浅谈震动和抖动对图像清晰度的影响（祝贺老师佳作荣获图文精华）


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黑琵老班

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发表于 2021-1-29 12:48 |显示全部楼层

浅谈震动和抖动对图像清晰度的影响

——云台及三角架的选择和我研发黑琵云架的技术考虑

获得清晰的照片是每一个摄影师的追求。照片的清晰度和镜头的解析能力、传感器的像素、焦点的控制等因素密不可分。飞速发展的技术不断将照相设备的清晰度水平推升到惊人的高度。胶片时代35毫米胶片的清晰度大致等同于现在400万至1600万的数码像素（反转片可以达到一亿得像素水平），而今天的全画幅相机的像素可以轻松达到5000万级别的水平。

那么问题来了：拥有了这么高分辨率的相机和镜头，我们作品的画质达到了应有的清晰度水平了吗？前面说过，影响照片清晰度的因素有很多。专业的器材厂商和专业人士提出了诸多解决方案，但其中有一个因素往往容易被忽视——机械震动。说到震动，有人会说现在镜头都有了防抖功能了，机身的五轴防抖技术也成熟了，应该不是大问题了。从这种说法中不难看出震动的概念被混淆了。其实，震动与抖动有着本质的区别。抖动指的是摄影者手持相机时手臂和身体的运动，这种运动的频率非常低、无规律且有明显的运动幅度，会对成像清晰度带来很大的影响。以往解决的办法一个是控制速度，比如，要求手持最低速度是镜头焦距的倒数；另一个是要依靠摄影师的技术能力，如人们经常说起的铁肘、铁臂等等。

随着技术的进步，出现了防抖镜头和防抖机身，这种防抖装置其实就是一个重力惯性机械浮动稳定系统，以实现在低频率运动中的片刻稳定（这就是为什么厂商要求在使用三脚架时一定要关闭防抖功能，以防止浮动装置得自身振荡导致成像模糊）。这种防抖装置可以使最低手持速度降低几个级别（防抖级数）。了解了防抖但是这种解决低频抖动的技术手段解决不了另一个导致“像素模糊”的问题——机械震动。

首先来认识一下像素。像素就是相机传感器成像的最基本单元，也决定了相机的清晰度水平。那么像素有多大呢？通常，相机不同的功能定位会决定相机像素尺寸大小的定位。如追求低通高感的相机会把基本像素单元设计的大一些，以求在暗光下获得更多电信号。这就是为什么高感相机的像素一般不高的原因。多功能相机则追求功能的平衡，像素尺寸会被设计的小一些，整体像素水平就会高一些。以5000万像素的全画幅相机为例，传感器的尺幅一般为 36✕24=864平方毫米。被分成5000万份后，单个像素面积为0.00001728平方毫米（864/50,000,000），也就是边长为0.0042毫米的正方形，相当于头发丝的1/10。可以想象，如果在成像期间，成像主体投影与传感器之间发生了超过此幅度的位移，必然会导致“像素合并”，瞬间将5000万的有效像素扼杀一半以上！

前面说过，防抖系统可以在一定程度上解决由于身体的轻微移动而导致的成像模糊问题。所以，当要求拍摄速度低于设备的最低防抖速度时就必须上三角架。但这样，另一个可能导致像素合并的因素——机械震动——就随之而来。机械震动是材料本质特征，可以通过震动频率（频率）和震动幅度（震幅）来描述。三角架的震动不但与材料有关，更与结构有关。那么震动对成像会带来什么样的影响呢？

这个问题必须综合来考虑和回答。判断是否造成影响的依据就是在成像时间内导致被摄主体在传感器上投影的移动幅度。如果在成像期间投影移动幅度远小于单位像素尺寸，那么就不会对成像清晰度造成什么影响；否则就会导致像素合并，使得获得照片的清晰度远远低于相机提供的解析度能力。

进一步分析，决定在成像时间内投影移动幅度的因素有三个——速度、设备自身震动幅度和镜头的焦距。具体来说，如果三角架的震动幅度比较大，而超长焦镜头又进一步放到了这种抖动，那么只有通过提高速度的办法来解决。这也就意味着无法进行低速慢门拍摄，从而失去了使用三角架的主要意义了。所以，一个震幅小、稳定的三角架对于追求照片应有清晰度的意义太大了，对于超长焦摄影尤甚（镜头的放大效应）。

为了降低三角架的震动对成像造成的影响，一般是采用粗壮的无中轴三角架和重型云台，或者选择结构合理的三角架和云台。以超长焦（400毫米以上的焦段）摄影为例，重型液压云台和40毫米以上管径的碳纤维无中轴三角架毫无疑问是一个正确的选择，但缺点是重量太重，出行实在不方便，特别是对于年长的摄影师，无疑是一种负担。从稳定性的角度考虑，低重心的球型云台搭配40毫米以上管径的重型三角架是不错的选择，但传统球型云台的缺点是跟踪拍摄时无法保持画面的水平，运镜时设备会东倒西歪，一旦阻尼控制不好，还会出现镜头滑落，甚至带倒三角架，导致设备损坏和安全事故。

注意，对于三角架的选择，以上都强调了无中轴三角架。那么中轴会对稳定性带来什么影响呢？道理很简单，细长的中轴除了自身容易摆动之外，还会放大摆动，造成镜头点头和摇晃，对于重型超长焦镜头的成像清晰度是致命的。所以，要慎用中轴，尽管中轴会带来很多方便。

那悬臂云台怎么样呢？虽然悬臂云台以其灵活性著称，但如果将两段弯曲的悬臂展开，是不是相当于一根长长的中轴？其自身的震动和对三角架震动的放大作用可想而知，所以悬臂云台是不折不扣的“画质杀手”！而且它体积非常庞大，非常不便于携带。我早期也是从双悬臂云台入手的，也试制出马上可以商业化的产品，并取得国家专利。但测试之后，发现防震性能不佳，最后还是放弃了。

有没有一种既轻又稳的结构呢？

于是我选择从球型云台和三角架结构入手。球型云台只用一个转动球面就能完成所有方向的移动，其结构是最稳定的。经过反复思考，我设计出既可以像液压云台那样二维运动，又可以切换成三维自由转动模式的结构。其中，最令人头痛的是如何实现像液压云台那样的动态平衡功能。经过一翻努力，终于找到了多个解决方案，最终选定了目前的结构，在第一代产品上表现为可回弹型，到了二代产品，优化为随停随驻型。整个结构获得了国家发明专利。

至于为什么要把三角架和云台进行一体化的设计呢？目的还是为了减小震幅。说实话，震动是材料和结构的本质特征，无法避免。但是我们可以通过改变结构来改变震动频率和震幅，使其无害化。通过合理的结构设计，我们可以提高结构的频率，同时大幅度减小震幅，达到让震幅小到不致使像素合并的程度。所以我采用了一体化的金字塔结构设计，将产品的整体性做到极致，将球型云台的重心置于金字塔结构内，使得整体结构的震幅远低于目前常规结构的最低水平。我给这种结构取名为云架（云台加三角架一体）。本打算用“金字塔”作为产品型号，但考虑到一些文化因素，后来选用了“K2”（乔戈里峰，国际代号K2峰）来命名。file:///C:\Users\heipi\AppData\Local\Temp\ksohtml12236\wps3.png