2024年9月3日发(作者：窦任真)
第３３卷第２期
２０１２年３月
应用 光学
ＶｏＬ ３３ Ｎｏ．２
Ｍａｒ．２０１２
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
文章编号：１００２—２０８２（２０１２）０２—０２７８—０６
光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
解官宝 ，郭喜庆
（１．中国科学院光电研究院，北京１０００９４；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）
摘要：研究了光学防抖提高相机成像清晰度的原理和效果。从相机成像光路上分析了抖动
成像的影响并给出抖动造成的偏移量的表达式；建立了光学防抖的控制模型，采用ＰＩＤ控制
法，利用ＭＡＴＬＡＢ仿真得出防抖效果；在关闭和开启光学防抖条件下，对成像目标拍摄并经
理后得到２组８幅ｌ５０×１１２像素的图像。在基于频率域的直方图上，有光学防抖的图像增
１０个左右高频分量；在基于空间域的能量梯度曲线上，有光学防抖的图像数量级从１０ 提高
了ｌ０ 。
关键词：光电检测；光学防抖；成像清晰度；ＭＡＴＬＡＢ图像处理
中图分类号：ＴＮ２０６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１２３３．０２０１００９
Ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ
ＸＩＥ Ｇｕａｎ—ｂａｏ ，ＧＵｏ Ｘｉ—ｑｉｎｇ
（１．Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｇｕａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ａｒｅ
ｓｔｕｄｉｅｄ。Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｋｉｎｇ ｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｏｆ
ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｏｆｆｓｅｔ ｄ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈａｋｉｎｇ ｉｓ ｇｉｖｅｎ；ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ
ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ．ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ—ｉｎｔｅｇｒａｌ—ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ）ｃｏｎ—
ｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ａｎｔｉ—ｓｈａｋｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ；
ｌａｓｔ，ｓｏｍｅ ｏｂｊ ｅｃｔｓ ａｒｅ ｓｈｏｔ ｂｙ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｐｅｎｉｎｇ ａｎｄ
ｃｌｏｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ．Ｔｗｏ ｇｒｏｕｐｓ，８ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ １ ５０×１ １２ ｐｉｘｅｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
对算处加到
ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｈｏｔ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｈａｓ １ ０ ｍｏｒｅ ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎ—
ｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｈｏｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｏｎ ａｖｅｒａｇｅ；ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ
ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｓｐａｔｉａｌ ｄｏｍａｉｎ，ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｈｏｔ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ
ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ １０ ｔｏ １０
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ；ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ；ＭＡＴＬＡＢ ｉｍａｇｅ ｐｒｏ
ｃｅｓｓｉｎｇ
引言
在使用数码照相机时，特别是在长焦距条件
企业的研究热点。目前的３种主流防抖技术：光学
防抖、ＣＣＤ防抖和电子防抖。光学防抖主要依靠
镜头内部的补偿镜片来实现抖动补偿；ＣＣＤ防抖
是以移动ＣＣＤ自身来补偿抖动造成的光轴偏移
下，如果没有使用三角架，那么人手的抖动难免会
对成像质量造成影响，甚至是不可恢复的。因此，
抖动补偿成为许多有关稳像技术科研院所和生产
收稿日期：２０１１～Ｏ９—１２； 修回日期：２０１１－０９—２７
量；电子防抖是通过数字图像处理技术对抖动后
作者简介：解官宝（１９８７一），男，河南人，硕士研究生，主要从事光电检测和控制方面的研究工作。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｇｕａｎｂａｏ２ＯＯ６＠１２６．ｃｏｍ
应用光学２０１２，３３（２） 解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析 ・２７９・
成的像进行修正恢复。３种防抖方法各有优劣，但
是光学防抖在一些情况下防抖效果显著，应用前
景广阔。
１９９４年日本Ｎｉｋｏｎ公司推出具有“ＶＲ”减震
篙 圉———————Ｈ—— ＿— — 。 四
系统的袖珍相机，第一次将光学防抖技术引入相
机领域，ＶＲ全称是“Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ”。１９９５
篙 —爸 囝
年日本Ｃａｎｏｎ公司推出世界上第一只带有图像稳
定器镜头ＥＯＳ ７５～３００ ｔｒｉｍ ｆ／４～５．６ ＩＳ，ＩＳ是
“Ｉｍａｇｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ”的简称。“ＶＲ”和“ＩＳ”技术在原
理上大致相同。之后，Ｐａｎａｓｏｎｉｃ的ＯＩＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｉｍａｇｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）技术在防抖组件中引入磁悬浮技
术，Ｓｏｎｙ在防抖组件中只有一枚移动镜片。
光学防抖技术正向小体积、多驱动方向发展，
有望能在手机照相机等微相机系统上实现防抖功
能 川。同时，光学防抖技术与机械减振、电子防抖
相结合，实现光机电一体化的高精度、高可靠性和
高效率的结合。随着航空相机和工业相机等成像
系统数字化，电子防抖方式灵活、体积小、成本低
等优点，在机械减振系统大幅度减振后和光学防
抖技术有机地结合，也将成为稳像技术发展的趋
势之一。
１ 光学防抖
１．１ 光学防抖原理
在成像过程中，常常会因为成像设备与被摄
物体之间的相对运动，导致图像模糊ｌ＿２］。在使用
数码相机时，在按下相机快门后的曝光时间内抖
动就会使得光轴偏移，从而严重影响图像清晰度
和分辨率等性能口］。从抖动的形式来看：可以将
照相过程的相机上下左右前后的平移称之“平
动”；将照相过程中相机的倾斜称之为“倾角”。在
“平动”抖动过程中，若曝光时间较短，那么可以看
作被摄物相对像平面做匀速直线运动，偏移量ｄ
与被摄物的距离成反比；在“倾角”抖动过程中，那
么可以看作被摄物相对像平面附近的轴做旋转运
动，偏移量ｄ与旋转角度成正比，显然，“倾角”抖
动对成像造成的影响相对“平动”抖动大得多 ］。
因此，在长距离拍摄静态目标时，“平动”抖动往往
可以忽略。抖动对成像的影响及光学防抖原理如
图ｌ所示。
在图１中，（ａ）图是没有抖动下的成像，（ｂ）图
是抖动下的成像。可以看出在成像过程中因为抖
动会造成光轴偏移 角，这样原来成像在ＣＣＤ上
四
图ｌ 抖动对成像的影响及光学防抖原理
Ｆｉｇ．１ Ｉｍａｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｓｈａｋｉｎｇ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｐｒｉｎ。
ｃｉｐｌｅ
的点会成像到另一点。我们将这个偏移量计作ｄ，
并给出ｄ的计算公式：
一
／×ｓｉｎ０ （１）
当 较小时，有关系式：
＝＝＝，× （２）
其中
一
卜ｄ￡ （３）
式中∞ 为光轴角速度。
光学防抖目的是减小偏移量ｄ，方法是在镜头
中加入一组补偿镜片，利用镜片的光学特性减小
光轴偏移角度０，从而减小偏移量ｄ，其原理图如图
１（ｃ）所示。
１．２光学防抖中的控制模型
光学防抖中，在曝光时间内需要完成以下过
程：抖动检测、信号处理和补偿镜片移动。整个过
程是一个伺服运动，同时还具有检测时间短、信号
处理速度快和镜片补偿移动量小等特点。本文就
此过程建立一个控制模型来进行理论分析。
在工程实践中，比例、积分、微分控制算法应
用广泛，简称ＰＩＤ控制。ＰＩＤ控制因其结构简单、
稳定性好、工作可靠、调整方便而从它诞生之日起
成为工业控制的主要技术之一。当控制量是恒值
时，利用ＰＩＤ控制规律可以使被控量迅速达到控
制量的设定值ｌ＿５］。我们要做的就是将抖动造成的
光轴偏移量尽量减小到预设的位置，所以ＰＩＤ算
法可以应用到光学防抖之中。本文是按照ＰＩＤ控
制算法建模的。根据相机中的抖动和防抖原理得
出光学防抖中的控制模型如图２所示。
・
２８０・ 应用光学２０１２，３３（２）解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
抖动干扰
的，有时需要工程人员在线对控制系统进行大量
的参数整定［６］。为了说明（１０）式可以起到防抖的
作用，本文选取一组ＰＩＤ参数Ｋ 一０．０００ １、Ｔｕ一
０．００１和Ｔ 一０．００１，并讨论∞ 不同形式下的防抖
１
效果。下面首先给出———— —
图２ 光学防抖控制原理框图
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ
在已给定
』ｉ３
１＋Ｋ ｐ＋Ｔｄｓ＋
在图２中，按下快门时的光轴位置角度记作：
Ｒ（ｓ）一００ （４）
参数下的运动曲线（图４）。
阶跃响应
实际的光轴位置角度记作：
Ｃ（ｓ）一０ （５）
控制器采用ＰＩＤ控制算法，其数学表达式为
１
Ｇ （５）一Ｋｐ（１＋去＋ ｓ）
将抖动干扰信号和它后面的部分记作：
Ｎ（ｓ）一
（６）
（７）
和Ｇ２（ｓ）一１ （８）
并且因为测量值是单一的，所以模型为单位
反馈。于是得图３所示的控制传递函数图。
Ⅳ（ ）
图４运动曲线
Ｆｉｇ．４ Ｍｏｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ
从图４可以看出：整个运动大约在０．０１ Ｓ后
趋于稳定。同时，所有的单反相机应至少有以下
快门：１、１／２、１／４、１／８、１／１５、１／３０、１／６０、１／１２５、
图３光学防抖控制原理传递函数
Ｆｉｇ．３ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ
ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ
１／２５０、１／５００、１／１０００，单位为Ｓ。而在照相时因个
人差异、手腕稳定度不同，所造成的抖动形式也是
千差万别， 可以看作是随机信号。实验证明，
一
由图３可以得出输出Ｃ（ｓ）的表达式：
１
般人手持相机时的手抖频率为０～２０ Ｈｚ，为研
ｃ（ｓ）一Ｔ二Ｆ亩 ［Ｇ （５）Ｒ（ｓ）＋Ｎ（ｓ）］ （９）
代入（４）式～（８）式并化简后得出：
＋ １
究方便将∞ 的频率用 表示且其取值范围也设
定为０～２Ｏ Ｈｚ，并且在表１中的快门速度下对抖
动造成的光轴偏移看作是匀速圆周运动，角速度
为１。／ｓ（为计算方便取该数值，实际中人在有意
识下的动作为２００。／ｓ～３００。／ｓ）。防抖效果用
１＋Ｋ ＋Ｔ ５＋．
ＰＩＤ参数的整定是需要理论计算和工程经验
一
的幅值衡量，得出防抖效果如表１所示。
表１防抖效果
Ｔａｂｌｅ １ Ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｅｆｆｅｃｔ
１ Ｏ Ｏ ５．０００
Ｏ
１０．０００
Ｏ
１５．０００
Ｏ
２０．０００
１０．０００
５．０００
Ｏ
１／２
１／４
０
０
０
０
２．５００
１．２５０
Ｏ
Ｏ
５．０００
２．５ＯＯ
０
Ｔ
７．５ＯＯ
３．７５Ｏ
Ｏ
０
Ｏ
Ｏ Ｏ
应用光学２０１２，３３（２） 解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
哪
Ｏ Ｏ
・２８１・
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
５ ３
站
７ ３ Ｏ Ｏ １
∞ ∞
Ｏ
５
Ｏ
１．８７５
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
２．５ＯＯ
１．３３３
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
１．０００
Ｏ．５ＯＯ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ．６６７
Ｏ．３３３
Ｏ．１６Ｏ
Ｏ．Ｏ８Ｏ
０．０４０
Ｏ．Ｏ２Ｏ
Ｏ．２５Ｏ
Ｏ．１２Ｏ
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
Ｏ．ＯＯＯ Ｏ２
１ Ｏ Ｏ Ｏ
０．０００ １５
０．０００ ２０
０．０００ ９８
Ｏ ７
∞ 娼
３ ７ Ｏ Ｏ Ｏ １
Ｏ．Ｏ６Ｏ
Ｏ．ＯＯ２ ９８
Ｏ．Ｏ１２ ６Ｏ
０．ＯＯ３ ９８
∞
Ｏ．Ｏ３Ｏ
Ｏ
０．０００ ０５
０．０００ ２７
０ Ｏ Ｏ
Ｏ．Ｏ１６ ８ｏ
Ｏ．Ｏ１Ｏ ６８ Ｏ．Ｏ１５
Ｏ．ＯＯ８ Ｏｌ
无：没有防抖；有：有防抖
０ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 叭 ∞
％ ∞ 弘
表１中的讨论全部基于图４中的运动曲线，即 晰，其梯度值也就越大。能量梯度函数常作为清
ＰＩＤ的参数是已给定，从表１中的数据可以看出相
机防抖功能会大大减小因抖动造成的影响，但是
防抖的作用不是无限的。
晰度评价函数，其数学表达式为
厂（，）＝＝＝∑∑｛［工（ｚ＋１， ）一Ｉ（ｘ，．ｙ）］ ４－
［ （ｚ， ４－１）一Ｉ（ｘ， ）］ ｝
式中Ｉ（ｘ， ）是图像在点（ｚ， ）处的灰度值。
（１１）
２相机成像清晰度评价
图像质量评价可分为主观评价方法和客观评
价方法，前者凭借实验人员的主观感知来评价图
像质量；后者依据模型给出的量化指标，模拟人类
下面给出关闭防抖和开启防抖功能下两组
１５０×１１２像素的图片。
视觉系统感知机制衡量图像质量 ］。由于相机成
像质量评价是无参考图像的质量评价，而且图像
质量与人的主观欣赏度是相关的，这就使得图像
客观评价的内容和范围都受到限制，无法全面地
衡量图像质量ｌ＿８］。因此，本文在主观观察之后，主
＿－＿＿
一＿＿＿
（ｅ） （Ｄ （ｇ） （ｈ）
要依靠客观评价方法来评价图像质量。同时，本
文中的抖动对图像质量的影响主要体现在图像的
清晰度上，而图像清晰度也是普通相机和航空相
机在获得图片时重要考虑因素，所以本文着重讨
论光学防抖对相机成像清晰度的影响。
图５拍摄样图
Ｆｉｇ．５ Ｓｈｏｏｔｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｆｉｇｕｒｅ
图５中（ａ）与（ｅ），（ｂ）与（ｆ），（ｃ）与（ｇ），（ｄ）与
（ｈ）仅是有无防抖差别的一对图片。主观上有防
抖的图像要清晰，客观上评价，它们的直方图如图
６所示。
数字图像评价函数是评价数字图像清晰度的
重要依据，常用的图像清晰度评价函数有基于频
率域、空间域特征和统计特征等几类¨ｇ］，本文就前
两类来讨论。
在图６中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）
分别是图５中与之对应的灰度直方图，可以看出开
启防抖功能的图片高频分量增多，图片清晰。它
们的能量梯度曲线图如图７所示。
在图７中，下方的曲线是对应ａ、ｂ、Ｃ、ｄ的４幅
１）基于频率域，文献［１０］指出图像的高频分
量少，则图像模糊；图像的高频分量多，则图像
清晰。
图像，上方是对应ｅ、ｆ、ｇ、ｈ的４幅图像，从图中可
以看出具有防抖功能之后的图像清晰度比没有防
２）基于空间域特征，文献［１１］指出在数字图
像处理中，图像的对比度越高，它的边缘就越清
抖功能的在数值上高出一个数量级。
・
２８２・ 应用光学２０１２，３３（２）解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
舞 美曩嚣｜ ｉ
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＜＿
蜊
ｆｄ１ ｆｈ１
图６直方图
Ｆｉｇ．６ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍｓ
３ 结论
对光学防抖提高相机成像清晰度的原理进行
一
×
了理论分析，并对光学防抖建立控制模型。分别
选取抖动频率为０、５、１０、１５、２０ Ｈｚ，同时将抖动造
窭
成的光轴偏移看作是匀速圆周运动，在角速度为
面
１。／ｓ的条件下，利用ＭＡＴＬＡＢ仿真，当抖动频率
为５ Ｈｚ时抖动角度为０．０８３。（假设此时安全快门
为１／６０ ｓ），那么开启光学防抖功能后的快门速度
在Ｉ Ｓ时，使抖动角度降为０。，仍可成清晰的像，降
图７能量梯度曲线
低了６档快门速度，较目前降低４档左右快门速度
Ｆｉｇ．７ Ｅｎｅｒｇｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｕｒｖｅ
的效果要好。类似地，在其他频率时也可以得出
应用光学２０１２，３３（２）解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析 ・２８３・
相应的结论。通过对关闭和开启防抖功能下拍摄
图像的直方图和能量梯度曲线比较，开启防抖功
［Ｊ］．湖南电力，２０１１，３１（３）：１５—１８．
ＬＩ Ｙｕａｎ－ｓｈｅｎｇ．Ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ—
能下的图像清晰度明显优于关闭防抖功能的
图像。
ｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ［Ｊ］．Ｈｕ—
ｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，２Ｏ１１，３１（６）：１５—１８（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［７］高绍姝，金伟其，王岭雪，等．图像融合质量客观评价
参考文献
方法［Ｊ］．应用光学，２０１１，３２（４）：６７１—６７７．
ＧＡＧ ＳｈａＧ—ｓｈｕ。ＪＩＮ Ｗｅｉ—ｑｉ。ＷＡＮＧ Ｌｉｎｇ－ｘｕｅ．Ｏｂ—
［１］王心怡．望远镜影像稳定系统的设计与实￣ＥＤ－Ｉ．哈
尔滨：哈尔滨工业大学，２００７．
ＷＡＮＧ Ｘｉｎ－ｙｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ
ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２］
张博夫．数码相机抖动模糊图像的恢复［Ｊ］．深圳职业
技术学院，２０１０，９（５）：３６—４１．
ＺＨＡＮＧ Ｂｏｆｕ．Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌｕｒｒｅｄ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｄｉｇ—
ｉｔａｌ ｃａｍｅｒａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｈａｎｄｓ ｓｈａｋｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，２０１０，９（５）：３６—４１．（ｉｎ Ｃｈｉ—
ｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅ３］
洪华杰，王学武，翁干飞．光电侦察装备中的反射镜
稳定技术［Ｊ］．应用光学，２０１１，３２（４）：５９１—５９７．
ＨＯＮＧ Ｈｕａ－ｊｉｅ。ＷＡＮＧ Ｘｕｅ—ｗｕ。ＷＥＮＧ Ｇａｎ—ｆｅｉ．
Ｍｉｒｒｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ
ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２０１１，３２（４）：
５９１－５９７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［４］
徐之海，李奇，冯华君．摄像、照相系统中的稳像技术
［Ｊ］．照相机，２００２．６：４－５．
ＸＵ Ｚｈｉ—ｈａｌ，ＬＩ Ｑｉ，ＦＥＮＧ Ｈｕａ—ｊｕｎ．Ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｔａ—
ｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｏｒ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃａｍｅｒａ，
２００２，６：４－５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［５］
杜井庆，高世桥，罗创，等．基于ＰＩＤ算法的控制量按
任意函数变化的一种控制方法［Ｊ］．仪器仪表学报，
２０１１，３２（６）：１３１７－１３２３．
ＤＵ Ｊｉｎｇ—ｑｉｎｇ．ＧＡｏ Ｓｈｉ—ｑｉａｏ．ＬＵＧ Ｃｈｕａｎｇ．Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｖａｒｙｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ
ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２０１１，３２（６）：１３１７—
１３２３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅ６］
李远生．基于ＭＡＴＬＡＢ自动控制系统建模与仿真
ｊｅｃｔｉｖｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｆｕｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２０１１，３２（４）：６７１—６７７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［８］薛立勤．显示图像质量定量评价方法及质量控制研
究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００７．
ＸＵＥ Ｌｉ—ｑｉｎ．Ｄｉｓｐｌａｙ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｓ—
ｓｅｓｓｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｄ］．Ｗｕｈａｎ：
Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［９］ 申勤．数字图像清晰度评价函数的研究与改进［Ｊ］．
微型机与应用，２０１１，３０（１）：３２—３４．
ＳＨＥＮ Ｑｉｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍ—
ａｇｅ ｃｌａｒｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ＆
Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１１，３０（１）：３２—３４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［１Ｏ］宋康，张涛，廖俊必．图像自相关函数作为清晰度评
价函数的理论分析［Ｊ］．西南交通大学学报，２００８，
４３（５）：５７８—５８１．
ＳＯＮＧ Ｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧ ＴａＧ，ＬＩＡＯ Ｊｕｎｂｉ．Ｔｈｅｏｒｅｔ—
ｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｕｔｏｅｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ａｓ
ｓｈａｒｐｎｅｓｓ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ—
ｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，４３（５）：５７８—５８１．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［１１］吴利明，陶晓杰．一种新的图像清晰度评价方法［Ｊ］．
仪器仪表用户，２００８，１５（６）：８４—８６．
ＷＵ Ｌｉ—ｍｉｎｇ，ＴＡＧ Ｘｉａｏ—ｊ ｉｅ．Ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｅｆｉｎｉ—
ｔｉｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ［Ｊ］．Ｙｉｑｉｙｉｂｉａｏ
Ｙｏｎｇｈｕ，２００８，１５（６）：８４—８６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ
Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
2024年9月3日发(作者：窦任真)
第３３卷第２期
２０１２年３月
应用 光学
ＶｏＬ ３３ Ｎｏ．２
Ｍａｒ．２０１２
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ
文章编号：１００２—２０８２（２０１２）０２—０２７８—０６
光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
解官宝 ，郭喜庆
（１．中国科学院光电研究院，北京１０００９４；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）
摘要：研究了光学防抖提高相机成像清晰度的原理和效果。从相机成像光路上分析了抖动
成像的影响并给出抖动造成的偏移量的表达式；建立了光学防抖的控制模型，采用ＰＩＤ控制
法，利用ＭＡＴＬＡＢ仿真得出防抖效果；在关闭和开启光学防抖条件下，对成像目标拍摄并经
理后得到２组８幅ｌ５０×１１２像素的图像。在基于频率域的直方图上，有光学防抖的图像增
１０个左右高频分量；在基于空间域的能量梯度曲线上，有光学防抖的图像数量级从１０ 提高
了ｌ０ 。
关键词：光电检测；光学防抖；成像清晰度；ＭＡＴＬＡＢ图像处理
中图分类号：ＴＮ２０６ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１２３３．０２０１００９
Ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ
ＸＩＥ Ｇｕａｎ—ｂａｏ ，ＧＵｏ Ｘｉ—ｑｉｎｇ
（１．Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｏｐｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｇｕａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ａｒｅ
ｓｔｕｄｉｅｄ。Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｋｉｎｇ ｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ ｏｆ
ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｏｆｆｓｅｔ ｄ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈａｋｉｎｇ ｉｓ ｇｉｖｅｎ；ｓｅｃｏｎｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ
ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ．ｕｓｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ—ｉｎｔｅｇｒａｌ—ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（ＰＩＤ）ｃｏｎ—
ｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｇｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ａｎｔｉ—ｓｈａｋｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ；
ｌａｓｔ，ｓｏｍｅ ｏｂｊ ｅｃｔｓ ａｒｅ ｓｈｏｔ ｂｙ ａ ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｐｅｎｉｎｇ ａｎｄ
ｃｌｏｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ．Ｔｗｏ ｇｒｏｕｐｓ，８ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ １ ５０×１ １２ ｐｉｘｅｌｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
对算处加到
ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｈｏｔ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｈａｓ １ ０ ｍｏｒｅ ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎ—
ｃｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｈｏｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｏｎ ａｖｅｒａｇｅ；ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ
ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｓｐａｔｉａｌ ｄｏｍａｉｎ，ｔｈｅ ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｈｏｔ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ
ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｆｒｏｍ １０ ｔｏ １０
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ；ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ；ＭＡＴＬＡＢ ｉｍａｇｅ ｐｒｏ
ｃｅｓｓｉｎｇ
引言
在使用数码照相机时，特别是在长焦距条件
企业的研究热点。目前的３种主流防抖技术：光学
防抖、ＣＣＤ防抖和电子防抖。光学防抖主要依靠
镜头内部的补偿镜片来实现抖动补偿；ＣＣＤ防抖
是以移动ＣＣＤ自身来补偿抖动造成的光轴偏移
下，如果没有使用三角架，那么人手的抖动难免会
对成像质量造成影响，甚至是不可恢复的。因此，
抖动补偿成为许多有关稳像技术科研院所和生产
收稿日期：２０１１～Ｏ９—１２； 修回日期：２０１１－０９—２７
量；电子防抖是通过数字图像处理技术对抖动后
作者简介：解官宝（１９８７一），男，河南人，硕士研究生，主要从事光电检测和控制方面的研究工作。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｇｕａｎｂａｏ２ＯＯ６＠１２６．ｃｏｍ
应用光学２０１２，３３（２） 解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析 ・２７９・
成的像进行修正恢复。３种防抖方法各有优劣，但
是光学防抖在一些情况下防抖效果显著，应用前
景广阔。
１９９４年日本Ｎｉｋｏｎ公司推出具有“ＶＲ”减震
篙 圉———————Ｈ—— ＿— — 。 四
系统的袖珍相机，第一次将光学防抖技术引入相
机领域，ＶＲ全称是“Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ”。１９９５
篙 —爸 囝
年日本Ｃａｎｏｎ公司推出世界上第一只带有图像稳
定器镜头ＥＯＳ ７５～３００ ｔｒｉｍ ｆ／４～５．６ ＩＳ，ＩＳ是
“Ｉｍａｇｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ”的简称。“ＶＲ”和“ＩＳ”技术在原
理上大致相同。之后，Ｐａｎａｓｏｎｉｃ的ＯＩＳ（Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｉｍａｇｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）技术在防抖组件中引入磁悬浮技
术，Ｓｏｎｙ在防抖组件中只有一枚移动镜片。
光学防抖技术正向小体积、多驱动方向发展，
有望能在手机照相机等微相机系统上实现防抖功
能 川。同时，光学防抖技术与机械减振、电子防抖
相结合，实现光机电一体化的高精度、高可靠性和
高效率的结合。随着航空相机和工业相机等成像
系统数字化，电子防抖方式灵活、体积小、成本低
等优点，在机械减振系统大幅度减振后和光学防
抖技术有机地结合，也将成为稳像技术发展的趋
势之一。
１ 光学防抖
１．１ 光学防抖原理
在成像过程中，常常会因为成像设备与被摄
物体之间的相对运动，导致图像模糊ｌ＿２］。在使用
数码相机时，在按下相机快门后的曝光时间内抖
动就会使得光轴偏移，从而严重影响图像清晰度
和分辨率等性能口］。从抖动的形式来看：可以将
照相过程的相机上下左右前后的平移称之“平
动”；将照相过程中相机的倾斜称之为“倾角”。在
“平动”抖动过程中，若曝光时间较短，那么可以看
作被摄物相对像平面做匀速直线运动，偏移量ｄ
与被摄物的距离成反比；在“倾角”抖动过程中，那
么可以看作被摄物相对像平面附近的轴做旋转运
动，偏移量ｄ与旋转角度成正比，显然，“倾角”抖
动对成像造成的影响相对“平动”抖动大得多 ］。
因此，在长距离拍摄静态目标时，“平动”抖动往往
可以忽略。抖动对成像的影响及光学防抖原理如
图ｌ所示。
在图１中，（ａ）图是没有抖动下的成像，（ｂ）图
是抖动下的成像。可以看出在成像过程中因为抖
动会造成光轴偏移 角，这样原来成像在ＣＣＤ上
四
图ｌ 抖动对成像的影响及光学防抖原理
Ｆｉｇ．１ Ｉｍａｇｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ ｂｙ ｓｈａｋｉｎｇ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｐｒｉｎ。
ｃｉｐｌｅ
的点会成像到另一点。我们将这个偏移量计作ｄ，
并给出ｄ的计算公式：
一
／×ｓｉｎ０ （１）
当 较小时，有关系式：
＝＝＝，× （２）
其中
一
卜ｄ￡ （３）
式中∞ 为光轴角速度。
光学防抖目的是减小偏移量ｄ，方法是在镜头
中加入一组补偿镜片，利用镜片的光学特性减小
光轴偏移角度０，从而减小偏移量ｄ，其原理图如图
１（ｃ）所示。
１．２光学防抖中的控制模型
光学防抖中，在曝光时间内需要完成以下过
程：抖动检测、信号处理和补偿镜片移动。整个过
程是一个伺服运动，同时还具有检测时间短、信号
处理速度快和镜片补偿移动量小等特点。本文就
此过程建立一个控制模型来进行理论分析。
在工程实践中，比例、积分、微分控制算法应
用广泛，简称ＰＩＤ控制。ＰＩＤ控制因其结构简单、
稳定性好、工作可靠、调整方便而从它诞生之日起
成为工业控制的主要技术之一。当控制量是恒值
时，利用ＰＩＤ控制规律可以使被控量迅速达到控
制量的设定值ｌ＿５］。我们要做的就是将抖动造成的
光轴偏移量尽量减小到预设的位置，所以ＰＩＤ算
法可以应用到光学防抖之中。本文是按照ＰＩＤ控
制算法建模的。根据相机中的抖动和防抖原理得
出光学防抖中的控制模型如图２所示。
・
２８０・ 应用光学２０１２，３３（２）解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
抖动干扰
的，有时需要工程人员在线对控制系统进行大量
的参数整定［６］。为了说明（１０）式可以起到防抖的
作用，本文选取一组ＰＩＤ参数Ｋ 一０．０００ １、Ｔｕ一
０．００１和Ｔ 一０．００１，并讨论∞ 不同形式下的防抖
１
效果。下面首先给出———— —
图２ 光学防抖控制原理框图
Ｆｉｇ．２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ
在已给定
』ｉ３
１＋Ｋ ｐ＋Ｔｄｓ＋
在图２中，按下快门时的光轴位置角度记作：
Ｒ（ｓ）一００ （４）
参数下的运动曲线（图４）。
阶跃响应
实际的光轴位置角度记作：
Ｃ（ｓ）一０ （５）
控制器采用ＰＩＤ控制算法，其数学表达式为
１
Ｇ （５）一Ｋｐ（１＋去＋ ｓ）
将抖动干扰信号和它后面的部分记作：
Ｎ（ｓ）一
（６）
（７）
和Ｇ２（ｓ）一１ （８）
并且因为测量值是单一的，所以模型为单位
反馈。于是得图３所示的控制传递函数图。
Ⅳ（ ）
图４运动曲线
Ｆｉｇ．４ Ｍｏｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅｓ
从图４可以看出：整个运动大约在０．０１ Ｓ后
趋于稳定。同时，所有的单反相机应至少有以下
快门：１、１／２、１／４、１／８、１／１５、１／３０、１／６０、１／１２５、
图３光学防抖控制原理传递函数
Ｆｉｇ．３ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｏｒ
ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ
１／２５０、１／５００、１／１０００，单位为Ｓ。而在照相时因个
人差异、手腕稳定度不同，所造成的抖动形式也是
千差万别， 可以看作是随机信号。实验证明，
一
由图３可以得出输出Ｃ（ｓ）的表达式：
１
般人手持相机时的手抖频率为０～２０ Ｈｚ，为研
ｃ（ｓ）一Ｔ二Ｆ亩 ［Ｇ （５）Ｒ（ｓ）＋Ｎ（ｓ）］ （９）
代入（４）式～（８）式并化简后得出：
＋ １
究方便将∞ 的频率用 表示且其取值范围也设
定为０～２Ｏ Ｈｚ，并且在表１中的快门速度下对抖
动造成的光轴偏移看作是匀速圆周运动，角速度
为１。／ｓ（为计算方便取该数值，实际中人在有意
识下的动作为２００。／ｓ～３００。／ｓ）。防抖效果用
１＋Ｋ ＋Ｔ ５＋．
ＰＩＤ参数的整定是需要理论计算和工程经验
一
的幅值衡量，得出防抖效果如表１所示。
表１防抖效果
Ｔａｂｌｅ １ Ｉｍａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ ｅｆｆｅｃｔ
１ Ｏ Ｏ ５．０００
Ｏ
１０．０００
Ｏ
１５．０００
Ｏ
２０．０００
１０．０００
５．０００
Ｏ
１／２
１／４
０
０
０
０
２．５００
１．２５０
Ｏ
Ｏ
５．０００
２．５ＯＯ
０
Ｔ
７．５ＯＯ
３．７５Ｏ
Ｏ
０
Ｏ
Ｏ Ｏ
应用光学２０１２，３３（２） 解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
哪
Ｏ Ｏ
・２８１・
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
５ ３
站
７ ３ Ｏ Ｏ １
∞ ∞
Ｏ
５
Ｏ
１．８７５
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
２．５ＯＯ
１．３３３
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
１．０００
Ｏ．５ＯＯ
Ｏ
Ｏ
Ｏ
Ｏ．６６７
Ｏ．３３３
Ｏ．１６Ｏ
Ｏ．Ｏ８Ｏ
０．０４０
Ｏ．Ｏ２Ｏ
Ｏ．２５Ｏ
Ｏ．１２Ｏ
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ
Ｏ．ＯＯＯ Ｏ２
１ Ｏ Ｏ Ｏ
０．０００ １５
０．０００ ２０
０．０００ ９８
Ｏ ７
∞ 娼
３ ７ Ｏ Ｏ Ｏ １
Ｏ．Ｏ６Ｏ
Ｏ．ＯＯ２ ９８
Ｏ．Ｏ１２ ６Ｏ
０．ＯＯ３ ９８
∞
Ｏ．Ｏ３Ｏ
Ｏ
０．０００ ０５
０．０００ ２７
０ Ｏ Ｏ
Ｏ．Ｏ１６ ８ｏ
Ｏ．Ｏ１Ｏ ６８ Ｏ．Ｏ１５
Ｏ．ＯＯ８ Ｏｌ
无：没有防抖；有：有防抖
０ ０ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 叭 ∞
％ ∞ 弘
表１中的讨论全部基于图４中的运动曲线，即 晰，其梯度值也就越大。能量梯度函数常作为清
ＰＩＤ的参数是已给定，从表１中的数据可以看出相
机防抖功能会大大减小因抖动造成的影响，但是
防抖的作用不是无限的。
晰度评价函数，其数学表达式为
厂（，）＝＝＝∑∑｛［工（ｚ＋１， ）一Ｉ（ｘ，．ｙ）］ ４－
［ （ｚ， ４－１）一Ｉ（ｘ， ）］ ｝
式中Ｉ（ｘ， ）是图像在点（ｚ， ）处的灰度值。
（１１）
２相机成像清晰度评价
图像质量评价可分为主观评价方法和客观评
价方法，前者凭借实验人员的主观感知来评价图
像质量；后者依据模型给出的量化指标，模拟人类
下面给出关闭防抖和开启防抖功能下两组
１５０×１１２像素的图片。
视觉系统感知机制衡量图像质量 ］。由于相机成
像质量评价是无参考图像的质量评价，而且图像
质量与人的主观欣赏度是相关的，这就使得图像
客观评价的内容和范围都受到限制，无法全面地
衡量图像质量ｌ＿８］。因此，本文在主观观察之后，主
＿－＿＿
一＿＿＿
（ｅ） （Ｄ （ｇ） （ｈ）
要依靠客观评价方法来评价图像质量。同时，本
文中的抖动对图像质量的影响主要体现在图像的
清晰度上，而图像清晰度也是普通相机和航空相
机在获得图片时重要考虑因素，所以本文着重讨
论光学防抖对相机成像清晰度的影响。
图５拍摄样图
Ｆｉｇ．５ Ｓｈｏｏｔｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ ｆｉｇｕｒｅ
图５中（ａ）与（ｅ），（ｂ）与（ｆ），（ｃ）与（ｇ），（ｄ）与
（ｈ）仅是有无防抖差别的一对图片。主观上有防
抖的图像要清晰，客观上评价，它们的直方图如图
６所示。
数字图像评价函数是评价数字图像清晰度的
重要依据，常用的图像清晰度评价函数有基于频
率域、空间域特征和统计特征等几类¨ｇ］，本文就前
两类来讨论。
在图６中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）
分别是图５中与之对应的灰度直方图，可以看出开
启防抖功能的图片高频分量增多，图片清晰。它
们的能量梯度曲线图如图７所示。
在图７中，下方的曲线是对应ａ、ｂ、Ｃ、ｄ的４幅
１）基于频率域，文献［１０］指出图像的高频分
量少，则图像模糊；图像的高频分量多，则图像
清晰。
图像，上方是对应ｅ、ｆ、ｇ、ｈ的４幅图像，从图中可
以看出具有防抖功能之后的图像清晰度比没有防
２）基于空间域特征，文献［１１］指出在数字图
像处理中，图像的对比度越高，它的边缘就越清
抖功能的在数值上高出一个数量级。
・
２８２・ 应用光学２０１２，３３（２）解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析
舞 美曩嚣｜ ｉ
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图６直方图
Ｆｉｇ．６ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍｓ
３ 结论
对光学防抖提高相机成像清晰度的原理进行
一
×
了理论分析，并对光学防抖建立控制模型。分别
选取抖动频率为０、５、１０、１５、２０ Ｈｚ，同时将抖动造
窭
成的光轴偏移看作是匀速圆周运动，在角速度为
面
１。／ｓ的条件下，利用ＭＡＴＬＡＢ仿真，当抖动频率
为５ Ｈｚ时抖动角度为０．０８３。（假设此时安全快门
为１／６０ ｓ），那么开启光学防抖功能后的快门速度
在Ｉ Ｓ时，使抖动角度降为０。，仍可成清晰的像，降
图７能量梯度曲线
低了６档快门速度，较目前降低４档左右快门速度
Ｆｉｇ．７ Ｅｎｅｒｇｙ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｃｕｒｖｅ
的效果要好。类似地，在其他频率时也可以得出
应用光学２０１２，３３（２）解官宝，等：光学防抖对提高相机成像清晰度的影响分析 ・２８３・
相应的结论。通过对关闭和开启防抖功能下拍摄
图像的直方图和能量梯度曲线比较，开启防抖功
［Ｊ］．湖南电力，２０１１，３１（３）：１５—１８．
ＬＩ Ｙｕａｎ－ｓｈｅｎｇ．Ｍｏｄｅｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ—
能下的图像清晰度明显优于关闭防抖功能的
图像。
ｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ［Ｊ］．Ｈｕ—
ｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ，２Ｏ１１，３１（６）：１５—１８（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［７］高绍姝，金伟其，王岭雪，等．图像融合质量客观评价
参考文献
方法［Ｊ］．应用光学，２０１１，３２（４）：６７１—６７７．
ＧＡＧ ＳｈａＧ—ｓｈｕ。ＪＩＮ Ｗｅｉ—ｑｉ。ＷＡＮＧ Ｌｉｎｇ－ｘｕｅ．Ｏｂ—
［１］王心怡．望远镜影像稳定系统的设计与实￣ＥＤ－Ｉ．哈
尔滨：哈尔滨工业大学，２００７．
ＷＡＮＧ Ｘｉｎ－ｙｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ
ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ［Ｄ］．Ｈａｒｂｉｎ：Ｈａｒｂｉｎ
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［２］
张博夫．数码相机抖动模糊图像的恢复［Ｊ］．深圳职业
技术学院，２０１０，９（５）：３６—４１．
ＺＨＡＮＧ Ｂｏｆｕ．Ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｌｕｒｒｅｄ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｄｉｇ—
ｉｔａｌ ｃａｍｅｒａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｈａｎｄｓ ｓｈａｋｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，２０１０，９（５）：３６—４１．（ｉｎ Ｃｈｉ—
ｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅ３］
洪华杰，王学武，翁干飞．光电侦察装备中的反射镜
稳定技术［Ｊ］．应用光学，２０１１，３２（４）：５９１—５９７．
ＨＯＮＧ Ｈｕａ－ｊｉｅ。ＷＡＮＧ Ｘｕｅ—ｗｕ。ＷＥＮＧ Ｇａｎ—ｆｅｉ．
Ｍｉｒｒｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ
ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２０１１，３２（４）：
５９１－５９７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［４］
徐之海，李奇，冯华君．摄像、照相系统中的稳像技术
［Ｊ］．照相机，２００２．６：４－５．
ＸＵ Ｚｈｉ—ｈａｌ，ＬＩ Ｑｉ，ＦＥＮＧ Ｈｕａ—ｊｕｎ．Ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｔａ—
ｂｉｌｉｚｉｎｇ ｆｏｒ ｃａｍｅｒａ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｃａｍｅｒａ，
２００２，６：４－５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［５］
杜井庆，高世桥，罗创，等．基于ＰＩＤ算法的控制量按
任意函数变化的一种控制方法［Ｊ］．仪器仪表学报，
２０１１，３２（６）：１３１７－１３２３．
ＤＵ Ｊｉｎｇ—ｑｉｎｇ．ＧＡｏ Ｓｈｉ—ｑｉａｏ．ＬＵＧ Ｃｈｕａｎｇ．Ｃｏｎｔｒｏｌ
ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｖａｒｙｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ
ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＤ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２０１１，３２（６）：１３１７—
１３２３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
Ｅ６］
李远生．基于ＭＡＴＬＡＢ自动控制系统建模与仿真
ｊｅｃｔｉｖｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｆｕｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，２０１１，３２（４）：６７１—６７７（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［８］薛立勤．显示图像质量定量评价方法及质量控制研
究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００７．
ＸＵＥ Ｌｉ—ｑｉｎ．Ｄｉｓｐｌａｙ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ａｓ—
ｓｅｓｓｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｄ］．Ｗｕｈａｎ：
Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［９］ 申勤．数字图像清晰度评价函数的研究与改进［Ｊ］．
微型机与应用，２０１１，３０（１）：３２—３４．
ＳＨＥＮ Ｑｉｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍ—
ａｇｅ ｃｌａｒｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ＆
Ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１１，３０（１）：３２—３４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ
ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［１Ｏ］宋康，张涛，廖俊必．图像自相关函数作为清晰度评
价函数的理论分析［Ｊ］．西南交通大学学报，２００８，
４３（５）：５７８—５８１．
ＳＯＮＧ Ｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧ ＴａＧ，ＬＩＡＯ Ｊｕｎｂｉ．Ｔｈｅｏｒｅｔ—
ｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａｕｔｏｅｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ａｓ
ｓｈａｒｐｎｅｓｓ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ—
ｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，４３（５）：５７８—５８１．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）
［１１］吴利明，陶晓杰．一种新的图像清晰度评价方法［Ｊ］．
仪器仪表用户，２００８，１５（６）：８４—８６．
ＷＵ Ｌｉ—ｍｉｎｇ，ＴＡＧ Ｘｉａｏ—ｊ ｉｅ．Ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｄｅｆｉｎｉ—
ｔｉｏｎ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ［Ｊ］．Ｙｉｑｉｙｉｂｉａｏ
Ｙｏｎｇｈｕ，２００８，１５（６）：８４—８６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ
Ｅｎｇｌｉｓｈ ａｂｓｔｒａｃｔ）