關(guān)鍵詞： 光學(xué)防抖 , 模糊邏輯控制器 , 音圈馬達(dá) , 智能手機(jī)

        研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)出具有最佳補(bǔ)償效果的手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)算法，以及運(yùn)算負(fù)載低且易實(shí)作的模糊邏輯(Fuzzy Logic)控制器，可大幅提高手機(jī)鏡頭模塊穩(wěn)定度，并改善音圈馬達(dá)的磁滯效應(yīng)，將有助光學(xué)防抖技術(shù)擴(kuò)大滲透手機(jī)市場(chǎng)。
光學(xué)防抖分兩種技術(shù)
圖1為具光學(xué)防抖功能之微型相機(jī)模塊。防手抖系統(tǒng)最具代表的技術(shù)為電子防手抖(Electronic Image Stabilizer, EIS)與光學(xué)防抖技術(shù)。其中，電子防手抖技術(shù)利用圖像處理的方式來(lái)防止影像模糊，電子防手抖效果取決于算法的設(shè)計(jì)與效率，系統(tǒng)不須增加額外的硬件，適合微型化設(shè)計(jì)，但通常必須犧牲影像的分辨率(或影像大小)，此為其主要缺點(diǎn)。

圖1　影像傳感器與光學(xué)防抖模塊


光學(xué)防抖技術(shù)又區(qū)分為傳感器防手抖(Sensor-shift Optical Image Stabilization)與鏡頭防手抖(Lens-shift Optical Image Stabilization)兩種(圖2)，光學(xué)防抖系統(tǒng)利用光學(xué)鏡組(Lens)或影像傳感器(Image Sensor)的移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償使用者的手抖動(dòng)，故不會(huì)犧牲影像的分辨率，大幅提升產(chǎn)品附加價(jià)值。

圖2　光學(xué)式防手抖系統(tǒng)示意圖；(A)影像傳感器移動(dòng)之光學(xué)防抖系統(tǒng)；(B)鏡頭移動(dòng)之光學(xué)防抖系統(tǒng)。


手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)技術(shù)
光學(xué)防抖技術(shù)需要額外致動(dòng)器設(shè)計(jì)，因此主要關(guān)鍵技術(shù)包括控制器設(shè)計(jì)與用戶手部振動(dòng)信號(hào)估測(cè)器設(shè)計(jì)。手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)器算法，是利用智能手機(jī)搭載的MEMS慣性傳感器感測(cè)使用者拍攝時(shí)手部產(chǎn)生的晃動(dòng)信號(hào)，經(jīng)由閉回路控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)微型相機(jī)模塊內(nèi)部精密音圈馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以補(bǔ)償使用者手部產(chǎn)生的晃動(dòng)，避免拍攝影像產(chǎn)生模糊。手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)器包括慣性傳感器(多軸陀螺儀及加速度計(jì))與慣性傳感信號(hào)處理算法設(shè)計(jì)。工研院南分院已投入慣性信號(hào)估測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)多年，并成功運(yùn)用于行人/行車慣性導(dǎo)航、光學(xué)防抖系統(tǒng)中，有相當(dāng)豐碩的成果。
手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)器利用陀螺儀組件感測(cè)到手抖動(dòng)信號(hào)后，經(jīng)由數(shù)字信號(hào)處理及積分運(yùn)算后可得到顫抖角度信號(hào)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)量測(cè)分析后，一般手部振動(dòng)頻率特性主要頻帶在2～12Hz之間，故信號(hào)處理算法亦針對(duì)該頻帶信號(hào)特性做濾波器設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)的算法系將慣性信號(hào)處理使用一階低通濾波器與高通濾波器濾除高頻噪聲信號(hào)及低頻的主動(dòng)式信號(hào)(用戶操作相機(jī)所產(chǎn)生的信號(hào))。
低通與高通濾波器除可針對(duì)特定帶寬的手抖信號(hào)做補(bǔ)償外，并可避免濾波器對(duì)信號(hào)所造成的相位延遲，讓信號(hào)處理算法與控制系統(tǒng)整合獲得最佳補(bǔ)償效果，使得防抖模塊能達(dá)到預(yù)期效能。算法因考慮濾波器造成手抖動(dòng)信號(hào)相位的變化，故以此所開(kāi)發(fā)的適應(yīng)性手抖動(dòng)估測(cè)器，在寬帶域范圍可以獲得精準(zhǔn)的手抖動(dòng)估測(cè)信號(hào)。圖6為手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)器方塊圖。

圖3　手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)器方塊圖





       
光學(xué)防抖控制器設(shè)計(jì)
另一光學(xué)防抖系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)為控制器設(shè)計(jì)，微型相機(jī)模塊致動(dòng)器大多采用音圈馬達(dá)，但其具有磁滯效應(yīng)、磨擦和參數(shù)時(shí)變等非線性特性，因此在控制器設(shè)計(jì)上必須考慮到非線性特性與實(shí)現(xiàn)時(shí)的運(yùn)算負(fù)載。模糊邏輯控制器(Fuzzy Logic Controller)由于有運(yùn)算負(fù)載低、不需要精確的受控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、架構(gòu)易實(shí)現(xiàn)并能有效的補(bǔ)償微型致動(dòng)器非線性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，工研院南分院所開(kāi)發(fā)的光學(xué)防抖系統(tǒng)，成功地利用模糊控制器驅(qū)動(dòng)音圈馬達(dá)，藉以補(bǔ)償經(jīng)由手抖動(dòng)信號(hào)估測(cè)器算法計(jì)算出來(lái)的位移補(bǔ)償信號(hào)，達(dá)到防手抖效果。光學(xué)防抖系統(tǒng)如圖4所示。

圖4　光學(xué)防抖系統(tǒng)方塊圖


防手抖效能驗(yàn)證
目前市面上的防手抖效能主要分為1～4級(jí)。一般而言，防手抖效能級(jí)數(shù)是以安全快門速度的倍率來(lái)估算，安全快門速度等于焦距長(zhǎng)度分之一秒的快門時(shí)間，舉例來(lái)說(shuō)，如果鏡頭的焦距是40毫米(mm)，那么安全快門的速度就是1/40秒，使用低于安全快門速度拍出清晰的影像，防手抖級(jí)數(shù)就是安全快門速度的倍率；如果以安全快門速度是1/40秒為例，防手抖效能四級(jí)即代表相機(jī)在(1/40)×2^4=1/2.5秒快門速度下仍然能拍下清晰的影像，而影像的清晰程度則可以借由穩(wěn)定率(Stabilization Rate, SR)小于-15dB或ISO-12233，來(lái)鑒別影像銳利度(Image Sharpness)。
其中，穩(wěn)定率實(shí)驗(yàn)主要是光學(xué)防抖系統(tǒng)在振動(dòng)補(bǔ)償與無(wú)振動(dòng)補(bǔ)償情況下，由固定快門時(shí)間條件決定拍攝測(cè)試目標(biāo)，由拍攝照片上影像振動(dòng)像素(高度)的比值來(lái)評(píng)定防手抖效能，穩(wěn)定率圖示說(shuō)明請(qǐng)參考圖5所示。

圖5　防手抖穩(wěn)定率定義圖


OISOFF_S代表當(dāng)光學(xué)防抖系統(tǒng)關(guān)閉且使用相機(jī)時(shí)，手產(chǎn)生抖動(dòng)時(shí)所拍攝的影像像素(垂直高度)；OISON_S代表當(dāng)光學(xué)防抖系統(tǒng)開(kāi)啟，且手抖動(dòng)產(chǎn)生時(shí)所拍攝的影像像素(垂直高度)；OISOFF_NS代表當(dāng)光學(xué)防抖系統(tǒng)關(guān)閉，且無(wú)手抖動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，即為OIS系統(tǒng)靜止時(shí)拍攝的影像像素(垂直高度)。工研院南分院開(kāi)發(fā)的適應(yīng)性光學(xué)防抖系統(tǒng)已可達(dá)市售四級(jí)防手抖效能。
隨著MEMS慣性傳感器與手機(jī)相機(jī)模塊新設(shè)計(jì)微型相機(jī)模塊的發(fā)展，智能手機(jī)的動(dòng)作感應(yīng)與防手抖技術(shù)已日益重要。目前市面上微型相機(jī)模塊多以音圈馬達(dá)為主要致動(dòng)器，隨著智能手機(jī)與慣性傳感器的技術(shù)發(fā)展，未來(lái)光學(xué)防抖技術(shù)將逐漸受到重視，將是市售高階智能手機(jī)的功能之一。



       
慣性傳感/防手抖成標(biāo)準(zhǔn)配備 手機(jī)附加價(jià)值可望大幅提升
工研院南分院多年來(lái)投入慣性導(dǎo)航與光學(xué)防抖相機(jī)的技術(shù)開(kāi)發(fā)，在手機(jī)慣性傳感與光學(xué)防抖系統(tǒng)皆有豐富的經(jīng)驗(yàn)，文中介紹之光學(xué)防抖系統(tǒng)便是研發(fā)成果，該成果已成功技轉(zhuǎn)多家廠商。市場(chǎng)也預(yù)估手機(jī)相機(jī)模塊新設(shè)計(jì)與MEMS慣性組件在消費(fèi)性電子應(yīng)用市場(chǎng)的刺激下，將帶動(dòng)整合型MEMS慣性傳感器出貨量巨幅增長(zhǎng)，促進(jìn)光學(xué)防抖技術(shù)的發(fā)展；未來(lái)，6軸慣性傳感組件(包括加速度計(jì)與陀螺儀)與光學(xué)防抖功能將成為高階智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配備，大幅提高智能手機(jī)的附加價(jià)值，也是未來(lái)主導(dǎo)市場(chǎng)產(chǎn)品的重要因素，對(duì)慣性組件與微型相機(jī)模塊廠商而言是相當(dāng)重要的產(chǎn)品發(fā)展方向。
近年來(lái)，智能手機(jī)市場(chǎng)因蘋(píng)果(Apple)、三星(Samsung)、宏達(dá)電(HTC)等品牌產(chǎn)品的熱銷，相關(guān)應(yīng)用也愈加成熟與多元化。據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)國(guó)際數(shù)據(jù)信息(IDC)的報(bào)告指出，智能手機(jī)市場(chǎng)在2010年開(kāi)始呈現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)在2017年可達(dá)到十五億支以上(圖1)。與此同時(shí)，智能手機(jī)搭載的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感組件，以及高像素微型相機(jī)模塊(Compact Camera Module, CCM)，也已成為目前高端手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配備，未來(lái)動(dòng)作感應(yīng)與光學(xué)防抖技術(shù)，將可大幅提升產(chǎn)品的功能與附加價(jià)值。

圖6　2012～2017年智能手機(jī)出貨量分析


MEMS組件/照相模塊相輔相成 防手抖功能更成熟
市面上智能手機(jī)多數(shù)已搭載MEMS動(dòng)作感應(yīng)組件，包括加速度計(jì)、陀螺儀(慣性組件)及磁力計(jì)等，因其符合移動(dòng)設(shè)備追求的低耗電、重量輕、體積小等設(shè)計(jì)趨勢(shì)，目前已被廣泛使用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中，其中包括計(jì)步器、智能手機(jī)與平板計(jì)算機(jī)等3C產(chǎn)品。根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IHS iSuppli所做的市場(chǎng)調(diào)查，智能手持設(shè)備(包括智能手機(jī)、平板計(jì)算機(jī))的MEMS動(dòng)作感應(yīng)組件市場(chǎng)，2013年實(shí)際收益約15億美元，比起2012年增長(zhǎng)了12%，預(yù)期2016年可達(dá)到22億1,000萬(wàn)美元(圖2)。市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果說(shuō)明智能手機(jī)配置MEMS慣性組件已是必然的趨勢(shì)。

圖7　2011～2016年智能手持設(shè)備MEMS動(dòng)作感應(yīng)組件收益分析


智能手機(jī)除了搭載MEMS慣性傳感組件外，也搭載微型相機(jī)模塊，根據(jù)IC Insights調(diào)查與統(tǒng)計(jì)，全球相機(jī)模塊總出貨量預(yù)估將從2011年的二十五億套，增加至2016年的六十億套。2012年全球數(shù)字相機(jī)與影像系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模為555億美元，預(yù)測(cè)在2016年其總產(chǎn)值將達(dá)到778億美元，其中，手機(jī)相機(jī)模塊的部分占據(jù)30%(圖3)，其比例逐漸攀升，且有取代一般數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的趨勢(shì)；IC Insights同時(shí)也預(yù)測(cè)，智能手持設(shè)備搭載的微型相機(jī)模塊在2013～2019年間，將以21.9%的速度增長(zhǎng)。從智能手機(jī)多媒體功能的需求增長(zhǎng)、使用者習(xí)慣的改變，以及市場(chǎng)調(diào)查分析結(jié)果左證，智能手機(jī)已逐漸取代數(shù)碼相機(jī)。市面上高端智能手機(jī)已開(kāi)始結(jié)合微型相機(jī)模塊與動(dòng)作感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)防手抖(Optical Image Stabilization, OIS)，用以改善手機(jī)照相質(zhì)量?？深A(yù)期未來(lái)智能手機(jī)市占率將由手機(jī)照相模塊新設(shè)計(jì)與光學(xué)防抖技術(shù)所影響。

圖8　2016年數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)銷售額預(yù)測(cè)