无厘头研究
地球自转限制了相机防抖的性能
相机防抖能力因地球自转而受限，理论上极限为 6.3 级。文章探讨了突破极限的方法以及现有相机标注的可信度。
2016 年，奥林巴斯推出号称拥有 6.5 级防抖的新相机，并宣称限制因素是地球自转，引起摄影界轰动。这令人吃惊，因为相机防抖技术自上世纪 90 年代引入镜头以来一直在稳步提升，最初的防抖系统仅能提供几级的补偿效果。后来，随着技术进步和从胶片到硅基成像传感器的转变，防抖系统得以集成到相机本身，成为机身防抖 (IBIS)。
防抖性能提升的主要因素在于用于测量振动的陀螺仪传感器和用于校正振动的控制电子设备。对于这类应用，陀螺仪传感器的零点偏移精度往往是限制因素。即使相机完全静止，噪音也会导致传感器读出微小的非零值，进而导致防抖系统漂移。漂移越小，防抖系统保持图像稳定的时间就越长。理论上，如果陀螺仪传感器没有噪音且防抖系统完美工作，它应该能够提供无限的防抖补偿级数。然而，在大约 6 级快门速度补偿时，限制因素就不再是电子设备，而是地球的自转！
举例来说，假设你站在地球表面某个地方，相机指向正东或正西。为方便起见，假设你位于赤道上，但纬度在这个分析中实际上无关紧要。一天有 86,400 秒，因此地球的旋转速率为 2π/86400 弧度/秒，或 7.27 * 10^-5 弧度/秒。这意味着你的拍摄对象(想必也静止在地球表面)也以这个速率旋转。你的相机正在使用 IBIS 系统尽可能保持一切静止，它可能没有意识到你和拍摄对象正在一起旋转，而是会尝试消除任何相机的旋转，包括地球的旋转。更准确地说，相机试图相对于惯性参考系保持稳定，而由于地球的自转，你和你的拍摄对象并不属于惯性参考系。
当地球在曝光期间旋转时，基本的防抖系统会尝试保持相机的指向，就像它处于惯性系或参考系一样。如果相机指向东方，这将导致它相对于拍摄对象逐渐向上移动，而拍摄对象并不位于惯性系中。
相机当然会随地球和拍摄对象一起移动，但会相对于拍摄对象旋转。如果相机像上图所示那样指向东方，它将相对于拍摄对象向上旋转。
假设曝光时间由变量 T 表示。因此，IBIS 将导致图像在传感器上移动的距离为：
以最大允许模糊为 1 个像素宽度作为我们的标准，我们可以得到最大允许快门时间为：
一台 2400 万像素的全画幅相机将具有宽 0.0059 毫米的像素。将此值代入上述方程，我们得到：
如果我们将 1/焦距作为实现锐利图像的最大快门速度的标准建议，那么这个方程表明，在防抖的情况下，我们可以使用的快门速度是地球自转模糊图像一个像素的 81 倍。用更熟悉的术语来说：
级
真巧！当然，并非所有相机都具有相同的 0.0059 毫米像素间距，但手持拍摄最大快门速度的规则会相应改变，因此这 6.3 级对于大多数相机来说都是一致的。反过来，我们可以说，为了提供 6.3 级防抖，系统必须能够测量和补偿相机旋转缓慢的现象，例如地球的旋转，即每天 360 度。这确实令人印象深刻。
奥林巴斯相机公司可能正是基于类似的计算得出了以下说法：
“由于地球自转干扰陀螺仪传感器，6.5 级实际上是目前的一个理论限制。”
从那时起，情况变得更加复杂。奥林巴斯发布了号称拥有 7.5 级防抖的 OM-D E-M1X，松下则宣称其新款 70-200 f/2.8 拥有 7 级防抖。这怎么可能呢？由于无法获得用于对这些设备进行 CIPA 防抖评级测试的数据，很难确定原因。从理论上讲，有一些方法可以绕过地球自转带来的限制：
使用相机的 GPS、加速度计和指南针来精确计算其指向和纬度。有了这些信息，您可以计算必要的偏移量并编程您的防抖系统进行相应补偿。
对您的防抖系统使用高通滤波器。地球的自转非常恒定，因此如果您的陀螺仪传感器应该测量到微小但恒定的旋转。相比之下，您的手会不停地晃动相机，因此工程师可以指示传感器只补偿后一种运动。
第一种方法由于多种原因不是一个好的解决方案。没有 GPS 信号？在磁铁旁边拍摄？您的系统将无法工作。第二种解决方案更有说服力，但仍然非常困难。用户必须将相机对准拍摄对象足够长的时间，以使他们对拍摄对象的瞄准漂移小于地球自转的漂移。这也不太可能。然而，令人担忧的是，第二种方法是一种可以在 CIPA 指定的防抖测试仪器上很好地抵消地球自转的方法。
在 CIPA 防抖测试中，相机安装在振动平台上。然后，相机由平台按照 CIPA 提供的波形移动，该波形旨在模拟手持相机时的运动。设置如下图所示：
在这个测试设置中，相机安装在一个非常稳定的平台上，并在测试图像拍摄前后的很长一段时间内保持在那里。从理论上讲，这可以使相机更容易识别和滤除地球自转的任何影响。如果波形没有任何非常低频分量，则很容易将任何低频运动识别为地球自转。然而，由于无法确切知道相机制造商在执行此测试时使用的波形是什么，因此无法得出任何有意义的结论。如果我们能够获得对所述稳定值的一些独立验证，那就太好了，但 CIPA 似乎故意使之变得困难。正如他们的应用程序指南中所述：
申请人必须是企业组织。
申请人必须了解标准和测量套件无法提供给个人、大学或任何其他研究目的的当事方。
这对我来说似乎是不必要的限制，并使得独立验证和分析测试成为不可能。
总而言之，我无法确定奥林巴斯和松下是否在其防抖系统中找到了补偿地球自转的方法，突破了 6.3 级限制，或者它们是否通过 CIPA 评级测试的奇怪之处实现了 7 级以上的防抖。如果有人拥有这些拥有 7 级以上防抖功能的相机并且有一些时间，那么能够展示相机突破地球自转障碍将非常酷。如果相机无法做到，并且您可以证明地球自转实际上是防抖系统的限制因素，那么那也将非常酷。
本文译自 The Center Column，由 BALI 编辑发布。