技術只補正相機傾斜引起的圖像偏移，而不能處理相機上下左右平移抖動引起的圖像問題。

在拍攝遠景照片時，手機相機平移抖動所產生的圖像偏移幾乎不存在，但在微距拍攝上相機前後抖動對圖像的影響會漸漸顯露出來，但為了讓手機OIS模組過於複雜，通常會選擇忽略微距拍攝產生的前後抖動問題。



圖片來源: 大聯大

然而在做錄影時，手的抖動方向會更加多元，相機鏡頭除了上下、左右偏移外，還會有前後偏移及上下、左右平移的問題， OIS兩軸防手震功能Yaw、Ｐitch顯然無法應付， 於是必須借重EIS三軸防手震Yaw、Ｐitch、 Roll的功能來補強。

EIS是一種利用影像裁切的演算法運算，不會受限於硬體結構的限制，所以可以提供三軸防手震Yaw、Ｐitch、 Roll來補正手抖偏移，Sony Xperia XZ更是全球首台具備支援EIS五軸防手震錄影功能。

所謂EIS五軸防手震就是除了三軸偏移Yaw、Ｐitch、 Roll外，多了Ｘ ShiftX軸平移及Ｘ ShiftY軸平移。補正的方向越多， 可以穩定影像的效果通常會越好，但廠商本身演算法的設計與效率也決定防震的效果。



LG Ｇ4是首款強調推出OIS三軸防手震Yaw、Ｐitch、 Roll功能的手機， 小米5或Asus Zefone3更強調具備4軸OIS防手震功能Yaw、Ｐitch、 X 平移、 Ｙ平移。



不過， 版主Google了老半天有關手機相機制動器（Actuator與手機模組元件並未發現有相機零組件廠商提供三軸或四軸OIS防手震的硬體Solution。

目前只查到 Apple向美國專利商標局申請小型攝影機中配置改進自動對焦能力的OIS光學防抖系統，這一執行器模組能從5個方向或5個自由度調整鏡片相對於圖像傳感器的位置。

是故，LG Ｇ4的OIS三軸防手震與小米5的四軸OIS三軸防手震功能到底是其發展出來的【黑科技】還是只是【OIS兩軸Yaw、Ｐitch+EISRoll or X/Y Shift的行銷說詞，就只有LG與小米才知道囉!


圖片來源: 網路


以下是Sony Xperia XZ EIS五軸防手震ＶＳ無手震及OIS防手震拍攝影片的差異比較影片:



影片來源: Qooah

時代的改變，手機不但已逐漸取代了隨手相機，人們也改變許多拍照的習慣如愛自拍及背對拍攝對象…且越來越擅於拍攝影片。

為了滿足手機用戶對於夜拍或是拍攝影片能夠確保圖片與影像不會模糊不清的需求，不只手機主相機可以防手震的方向越來越多，也越來越多手機廠商將前置鏡頭也加入OIS防手震功能，譬如HTC 10就是首台推出雙OIS防手震的手機。



圖片來源: photoblog

不過，受限於手機薄型化設計及演化法的極限，手機防手震功能能夠補正相機鏡頭偏移角度是有受限的。

若要拍出需要超長曝光時間或是處於顛簸環境的照片或影像，還是要借重手機腳架或是三軸穩定器才行。



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來源出處：電腦王阿達