演算法/控制器性能突破 光学防抖潜力无穷
来源:新电子发布时间:2014-12-01555浏览
询问 AI近年来，智慧型手机市场因苹果(Apple)、三星(Samsung)、宏达电(HTC)等品牌产品的热销，相关应用也愈加成熟与多元化。据市调机构国际数据资讯(IDC)的报告指出，智慧型手机市场在2010年开始呈现爆炸性成长，预测在2017年可达到十五亿支以上(图1)。与此同时，智慧型手机搭载的微机电系统(MEMS)惯性感测元件，以及高画素微型相机模组(Compact Camera Module, CCM)，也已成为目前高阶手机标准配备，未来动作感知与光学防手震技术，将可大幅提升产品的功能与附加价值。
图1 2012∼2017年智慧型手机出货量分析
MEMS元件/照相模组相辅相成 防手震功能臻成熟
市面上智慧型手机多数已搭载MEMS动作感测元件，包括加速度计、陀螺仪(惯性元件)及磁力计等，因其符合行动装置追求的低耗电、重量轻、体积小等设计趋势，目前已被广泛使用于消费性电子产品中，其中包括计步器、智慧型手机与平板电脑等3C产品。根据市调机构IHS iSuppli所做的市场调查，智慧型手持装置(包括智慧型手机、平板电脑)的MEMS动作感测元件市场，2013年实际收益约15亿美元，比起2012年成长了12%，预期2016年可达到22亿1,000万美元(图2)。市场调查结果说明智慧型手机配置MEMS惯性元件已是必然的趋势。
图2 2011∼2016年智慧型手持装置MEMS动作感测元件收益分析
智慧型手机除了搭载MEMS惯性感测元件外，也搭载微型相机模组，根据IC Insights调查与统计，全球相机模组总出货量预估将从2011年的二十五亿套，增加至2016年的六十亿套。2012年全球数位相机与影像系统市场规模为555亿美元，预测在2016年其总产值将达到778亿美元，其中，手机相机模组的部分占据30%(图3)，其比例逐渐攀升，且有取代一般数位相机产品的趋势；IC Insights同时也预测，智慧型手持装置搭载的微型相机模组在2013∼2019年间，将以21.9%的速度成长。从智慧型手机多媒体功能的需求成长、使用者习惯的改变，以及市场调查分析结果佐证，智慧型手机已逐渐取代数位相机。市面上高阶智慧型手机已开始结合微型相机模组与动作感知技术，实现光学防手震(Optical Image Stabilization, OIS)，用以改善手机照相品质。可预期未来智慧型手机市占率将由手机照相模组新设计与光学防手震技术所影响。
图3 2016年数位相机系统销售额预测
光学防手震分两种技术
图4为具光学防手震功能之微型相机模组。防手震系统最具代表的技术为电子防手震(Electronic Image Stabilizer, EIS)与光学防手震技术。其中，电子防手震技术利用影像处理的方式来防止影像模糊，电子防手震效果取决于演算法的设计与效率，系统不须增加额外的硬体，适合微型化设计，但通常必须牺牲影像的解析度(或影像大小)，此为其主要缺点。
图4 影像感测器与光学防手震模组
光学防手震技术又区分为感测器防手震(Sensor-shift Optical Image Stabilization)与镜头防手震(Lens-shift Optical Image Stabilization)两种(图5)，光学防手震系统利用光学镜组(Lens)或影像感测器(Image Sensor)的移动来补偿使用者的手震动，故不会牺牲影像的解析度，大幅提升产品附加价值。
图5 光学式防手震系统示意图；(A)影像感测器移动之光学防手震系统；(B)镜头移动之光学防手震系统。
手震动讯号估测技术
光学防手震技术需要额外致动器设计，因此主要关键技术包括控制器设计与使用者手部振动讯号估测器设计。手震动讯号估测器演算法，是利用智慧型手机搭载的MEMS惯性感测器感测使用者拍摄时手部产生的晃动讯号，经由闭回路控制系统驱动微型相机模组内部精密音圈马达作动，以补偿使用者手部产生的晃动，避免拍摄影像产生模糊。手震动讯号估测器包括惯性感测器(多轴陀螺仪及加速度计)与惯性感测讯号处理演算法设计。工研院南分院已投入惯性讯号估测技术开发多年，并成功运用于行人/行车惯性导航、光学防手震系统中，有相当丰硕的成果。
手震动讯号估测器利用陀螺仪元件感测到手震动讯号后，经由数位讯号处理及积分运算后可得到颤抖角度讯号，经实验量测分析后，一般手部振动频率特性主要频带在2∼12Hz之间，故讯号处理演算法亦针对该频带讯号特性做滤波器设计，开发的演算法系将惯性讯号处理使用一阶低通滤波器与高通滤波器滤除高频杂讯讯号及低频的主动式讯号(使用者操作相机所产生的讯号)。
低通与高通滤波器除可针对特定频宽的手震讯号做补偿外，并可避免滤波器对讯号所造成的相位延迟，让讯号处理演算法与控制系统整合获得最佳补偿效果，使得防手震模组能达到预期效能。演算法因考虑滤波器造成手震动讯号相位的变化，故以此所开发的适应性手震动估测器，在宽频域范围可以获得精准的手震动估测讯号。图6为手震动讯号估测器方块图。
图6 手震动讯号估测器方块图
光学防手震控制器设计
另一光学防手震系统关键技术为控制器设计，微型相机模组致动器大多采用音圈马达，但其具有磁滞效应、磨擦和参数时变等非线性特性，因此在控制器设计上必须考虑到非线性特性与实现时的运算负载。模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller)由于有运算负载低、不需要精确的受控系统数学模型、架构易实现并能有效的补偿微型致动器非线性等优点，近年来，工研院南分院所开发之光学防手震系统，成功地利用模糊控制器驱动音圈马达，藉以补偿经由手震动讯号估测器演算法计算出来的位移补偿讯号，达到防手震效果。光学防手震系统如图7所示。
图7 光学防手震系统方块图
防手震效能验证
目前市面上的防手震效能主要分为1∼4级。一般而言，防手震效能级数是以安全快门速度的倍率来估算，安全快门速度等于焦距长度分之一秒的快门时间，举例来说，如果镜头的焦距是40毫米(mm)，那么安全快门的速度就是1/40秒，使用低于安全快门速度拍出清晰的影像，防手震级数就是安全快门速度的倍率；如果以安全快门速度是1/40秒为例，防手震效能四级即代表相机在(1/40)×2^4=1/2.5秒快门速度下仍然能拍下清晰的影像，而影像的清晰程度则可以藉由稳定率(Stabilization Rate, SR)小于-15dB或ISO-12233，来鉴别影像锐利度(Image Sharpness)。
其中，稳定率实验主要是光学防手震系统在振动补偿与无振动补偿情况下，由固定快门时间条件决定拍摄测试目标，由拍摄照片上影像振动画素(高度)的比值来评定防手震效能，稳定率图示说明请参考图8所示。
图8 防手震稳定率定义图
OISOFF_S代表当光学防手震系统关闭且使用相机时，手产生震动时所拍摄的影像画素(垂直高度)；OISON_S代表当光学防手震系统开启，且手震动产生时所拍摄的影像画素(垂直高度)；OISOFF_NS代表当光学防手震系统关闭，且无手震动产生时，即为OIS系统静止时拍摄的影像画素(垂直高度)。工研院南分院开发的适应性光学防手震系统已可达市售四级防手震效能。
随着MEMS惯性感测器与手机相机模组新设计微型相机模组的发展，智慧型手机的动作感知与防手震技术已日益重要。目前市面上微型相机模组多以音圈马达为主要致动器，随着智慧型手机与惯性感测器的技术发展，未来光学防手震技术将逐渐受到重视，将是市售高阶智慧型手机的功能之一。
惯性感测/防手震成标准配备 手机附加价值可望大幅提升
工研院南分院多年来投入惯性导航与光学防手震相机的技术开发，在手机惯性感测与光学防手震系统皆有丰富的经验，文中介绍之光学防手震系统便是研发成果，该成果已成功技转多家厂商。市场也预估手机相机模组新设计与MEMS惯性元件在消费性电子应用市场的刺激下，将带动整合型MEMS惯性感测器出货量巨幅成长，促进光学防手震技术的发展；未来，6轴惯性感测元件(包括加速度计与陀螺仪)与光学防手震功能将成为高阶智慧型手机的标准配备，大幅提高智慧型手机的附加价值，也是未来主导市场产品的重要因素，对国内惯性元件与微型相机模组厂商而言是相当重要的产品发展方向。
图1 2012∼2017年智慧型手机出货量分析
MEMS元件/照相模组相辅相成 防手震功能臻成熟
市面上智慧型手机多数已搭载MEMS动作感测元件，包括加速度计、陀螺仪(惯性元件)及磁力计等，因其符合行动装置追求的低耗电、重量轻、体积小等设计趋势，目前已被广泛使用于消费性电子产品中，其中包括计步器、智慧型手机与平板电脑等3C产品。根据市调机构IHS iSuppli所做的市场调查，智慧型手持装置(包括智慧型手机、平板电脑)的MEMS动作感测元件市场，2013年实际收益约15亿美元，比起2012年成长了12%，预期2016年可达到22亿1,000万美元(图2)。市场调查结果说明智慧型手机配置MEMS惯性元件已是必然的趋势。
图2 2011∼2016年智慧型手持装置MEMS动作感测元件收益分析
智慧型手机除了搭载MEMS惯性感测元件外，也搭载微型相机模组，根据IC Insights调查与统计，全球相机模组总出货量预估将从2011年的二十五亿套，增加至2016年的六十亿套。2012年全球数位相机与影像系统市场规模为555亿美元，预测在2016年其总产值将达到778亿美元，其中，手机相机模组的部分占据30%(图3)，其比例逐渐攀升，且有取代一般数位相机产品的趋势；IC Insights同时也预测，智慧型手持装置搭载的微型相机模组在2013∼2019年间，将以21.9%的速度成长。从智慧型手机多媒体功能的需求成长、使用者习惯的改变，以及市场调查分析结果佐证，智慧型手机已逐渐取代数位相机。市面上高阶智慧型手机已开始结合微型相机模组与动作感知技术，实现光学防手震(Optical Image Stabilization, OIS)，用以改善手机照相品质。可预期未来智慧型手机市占率将由手机照相模组新设计与光学防手震技术所影响。
图3 2016年数位相机系统销售额预测
光学防手震分两种技术
图4为具光学防手震功能之微型相机模组。防手震系统最具代表的技术为电子防手震(Electronic Image Stabilizer, EIS)与光学防手震技术。其中，电子防手震技术利用影像处理的方式来防止影像模糊，电子防手震效果取决于演算法的设计与效率，系统不须增加额外的硬体，适合微型化设计，但通常必须牺牲影像的解析度(或影像大小)，此为其主要缺点。
图4 影像感测器与光学防手震模组
光学防手震技术又区分为感测器防手震(Sensor-shift Optical Image Stabilization)与镜头防手震(Lens-shift Optical Image Stabilization)两种(图5)，光学防手震系统利用光学镜组(Lens)或影像感测器(Image Sensor)的移动来补偿使用者的手震动，故不会牺牲影像的解析度，大幅提升产品附加价值。
图5 光学式防手震系统示意图；(A)影像感测器移动之光学防手震系统；(B)镜头移动之光学防手震系统。
手震动讯号估测技术
光学防手震技术需要额外致动器设计，因此主要关键技术包括控制器设计与使用者手部振动讯号估测器设计。手震动讯号估测器演算法，是利用智慧型手机搭载的MEMS惯性感测器感测使用者拍摄时手部产生的晃动讯号，经由闭回路控制系统驱动微型相机模组内部精密音圈马达作动，以补偿使用者手部产生的晃动，避免拍摄影像产生模糊。手震动讯号估测器包括惯性感测器(多轴陀螺仪及加速度计)与惯性感测讯号处理演算法设计。工研院南分院已投入惯性讯号估测技术开发多年，并成功运用于行人/行车惯性导航、光学防手震系统中，有相当丰硕的成果。
手震动讯号估测器利用陀螺仪元件感测到手震动讯号后，经由数位讯号处理及积分运算后可得到颤抖角度讯号，经实验量测分析后，一般手部振动频率特性主要频带在2∼12Hz之间，故讯号处理演算法亦针对该频带讯号特性做滤波器设计，开发的演算法系将惯性讯号处理使用一阶低通滤波器与高通滤波器滤除高频杂讯讯号及低频的主动式讯号(使用者操作相机所产生的讯号)。
低通与高通滤波器除可针对特定频宽的手震讯号做补偿外，并可避免滤波器对讯号所造成的相位延迟，让讯号处理演算法与控制系统整合获得最佳补偿效果，使得防手震模组能达到预期效能。演算法因考虑滤波器造成手震动讯号相位的变化，故以此所开发的适应性手震动估测器，在宽频域范围可以获得精准的手震动估测讯号。图6为手震动讯号估测器方块图。
图6 手震动讯号估测器方块图
光学防手震控制器设计
另一光学防手震系统关键技术为控制器设计，微型相机模组致动器大多采用音圈马达，但其具有磁滞效应、磨擦和参数时变等非线性特性，因此在控制器设计上必须考虑到非线性特性与实现时的运算负载。模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller)由于有运算负载低、不需要精确的受控系统数学模型、架构易实现并能有效的补偿微型致动器非线性等优点，近年来，工研院南分院所开发之光学防手震系统，成功地利用模糊控制器驱动音圈马达，藉以补偿经由手震动讯号估测器演算法计算出来的位移补偿讯号，达到防手震效果。光学防手震系统如图7所示。
图7 光学防手震系统方块图
防手震效能验证
目前市面上的防手震效能主要分为1∼4级。一般而言，防手震效能级数是以安全快门速度的倍率来估算，安全快门速度等于焦距长度分之一秒的快门时间，举例来说，如果镜头的焦距是40毫米(mm)，那么安全快门的速度就是1/40秒，使用低于安全快门速度拍出清晰的影像，防手震级数就是安全快门速度的倍率；如果以安全快门速度是1/40秒为例，防手震效能四级即代表相机在(1/40)×2^4=1/2.5秒快门速度下仍然能拍下清晰的影像，而影像的清晰程度则可以藉由稳定率(Stabilization Rate, SR)小于-15dB或ISO-12233，来鉴别影像锐利度(Image Sharpness)。
其中，稳定率实验主要是光学防手震系统在振动补偿与无振动补偿情况下，由固定快门时间条件决定拍摄测试目标，由拍摄照片上影像振动画素(高度)的比值来评定防手震效能，稳定率图示说明请参考图8所示。
图8 防手震稳定率定义图
OISOFF_S代表当光学防手震系统关闭且使用相机时，手产生震动时所拍摄的影像画素(垂直高度)；OISON_S代表当光学防手震系统开启，且手震动产生时所拍摄的影像画素(垂直高度)；OISOFF_NS代表当光学防手震系统关闭，且无手震动产生时，即为OIS系统静止时拍摄的影像画素(垂直高度)。工研院南分院开发的适应性光学防手震系统已可达市售四级防手震效能。
随着MEMS惯性感测器与手机相机模组新设计微型相机模组的发展，智慧型手机的动作感知与防手震技术已日益重要。目前市面上微型相机模组多以音圈马达为主要致动器，随着智慧型手机与惯性感测器的技术发展，未来光学防手震技术将逐渐受到重视，将是市售高阶智慧型手机的功能之一。
惯性感测/防手震成标准配备 手机附加价值可望大幅提升
工研院南分院多年来投入惯性导航与光学防手震相机的技术开发，在手机惯性感测与光学防手震系统皆有丰富的经验，文中介绍之光学防手震系统便是研发成果，该成果已成功技转多家厂商。市场也预估手机相机模组新设计与MEMS惯性元件在消费性电子应用市场的刺激下，将带动整合型MEMS惯性感测器出货量巨幅成长，促进光学防手震技术的发展；未来，6轴惯性感测元件(包括加速度计与陀螺仪)与光学防手震功能将成为高阶智慧型手机的标准配备，大幅提高智慧型手机的附加价值，也是未来主导市场产品的重要因素，对国内惯性元件与微型相机模组厂商而言是相当重要的产品发展方向。
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