防手震核心技術探究

1.慣性感測技術

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4.9：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4.10：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3 x 5 x 0.9mm，提供了完整的動作感測能力。

圖4.11：Freescale 的動作感測元件

資料來源：Freescale

Freescale 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500μA，而且也具備了睡眠模式，最低僅耗電 3μA，省電能力極強。

圖4.12：InvenSense 的動作感測元件

資料來源：InvenSense

InvenSense 是陀螺儀支持者，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 手就可以控制螢幕上的游標）」在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。

2.電子圖像穩定演算法

除了硬體設計以外，有些公司也採用以軟體方式計算的防手震補償機制，

我們先不談以Best Shot 方式進行的防手震功能，因為基本上，該功能只是幫助 消費者在爛蘋果中挑出比較不爛的，並無法針對影像品質做出實質改進，雖然 可能在某些特定情況下有所作用，但是誤挑出更爛品質相片的例子也是屢見不 鮮，因此筆者認為這種功能可有可無，較不重要。

而另一個主流，就是藉提高ISO 感度來達到高速快門的作法，在手部晃動 之前就已經完整成像，避免拍到模糊圖片，雖然大部分數位相機廠商都已經把 提高ISO 感度列為重點發展方向，但是每家廠商在成像邏輯方面有所不同，因 此得到的影像品質也各有差異，基本上，想要在達到高ISO 感度的同時，依舊 維持優秀的成像品質，除了提高感光元件的大小以外，另外一點就是在成像邏 輯演算法上加強，以目前市面上的產品而言，感光元件在1/2.5 吋（包含）以下

的CCD 想要採用超過 ISO800 以上的感光度都是非常不實際的作法，因為畫面 雜訊將會多到令人無法接受，這主要是因為感光元件太小，單一畫素面積小，

而無法有效進行感光處理。

而利用軟體演算法來加強高ISO 的畫質也是有其極限，就目前現有的成像 邏輯來看，只要進入抑噪步驟，畫面的銳利度將會大幅喪失。目前的數位相機 廠商也只剩Fujitsu 仍未採用任何硬體防手震設計，而純粹採用高 ISO，雖然在 高照度的環境之下，該公司的產品也有相當不錯的表現，但是當進入抑噪模式 之後，同樣也會有畫面失去銳利度的狀況產生，不過因為相較起其他廠商產品，

在細節喪失與噪點的均衡仍在可接受的範圍之內，因此也被廣大消費者所接 受，作為沒有任何防震設計的防手震數位相機產品應用。

少部分也有利用DSP 在照片後製階段進行模糊像素的處理，將因為手振而 產生的圖像邊緣模糊問題減輕到特定程度，這種演算架構包含了動態估計以及 動態補償兩大部分，動態估計則另外包含了局部動態估計以及全體動態估計這 兩大決定單元。透過演算法對畫面陣列中的局部圖像進行處理，可以估算出相 對於參考畫面的動態偏移，並且藉由總體動態計算單元來決定動態向量的有效 性，藉以提高動態向量的檢測精度。

而動態補償則是透過動態估計單元所提供的動態參數來進行影像的行、列 重組，進而達到穩定影像的目的。目前以利用最小絕對差（MAD）或是最小平 方差（MSE）的全搜索（FS）頁框匹配法（Frame matching）屬較為有效的動態 補償演算法，不過這類運算量相當大，因此需要較為強力的處理器核心才有辦 法負擔。