购入柯尼卡美能达的ALPHA 7 DIGITAL数码单反相机已经近两个月了。作为国内最早的A7D用户之一，在这段时间里对相机的各种功能进行了试用，A7D的色彩，操控性和机身防振（AS）功能给我留下了十分深刻的印象。本文中，我想对相机的手振和防振问题和大家进行比较深入的讨论。
什么是清晰?什么是模糊?
本文作者：不很懂
购入柯尼卡美能达的ALPHA 7 DIGITAL数码单反相机已经近两个月了。作为国内最早的A7D用户之一，在这段时间里对相机的各种功能进行了试用，A7D的色彩，操控性和机身防振（AS）功能给我留下了十分深刻的印象。本文中，我想对相机的手振和防振问题和大家进行比较深入的讨论。
我们平时拍照片，一般的情况下都希望得到一张清晰的照片。但是，由于种种原因，经常会发生照片拍糊的情况。我在以前的帖子《ABC基础知识———谈谈摄影的动和静》（http://digi.pchome.net/cool/2004/5/16/2_108276.php?rpcount=129）里曾经说过，照片的模糊有三种情况：相机抖动，拍摄对象移动和对焦失误。在慢速快门手持拍摄时，手振引起的相机抖动是造成照片模糊的主要原因。
说起模糊，首先遇到的一个问题是：到底怎么样才算是清晰，怎么样才算是模糊呢？我们知道，模糊和清晰是相对的概念，也是十分主观的概念。如下面的照片，左边看上去是清晰的，右边是同一样照片的局部原图，从右边的图中我们就会感到这张照片是模糊的。显然，判断一张照片是否清晰，是与照片放大到什么尺寸，观察者离照片的距离，甚至于观察者视力等各种因素有关的。
曝光时间和弥散效应的关系
照片上的图像是由各种不同的点、线条等要素组成的。由于种种原因，我们拍摄照片时，被摄物上的点在照片上成像时成了一定大小的园，即弥散园，这就产生了模糊。但是，如果我们在某种条件下进行观察，照片上的弥散园对眼睛的张角小于人眼的最小分辨角，我们的眼睛就认为这也是一个点，而不是弥散园。就好象我们在夜空里看星星，尽管星星很大，可能比地球大得多，由于星星离我们很远，眼睛观察时的张角非常小，我们还是感觉星星是一个点。
在摄影中，对照片的清晰与否实际上还是有客观的标准的。在规定的照片尺寸（3R，3.5X5英寸），规定的观察距离（明视距离25cm）的情况下进行观察，根据人眼的最小分辨角为1分（即0.0003弧度）来计算，我们能够在3R照片上分辨的最小弥散园直径约0.07mm，大约是照片对角线的两千分之一左右。熟悉景深公式的朋友知道，这正是景深公式中的允许弥散园直径的计算依据。
当我们手持相机进行拍摄时，在快门打开进行曝光的过程中，不可能做到纹丝不动。由于手持的相机有微小的振动，曝光后照片上的点会弥散变大，曝光时间越长，弥散效应就越严重。下图就是在不同曝光时间（分别为1/160秒，1/80秒，1/20秒和1/2秒下的弥散效应。
怎样避免手振引起的图像模糊
一般认为，手持相机拍摄时的微小振动是上下，或左右的晃动。晃动的角速度大约是0.02弧度/秒。让我们来看看一台35mm相机配上50mm标准镜头时的情况：35mm相机的胶片尺寸是24X36mm，其对角线长度约为43.3mm。而3R照片的对角线长约155mm。因此把35mm胶片扩印成3R照片要放大约3.6倍。由此可得，在35mm胶片上的最小弥散园直径为0.07/3.6=0.019mm时，我们的眼睛就会“看不到”模糊。根据上述的晃动角速度和镜头的焦距计算，可知在1/50秒曝光时间内，由于晃动会在胶片上产生直径约为0.02mm的弥散园。由此可得，如果在这种情况下拍摄，快门的速度应该高于1/50秒，才能避免由于手振而引起的图像模糊。
我们还可以用同样的方法来估算不同焦距的镜头在手持拍摄时的最低安全快门。我们很容易找到这样的一个规律，即最低快门正好是镜头焦距的倒数。这就是非常有名的35mm相机快门设置的倒数法则。现在要问：一个35mm相机的镜头安装在非全幅的DSLR上进行手持拍摄，倒数法则如何算？以A7D相机为例，此相机的35mm相机镜头折算比是1.5。也就是说此相机的CCD对角线长度约为43.3/1.5=28.9mm。同样可以算出，在此相机的CCD上的最小弥散园直径应为0.07/5.4=0.013mm时才能使我们的眼睛“看不到”模糊。我们仍然以50mm的标准镜头来计算，可以得出在1/75秒时间内，晃动就足以产生0.013mm大小的弥散园。也就是说，一个50mm的标准镜头安装在A7D上手持拍摄，快门速度应高于1/75秒。这个数值正好就是标准镜头在A7D上的等效焦距的倒数！我们可以得到一个结论：当我们把倒数法则运用到DC上来的时候，安全快门的速度应该取35mm相机等效焦距的倒数，而不是物理焦距的倒数。
摄影铁手功是很难练成的
必须指出：相机重量、握持方式、摄影师的经验等等诸多因素都会对晃动角速度发生影响，因此，以上也只是一种粗略的估算而已。对于某些摄影老鸟的“铁手功”，倒数法则就不一定适用了。有人说，如果射击运动员（如王义夫）来手持拍摄，可以不用三脚架了，这却是一个天大的笑话。我们分析一下就知道，射击的持枪稳定与摄影的持机稳定是完全不一样的。射击运动员在持枪瞄准时，要求持枪稳定才能打得准，但是，在他扣发时，子弹出膛的速度约为800米/秒，按枪管长0.5米计算，子弹在1/1600秒内就离开了枪管，接下来的时间里枪是否持稳已经无关紧要了。而摄影师则不同，在他按下快门后的一段时间内，曝光一直在进行，在接下来的时间直到快门关闭，都要求持机稳定。因此我们可以说，在这个意义上，摄影的铁手功要比射击难多了。
任何细微的振动都会影响画面质量。如下面的照片是400mm长焦镜头用三脚架拍摄的原图局部，左边采用了反光镜预升，而右边没有用。对比左右两图就可清楚地看到反光板所引起振动对画面的影响。
摄影铁手功是很难练成的（在用长焦镜头时几乎是不可能的），三脚架应该是我们的常备武器。因此我认为，只要条件许可，我们应该尽量用三脚架，而所谓的铁手功是没有必要提倡的。
但是，往往有些场合需要手持拍摄，随着技术的发展，防振技术就应运而生了。从原理上来说，所有的防振技术都是闭环伺服系统。这种系统都由三部分组成：采样，计算，执行。采样是用传感器（这里是角速度传感器）来测出晃动的角速度，包括大小和方向；计算是根据传感器得到的信息来计算出补偿晃动所需要的运动量；执行则是根据计算出来的数据要求进行补偿动作。
防振技术对振动的补偿原理
我们知道，无论是IS，VR之类的镜头防振还是AS机身防振，其基本原理都是一样的，只是补偿的方法不同而已。必须指出，相机的防振系统主要是补偿由于相机转动而引起的图像模糊。无论相机如何转动，我们都可能分解为绕X，Y，Z三个方向轴的转动。而在相机的防振系统中，只是考虑了左右（下图左）和上下（下图中）两个方向的转动，而完全忽略第三方向（下图右）的转动的。
要进行补偿，首先要知道相机的转动情况，因此，首先要用采样单元对相机的转动进行检测，目前的防振系统的采样单元基本上都是采用叫做陀螺仪的角速度传感器。陀螺仪的种类很多，有液浮陀螺，动力调谐陀螺，静电陀螺，激光陀螺，光纤陀螺等等。陀螺仪的用途非常广泛，特别是在导航，制导等方面有其不可替代的作用。用在相机防振系统上的陀螺应该是体积小，起动快而无转子型的光电陀螺，如采用波导光学技术的光纤陀螺，或采用微电子机械系统（MEMS）的微硅陀螺。
检测到了手振引起的转动，再由计算单元来算出所需要的补偿量。镜头防振和机身防振的补偿机理不一样，因此计算也不一样。以机身防振为例，考虑到：
1，实际转动的角度很小，在角度很小时，tan a=sin a = a；
2，一般摄影时物距比像距大得多，可以认为像距近似等于焦距。
因此，由手振引起的图像移动距离就是偏转角乘以镜头焦距（弧度），就可以很简单地计算出CCD应该进行补偿移动距离（下图）。镜头防振是通过镜头中的悬浮镜片的运动来进行补偿的，计算会更复杂一些。但是，对目前的MPU技术来说，这样的计算量也只是小菜一碟而已了。
灵敏度和精度和响应时间
得到了计算的结果，就由执行单元来进行补偿动作。在机身防振系统中，CCD是安装在一个X-Y方向两维可移动框架上的(下图)。由计算单元送过来的指令驱动压电陶瓷，使CCD进行补偿运动。而镜头防振则是由计算单元送过来的指令驱动悬浮镜片，使镜头的光轴发生偏转，从而进行补偿的。
对于一个伺服系统来说，效果好不好，主要有三方面，即灵敏度，精度和响应时间。
首先，让我们来看看灵敏度。在本文的上篇中，有Raynube网友提问：“柯美的 AS 能对反光板带来的机震进行有效的补偿么？其实就是想了解一下AS的灵敏度。”我在回帖中贴了这张图，从图中看出，AS的灵敏度并没有达到对反光板引起的机振进行补偿的要求。
AS防振系统的灵敏度测试
那末，这是不是说明AS防振“灵敏度不高”，表现“很差”呢？事实并非如此。让我们再来做一个测试。下图就是测试时的情况，相机固定在一个“移动平台”上面，平台的平移速度是每秒60mm。分别在关闭和开启AS的情况下，在移动的过程用快门线按快门进行拍摄。在这种情况下，拍摄时相机是在动的，而且只有平动，没有转动。
先在平台静止的情况下拍一张照片，从右下角的原图局部中可以看出，后面的文汇报是很清晰的。
再在平台移动的情况下拍一张照片，此时AS没有打开，报纸上的字迹发生了模糊。由于移动是左右一个方向的，从右下角的原图局部中可以看出，模糊也是左右方向的，上下方向并没有模糊。
现在把AS打开，同样的条件下再拍一张照片。从原图局部中可以看出，模糊并没有丝毫的改善。也就是说，在单纯平动的情况下，AS根本就不起作用。
为什么会有这样的现象呢？这是由于角速度传感器（陀螺仪）只能检测到转动的角速度，并不能检测平动。防振系统没有检测到相机的平动，当然就无法对平动引起的模糊作补偿了。这并不是AS机身防振系统的“缺陷”。所有的相机防振系统都采用了角速度传感器来检测手振，因此，这种局限性是普遍的，无论是机身防振还是镜头防振都一样的。AS和其他所有的防振技术都只是在一定程度上进行了补偿，只是在一定程度上改善了手持拍摄时的画质。要想连反光板带来的机振都能补偿是不现实的，也是不必要的。这也可以用著名的“木桶原理”来理解：现在最短的那块木头可能是“平动”，一味地提高角速度传感器的灵敏度也许只会增加成本，对系统的灵敏度是于事无补的。
防振系统的精度和响应时间问题
接下来我们再来讨论防振系统的精度问题。精度实际上取决于补偿量的计算。如果计算出来的补偿量与图像的位移量一致，补偿就能起到很好的作用，补偿精度就很高，反之，补偿精度就不高。那末，我们能不能做到对补偿量计算很精确呢？答案是否定的。也就是说，防振系统的精度是不可能做得很高的。
防振系统是根据转动角速度来计算补偿量的，计算时有一个基本假设，即转动的迥转中心是镜头的光心。以AS系统为例，转动引起图像的偏移就是焦距与转动角度之乘积（见3楼图）。但是，实际上的迥转中心是无从确定的，这与每个具体的人的手持习惯有关。我们可以把这样的转动分解为以光心为中心的转动和整个系统的平动两部分。又回到了上面所说的平动无法检测的问题上来了。真是“都是平动惹的祸”啊！
顺便说一下，由于迥转中心偏离光心而引起的对补偿量计算误差并不会影响上篇中所说的倒数法则。从下图可以看出，当迥转中心在光心之外时，会使图像偏离变大，反之，图像偏离则变校由于我们一般手持相机时支撑手都在相机之下，迥转中心是偏向于光心之内的。用倒数法则来决定的安全快门还是没有问题的。
最后来说一说响应时间的问题。也就是说，防振系统检测到了手振，也计算了补偿量，系统就应该在尽量短的时间内作出响应，进行补偿。由于防振系统是闭环的，是不断地在进行检测，计算和执行的。响应时间越短，反应就越快，效果也就越好。决定响应时间的关键是执行机构，而被移动单元的质量是一个决定性的因素。在镜头防振系统中移动单元是悬浮镜片，镜头是由许多不同大小的镜片组成的，而那片悬浮镜片一般都是较小，较轻的，很可能是塑料镜片（在CD-ROM的光头里，就是用单片非球面塑料镜片的）。而在机身防振系统中移动单元是CCD，要做到较小，较轻就很困难了。特别是CCD的大小与成像质量有关，决不能为了防振而放弃使用大尺寸CCD。从这一点上来说，机身防振与镜头防振相比，实现难度更高。虽然柯美早在A1，A2相机上实现了AS机身防振，要把AS技术用到DSLR相机ALPHA 7D上来，由于CCD的尺寸大了许多，要克服的技术难题比一般想象的要多得多。可以设想，要把AS用到全幅面的DSLR（传说中的ALPHA 9D）上去，决非一日之功。
镜头防振和机身防振的优缺点
那末，柯美公司是不是在“顶着石臼唱戏——吃力不讨好”呢？非也！与镜头防振相比，机身防振的优越性也是显而易见的。比如说，防振镜头的价格昂贵，要购买各种焦段的防振镜头绝对是一笔庞大的支出，而机身防振能轻而易举地把你现存的镜头变成了“防振镜头”。
除了这个“人人皆知的秘密”之外，另一个重要的优点是机身防振并没有对镜头作任何改变，因此，镜头的成像质量不会有任何降低。而防振镜头则不同，再好的设计，再好的加工工艺，由于镜头中有一片悬浮镜片在改变镜头的主光轴，此镜头的成像质量必然会受到影响。大家都知道：定焦镜头的像质比变焦镜头好，这是因为定焦镜头设计中不必像变焦镜头那样兼顾各种不同焦距时的像差。我们同样也可以说，非防振镜头的像质比防振镜头好。这是光学设计中铁定的原则。
对比机身防振与镜头防振，还有一个不同之处。用防振镜头的DSLR（如佳能DSLR+IS镜头）拍摄时，我们从观景窗中可以直接看到防振效果，即图像是不是稳定的。而采用机身防振AS技术的DSLR（柯美ALPHA 7D）拍摄时，观景窗中看不到直接的防振效果，只是在右边用五个LED来表示手振的程度。在某个网站上就有一位“专业摄影师”对此就颇有意见，断言“这里面无形就有一个猜测和运气的成分了。”并不愿意对AS系统作进一步的考察和测试就以此作出结论“测试基本上是失败的。”
首先要指出，观景窗中看不到直接的防振效果的原因并不是机身防振本身，而是DSLR的取景方式。柯美的A1，A2相机也采用了AS机身防振，由于采用CCD取景，我们还是可能直接看到防振效果的。而DSLR则不同，观景窗中看到的图像是经反光板-五棱镜系统的，为了要看到直接效果而对反光板-五棱镜系统也进行补偿伺服显然是不可行的。当然，一定要直接看到防振效果，也可以把反光板抬起，象A1、A2一样采用CCD取景，也确实有DSLR（如富士S3 PRO）提供了这样的取景模式，不过，仅为了看到防振效果而这样做似乎是没有必要的。
更进一步的考虑，实际上柯美用LED来表示手振程度可能还有一个好处——省电。我们知道，目前对便携电子产品来说，低功耗是设计时必须重点注意的因素。用防振镜头的系统中，虽然在对焦过程中可以直观地看到防振效果，同时也说明了在整个对焦过程中，防振系统的执行单元是一直在工作的，而执行单元正是整个系统中最耗电的部分。从拍摄的最后效果来看，对焦时执行单元的补偿运动是不必要的。而用LED来显示手振的程度，就可能不必让执行单元在对焦时作补偿运动，既能让拍摄者对目前手振情况做到心中有数，又不浪费宝贵的电池能量，这不是两全其美吗？
基于图像的防振设想测试
虽说机身防振可以使我们已有的许多镜头都成为“防振镜头”，但也有例外。据柯美公司发布的消息说，有少数镜头，如Macro Zoom 3X-1X f/1.7-2.8就无法使用AS防振。从原理上来说，微距镜头在与AS防振配合时都会有些问题。不知大家是否注意到，前面我们讨论计算补偿量时，一直提到镜头的焦距，而实际上，从光心到成像面的距离并不是焦距，而是像距。在一般拍摄情况下，由于被摄对象比较远，即物距比较大，像距与焦距相差很小，用焦距来计算不至于发生很大的偏差。但是在微距摄影时就不一样了，1：1微距时的像距与物距相等，都等于焦距的两倍。此时，如果再用焦距代替像距进行计算，得到的补偿量就会偏差很大，再如上面的3X-1X微距镜头在3X工作情况下，像距将是焦距的4倍，此时的AS防振当然就无法保证动作正确了。美能达镜头中的D头是有检测对焦距离信息的功能的，也许在使用D头时，AS系统能根据对焦距离信息来正确计算像距，从而得到正确的补偿量，就不得而知了。根据本人的试用，微距镜头的防振效果确实是略差于非微距镜头的。
或许，这就是佳能公司的十多个防振镜头中没有一个是微距镜头的原因吧？
因为是纸上谈兵，我们就可能把思路放得更开一些。防振的目的不是要使拍摄的图像清晰一些吗？那末，我们直接对图像进行检测，不是更好吗？这种基于图像的防振设想是不是可行呢？
我们来做一个试验，按提高快门三档来计算。如果按测光得到的快门速度是1/10秒，我们就用1/80（即快三档）的速度来拍摄，我们就会得到如下的八张曝光严重不足的照片。
照片叠加实测效果对比
再把这八张照片叠加起来，就能得到如下的一张曝光正确的照片。但是由于这八张照片拍摄前后共用了大于1/10秒（实际试验拍摄时远超过1/10秒）的时间，相机发生了手振，上面的八张照片虽然每张都是清晰的，由于相互发生了错位，叠加合成的这张照片是模糊的。
接下来，我把八张照片进行移动，纠正了错位，再叠加合成，就得到了如下的一张照片。哈哈！这张照片是清晰的！如果这个过程能在相机里自动完成，即以提高三档的快门速度连拍八张，再计算出每张照片之间的错位量（用图像相关处理的算法是不难做到的），再进行移位、叠加合成，这不就是一种基于图像的“防振技术”吗？不过，这种“防振技术”至少在目前是无法实现的。就按500万像素的相机来作估计，如果对200mm长焦镜头手持拍摄进行防振，此时的安全快门速度是1/200秒，放慢三档就是1/25秒。要在1/25秒的时间内连续记录八次拍摄的500万像素数据进行处理，恐怕目前的数据转输速率和处理能力还做不到。但是，随着技术的不断发展，也许将来是能做到的，谁知道呢？
基于图像的伺服系统测试对比
再进一步，我们可以设想把这种基于图像的伺服系统从防振扩展到锁焦。如果相机不动而被摄物在移动，结果将会如何呢？如果以不动的背景为基准，得到的照片上的运动物体会模糊。
如果以运动物体为基准进行移动对准的话，我们就可以得到一张类似跟拍效果的照片。如果照片迭加时的算法更好一些，照片的像质应该比现在的好些。我就无法再作进一步的试验了。
本文的内容基本上都是从原理出发的纸上谈兵。如有不正确的地方，请各位网友批评指正。谢谢！OVER。
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