研究機構開(kāi)發(fā)出具有最佳補償效果的手抖動(dòng)信號估測算法，以及運算負載低且易實(shí)作的模糊邏輯（Fuzzy Logic）控制器，可大幅提高手機鏡頭模塊穩定度，并改善音圈馬達的磁滯效應，將有助光學(xué)防抖技術(shù)擴大滲透手機市場(chǎng)。

　　

　　

圖1為具光學(xué)防抖功能之微型相機模塊。防手抖系統最具代表的技術(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計與效率，系統不須增加額外的硬件，適合微型化設計，但通常必須犧牲影像的分辨率（或影像大?。?，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)防抖系統利用光學(xué)鏡組（Lens）或影像傳感器（Image Sensor）的移動(dòng)來(lái)補償使用者的手抖動(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)式防手抖系統示意圖;（A）影像傳感器移動(dòng)之光學(xué)防抖系統;（B）鏡頭移動(dòng)之光學(xué)防抖系統。

　　

光學(xué)防抖技術(shù)需要額外致動(dòng)器設計，因此主要關(guān)鍵技術(shù)包括控制器設計與用戶(hù)手部振動(dòng)信號估測器設計。手抖動(dòng)信號估測器算法，是利用智能手機搭載的MEMS慣性傳感器感測使用者拍攝時(shí)手部產(chǎn)生的晃動(dòng)信號，經(jīng)由閉回路控制系統驅動(dòng)微型相機模塊內部精密音圈馬達驅動(dòng)，以補償使用者手部產(chǎn)生的晃動(dòng)，避免拍攝影像產(chǎn)生模糊。手抖動(dòng)信號估測器包括慣性傳感器（多軸陀螺儀及加速度計）與慣性傳感信號處理算法設計。工研院南分院已投入慣性信號估測技術(shù)開(kāi)發(fā)多年，并成功運用于行人/行車(chē)慣性導航、光學(xué)防抖系統中，有相當豐碩的成果。

　　

手抖動(dòng)信號估測器利用陀螺儀組件感測到手抖動(dòng)信號后，經(jīng)由數字信號處理及積分運算后可得到顫抖角度信號，經(jīng)實(shí)驗量測分析后，一般手部振動(dòng)頻率特性主要頻帶在2~12Hz之間，故信號處理算法亦針對該頻帶信號特性做濾波器設計，開(kāi)發(fā)的算法系將慣性信號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及低頻的主動(dòng)式信號（用戶(hù)操作相機所產(chǎn)生的信號）。

　　

低通與高通濾波器除可針對特定帶寬的手抖信號做補償外，并可避免濾波器對信號所造成的相位延遲，讓信號處理算法與控制系統整合獲得最佳補償效果，使得防抖模塊能達到預期效能。算法因考慮濾波器造成手抖動(dòng)信號相位的變化，故以此所開(kāi)發(fā)的適應性手抖動(dòng)估測器，在寬帶域范圍可以獲得精準的手抖動(dòng)估測信號。圖6為手抖動(dòng)信號估測器方塊圖。

圖3 手抖動(dòng)信號估測器方塊圖

　　

　　

另一光學(xué)防抖系統關(guān)鍵技術(shù)為控制器設計，微型相機模塊致動(dòng)器大多采用音圈馬達，但其具有磁滯效應、磨擦和參數時(shí)變等非線(xiàn)性特性，因此在控制器設計上必須考慮到非線(xiàn)性特性與實(shí)現時(shí)的運算負載。模糊邏輯控制器（Fuzzy Logic Controller）由于有運算負載低、不需要精確的受控系統數學(xué)模型、架構易實(shí)現并能有效的補償微型致動(dòng)器非線(xiàn)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，成功地利用模糊控制器驅動(dòng)音圈馬達，藉以補償經(jīng)由手抖動(dòng)信號估測器算法計算出來(lái)的位移補償信號，達到防手抖效果。光學(xué)防抖系統如圖4所示。

圖4 光學(xué)防抖系統方塊圖

　　

目前市面上的防手抖效能主要分為1~4級。一般而言，防手抖效能級數是以安全快門(mén)速度的倍率來(lái)估算，安全快門(mén)速度等于焦距長(cháng)度分之一秒的快門(mén)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(mén)的速度就是1/40秒，使用低于安全快門(mén)速度拍出清晰的影像，防手抖級數就是安全快門(mén)速度的倍率;如果以安全快門(mén)速度是1/40秒為例，防手抖效能四級即代表相機在（1/40）×2^4=1/2.5秒快門(mén)速度下仍然能拍下清晰的影像，而影像的清晰程度則可以藉由穩定率（Stabilization Rate， SR）小于-15dB或ISO-12233，來(lái)鑒別影像銳利度（Image Sharpness）。

　　

其中，穩定率實(shí)驗主要是光學(xué)防抖系統在振動(dòng)補償與無(wú)振動(dòng)補償情況下，由固定快門(mén)時(shí)間條件決定拍攝測試目標，由拍攝照片上影像振動(dòng)像素（高度）的比值來(lái)評定防手抖效能，穩定率圖示說(shuō)明請參考圖5所示。

圖5 防手抖穩定率定義圖

　　

OISOFF_S代表當光學(xué)防抖系統關(guān)閉且使用相機時(shí)，手產(chǎn)生抖動(dòng)時(shí)所拍攝的影像像素（垂直高度）;OISON_S代表當光學(xué)防抖系統開(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代表當光學(xué)防抖系統關(guān)閉，且無(wú)手抖動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，即為OIS系統靜止時(shí)拍攝的影像像素（垂直高度）。工研院南分院開(kāi)發(fā)的適應性光學(xué)防抖系統已可達市售四級防手抖效能。

　　

隨著(zhù)MEMS慣性傳感器與手機相機模塊新設計微型相機模塊的發(fā)展，智能手機的動(dòng)作感應與防手抖技術(shù)已日益重要。目前市面上微型相機模塊多以音圈馬達為主要致動(dòng)器，隨著(zhù)智能手機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的功能之一。

　　

慣性傳感/防手抖成標準配備 手機附加價(jià)值可望大幅提升

　　

工研院南分院多年來(lái)投入慣性導航與光學(xué)防抖相機的技術(shù)開(kāi)發(fā)，在手機慣性傳感與光學(xué)防抖系統皆有豐富的經(jīng)驗，文中介紹之光學(xué)防抖系統便是研發(fā)成果，該成果已成功技轉多家廠(chǎng)商。市場(chǎng)也預估手機相機模塊新設計與MEMS慣性組件在消費性電子應用市場(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(cháng)，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（包括加速度計與陀螺儀）與光學(xué)防抖功能將成為高階智能手機的標準配備，大幅提高智能手機的附加價(jià)值，也是未來(lái)主導市場(chǎng)產(chǎn)品的重要因素，對慣性組件與微型相機模塊廠(chǎng)商而言是相當重要的產(chǎn)品發(fā)展方向。

　　

近年來(lái)，智能手機市場(chǎng)因蘋(píng)果（Apple）、三星（Samsung）、宏達電（HTC）等品牌產(chǎn)品的熱銷(xiāo)，相關(guān)應用也愈加成熟與多元化。據市調機構國際數據信息（IDC）的報告指出，智能手機市場(chǎng)在2010年開(kāi)始呈現爆炸性增長(cháng)，預測在2017年可達到十五億支以上（圖1）。與此同時(shí)，智能手機搭載的微機電系統（MEMS）慣性傳感組件，以及高像素微型相機模塊（Compact Camera Module， CCM），也已成為目前高端手機標準配備，未來(lái)動(dòng)作感應與光學(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年智能手機出貨量分析

　　

市面上智能手機多數已搭載MEMS動(dòng)作感應組件，包括加速度計、陀螺儀（慣性組件）及磁力計等，因其符合移動(dòng)設備追求的低耗電、重量輕、體積小等設計趨勢，目前已被廣泛使用于消費電子產(chǎn)品中，其中包括計步器、智能手機與平板計算機等3C產(chǎn)品。根據市調機構IHS iSuppli所做的市場(chǎng)調查，智能手持設備（包括智能手機、平板計算機）的MEMS動(dòng)作感應組件市場(chǎng)，2013年實(shí)際收益約15億美元，比起2012年增長(cháng)了12%，預期2016年可達到22億1，000萬(wàn)美元（圖2）。市場(chǎng)調查結果說(shuō)明智能手機配置MEMS慣性組件已是必然的趨勢。

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

　　

智能手機除了搭載MEMS慣性傳感組件外，也搭載微型相機模塊，根據IC Insights調查與統計，全球相機模塊總出貨量預估將從2011年的二十五億套，增加至2016年的六十億套。2012年全球數字相機與影像系統市場(chǎng)規模為555億美元，預測在2016年其總產(chǎn)值將達到778億美元，其中，手機相機模塊的部分占據30%（圖3），其比例逐漸攀升，且有取代一般數碼相機產(chǎn)品的趨勢;IC Insights同時(shí)也預測，智能手持設備搭載的微型相機模塊在2013~2019年間，將以21.9%的速度增長(cháng)。從智能手機多媒體功能的需求增長(cháng)、使用者習慣的改變，以及市場(chǎng)調查分析結果左證，智能手機已逐漸取代數碼相機。市面上高端智能手機已開(kāi)始結合微型相機模塊與動(dòng)作感應技術(shù)，實(shí)現光學(xué)防手抖（Optical Image Stabilization， OIS），用以改善手機照相質(zhì)量?？深A期未來(lái)智能手機市占率將由手機照相模塊新設計與光學(xué)防抖技術(shù)所影響。

圖8 2016年數字相機系統銷(xiāo)售額預測