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为什幺「六轴光学防手震」自始至终是个骗局?揭祕这些不可能达到


2020-06-15

https://ccc.technews.tw/2018/04/17/6-axis-stabilizer-is-fake/
为什幺「六轴光学防手震」自始至终是个骗局?揭祕这些不可能达到
随着相机与手机愈来愈普及,用在稳定影像的「防手震」技术也愈为人熟知,不过,几轴防手震代表什幺意思呢?为什幺主流的光学防手震技术是「五轴」防震呢?有没有可能达到「六轴光学防手震」呢?请看本文解答。先说结论:「六轴光学防手震」现阶段几乎不可能做到。那幺,为什幺有些手机或相机厂商依旧主打他们的六轴防手震规格呢?要先弄清楚这个问题,我们得先从五轴防震说起。五轴防手震「五轴光学防手震」应该是目前手机与相机光学防震规格中,较普及且较成熟的一种技术了,是藉由感光元件的位移,来达到影像稳定的效果,而「五轴」防震,则意味着感光元件具备五个向量的位移稳定技术。五轴是哪五轴呢?答案是:「X、Y、Pitch、Yaw、Roll」如果要用中文来解释,应该可以这幺说:左右水平移动、上下水平移动、左右摇、上下摇、滚转。看图会更好理解:为什幺「六轴光学防手震」自始至终是个骗局?揭祕这些不可能达到或者,现在也有很多影片解说得很详细,例如这支 Sony A7 Mark II 展示的五轴防震技术影片,就可让我们更容易理解五轴是哪五轴:
为什幺没有六轴光学防震截至目前为止,在「光学防手震」的领域,五轴已是目前技术所能达到的极限了,那为什幺没有六轴光学防震呢?又是什幺原因没有普及呢?答案是技术不可能做到。我们不妨从另一个角度来想这个问题,原有的五轴再加一轴,会是哪一轴呢?如果要做到六轴,第六轴是什幺?我们不妨想个 30 秒再继续看下去。想到了吗?没关係,再给一个提示:「在三度空间的物体,一共拥有几个自由度?」答案是六个,即 X、Y、Z、θx、θy、θz。为什幺「六轴光学防手震」自始至终是个骗局?揭祕这些不可能达到 在三度空间的物体,一共具有六个自由度。还记得我们之前所说的,「左+右」是一个自由度,相当于 X 轴,「上+下」是另一个自由度,相当于 Y 轴,「前+后」也是一个自由度,相当于 Z 轴,以上是三个轴向的自由度。剩下的三个自由度是旋转的自由度,分别是以上 X、Y、Z 三个轴向的角速度,也就是五轴防震的「Pitch、Yaw 及 Roll」。「Pitch」是 X 轴的角速度,「Yaw」是 Y 轴的角速度,而「Roll」则是 Z 轴的角速度。换言之,在三度空间运动的物体共有六个自由度,分别是三个轴上的加速度及角速度。多出的第六轴……那幺,我们再回来看五轴和六轴有什幺差异:五轴是:「X、Y、Pitch、Yaw、Roll」,六轴则是「X、Y、Z、Pitch、Yaw、Roll」,从前面的分析中,可以知道 Z 轴代表的是「前后」。所以,为什幺不可能做到第六轴光学防震?因为 Z 轴是你拍摄物体的指向。那就是……摄物距离想像你的相机是一个点,被摄物体也是一个点,连接这两点的向量就是 Z 轴,因此 Z 轴的偏差,代表着「摄物距离的改变」。以目前光学成像的技术来说,无论是相机或是手机,拍照前总需要「对焦」,因为拍摄前必须先得知拍摄物体的距离才能成像,即便是使用超短焦距镜头达到所谓泛焦拍摄,仍然需要先定义摄物距才能够成像。因此 Z 轴防震的意义,代表的意义是「在按下快门曝光的同时,拉近或远离被摄物体,感光元件及镜头的补偿,有办法做到让成像依然清楚」。听起来有点绕口,但如果我们反向思考,问题可以换成:「如果 Z 轴真的可以防震,那幺相机还需要对焦吗?」这就是为什幺不可能真正做到六轴光学防震的原因,因为第六轴的意义是相机距离拍摄目标的远近,我们要怎幺用可动的机械式元件来补偿这个向量呢?除非你有一个可以随时追着物体跑、无论人手怎幺动,都可以完美维持拍摄距离的相机。或许技术可以做到,但很显然,这可能会使相机模组体积、成本大增,也不适用于消费型产品。为什幺「六轴光学防手震」自始至终是个骗局?揭祕这些不可能达到 一个普通的三轴加速度+三轴陀螺仪感测器。厂商宣称的第六轴其实是……既然六轴光学防手震实务几乎不可能做到,那幺我们想知道,那些号称拥有六轴防震的文宣,究竟指的是什幺?其实,它的意义通常指的是「具备六轴感测器」,一般来说,用在手机和运动摄影机的六轴感应器大致会是「3-axis accelerometer + 3-axis gyroscope combos」,即三轴加速度与三轴陀螺仪感测器。但问题是几轴感应并不是重点,重点是:能否做出相对应的补偿?就算感测到第六轴,感光元件、镜片组、甚或演算法是否能对应补正?前面篇幅中,我们已证实要补偿 Z 轴是相当困难的一件事,这并不会因为器材本身具备几轴感应器就能改善。要几轴,有几轴?如果用「具备几轴感应器」的逻辑来帮器材标示「几轴防震」,这其实很不合理,如果要这样搞,我们最多甚至可以标示到「九轴防震」,例如目前的九轴感测器就有这两种:3-axis gyroscope+3-axis accelerometer+3-axis compass3-axis gyroscope+3-axis accelerometer+3-axis magnetometer
但问题是,这样有意义吗?别忘了在三度空间的物体也仅有六个自由度,多几轴「感测器」并无法让防手震的效果更优秀,重点还是在于补正机构的设计及演算法的优劣,更何况在三度空间,无论如何都无法做到超过六个轴的手震补正。因此,聪明如你,下次看到「六轴光学防手震」这类文宣时,应该就心里有底了吧。或许我们也可以这幺想从另一个角度来说,「电子防手震」可能也是一个新出路,有一种可能性是利用详尽的演算法来补足物理上难以补正的 Z 轴,例如藉由多张叠图的方式,来减少拍摄时前后晃动造成的影像模糊。狭义来说,用纯演算法达成的补正效果,仅能算是「电子防震」,而非物理的「光学防震」,但这是否也能算得上多出一轴的防震效果呢?没有硬性规定,就看你怎幺想了。

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