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(dòng)。這令人吃驚，因?yàn)橄鄼C(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(dòng)的陀螺儀傳感器和用于校正振動(dòng)的控制電子設(shè)備。對于這類應(yīng)用，陀螺儀傳感器的零點(diǎn)偏移精度往往是限制因素。即使相機(jī)完全靜止，噪音也會(huì)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(shí)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(shí)，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(gè)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(gè)分析中實(shí)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(gè)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(huì)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(shí)，基本的防抖系統(tǒng)會(huì)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(dòng)，而拍攝對象并不位于慣性系中。

相機(jī)當(dāng)然會(huì)隨地球和拍攝對象一起移動(dòng)，但會(huì)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(shí)間由變量 T 表示。因此，IBIS 將導(dǎo)致圖像在傳感器上移動(dòng)的距離為：

以最大允許模糊為 1 個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)銳利圖像的最大快門速度的標(biāo)準(zhǔn)建議，那么這個(gè)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(gè)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(huì)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(shí)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(jì)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(shí)際上是目前的一個(gè)理論限制。”

從那時(shí)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(jì)和指南針來精確計(jì)算其指向和緯度。有了這些信息，您可以計(jì)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(huì)不停地晃動(dòng)相機(jī)，因此工程師可以指示傳感器只補(bǔ)償后一種運(yùn)動(dòng)。

第一種方案由于多種原因不是一個(gè)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(shí)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(dòng)平臺上。然后，相機(jī)由平臺按照 CIPA 提供的波形移動(dòng)，該波形旨在模擬手持相機(jī)時(shí)的運(yùn)動(dòng)。設(shè)置如下圖所示：

在這個(gè)測試設(shè)置中，相機(jī)安裝在一個(gè)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(dú)立驗(yàn)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(gè)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(dú)立驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)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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