100倍變焦是如何做到的？詳細解析 Samsung S20 Ultra 混合式光學變焦的運作原理

本次 Samsung Galaxy S20 Ultra 搭載了「1億800萬畫素 」以及「100倍變焦」功能，雙雙創下了智慧手機的里程碑。在強悍規格的背後，也令我們好奇的是，三星是如何做到的？

在硬體趨於極限的同時，智慧手機鏡頭也紛紛嘗試往更多元的方向發展，例如多鏡頭的應用性、演算法提升的夜景拍攝能力、運用景深鏡頭打造的散景虛化能力，以及更高倍的變焦倍率。相較於過往的機種，Smasung Galaxy S20 Ultra 搭載了破格的 100 倍混合式光學變焦功能，這也令我們額外關注 S20 Ultra 的相機配置。

首先我們還是概略複習一下 S20 Ultra 的相機配置（S20 Ultra 詳細報導可見：一百倍變焦、1億800萬畫素登場！Samsung Galaxy S20 Ultra 正式發表），鏡頭分別如下：

• 廣角主鏡頭：1億 800 萬畫素、79 度視角、光圈 F1.8
• 超廣角鏡頭：1200 萬畫素、120 度視角、光圈 F2.2
• 望遠鏡頭：4800 萬畫素、24 度視角、光圈 F3.5

雖然看似雷同，但 S20 Ultra 其實更新了全部的鏡頭

雖然倍率相同，但廣角鏡與超廣角鏡部分皆與上一代 S10 系列有所差別，首先是超廣角鏡頭部分，前一代旗艦 S10／S10+ 的超廣角鏡頭其視角為 123 度，而此次 S20／S20+／S20 Ultra 則為 120 度，雖然倍率同樣都是主鏡頭的 0.5 倍。廣角主鏡頭方面亦有所調整，上一代 S10 系列採用的是 F1.5／F2.4 的可變光圈式設計（雙光圈模式），S20 系列主鏡頭光圈則統一改為 F1.8。

此外，廣角主鏡頭鏡頭視角也有微幅縮減，S10 系列主鏡頭視角為 77 度視角（相當於全幅等效 26mm），S20 系列主鏡頭視角則為 79 度（相當於全幅等效 27mm）。雖然規格有微幅差距，但實際運用上並不會感到明顯的差異，可視為相當雷同的功能。

▲ Samsung S20 Ultra 搭載了驚人的 100 倍變焦拍攝功能。

關鍵的望遠鏡頭

當然，我們最感興趣的還是首度搭載的望遠鏡頭，這顆鏡頭具備最遠 100 倍變焦的實力。我們先來回顧一下它的規格：4800 萬畫素、24 度視角、光圈 F3.5。雖然原廠沒有給出數據，不過經由視角換算，我們可以得知鏡頭視角 24 度相當於全幅等效焦距 100mm。

也就是說，S20 Ultra 的四鏡頭可視為搭載了三顆定焦鏡與景深鏡頭的協同運作成果，焦段分別是 13mm、27mm、100mm，其中 27mm～100mm 約可視為 4 倍變焦，這也符合了 S20 Ultra 相機介面的操作邏輯，變焦倍率選擇鈕分別有 0.5、1.0x、2.0x、4.0x、10x、30x、100x。

▲ S20 Ultra 的望遠鏡頭位於左下方，採用潛望式設計。

▲ 潛望設計的意涵是，將鏡頭鏡片與光學組件橫置納入機身，再利用稜鏡折射/反射來縮減鏡頭體積。

為何光圈是 F3.5？

至於望遠鏡頭光圈 F3.5 是否會太小？其實這是光學原理下必然的成果，因為光圈的光學公式為：

• 實體焦距／光通孔徑＝光圈（F值）

其中光通孔徑與鏡頭尺寸成正相關，一般而言光通孔徑較大的鏡頭，其鏡片也會較大。白話一點來說，以上這公式的意涵是，當鏡頭光通孔徑不變時（可約略理解為體積不變），焦距提升、光圈勢必會縮減，若要維持相同的光圈，鏡頭體積勢必需要大幅提升，這也解釋了為什麼望遠鏡頭尺寸大多較大的原因。

我們可以將目前整理而成的規格製成以下簡表：

100 倍變焦是如何做到的？

然而，S20 Ultra 是如何在視角 24 度（約相當於全幅等效焦距 100mm）的鏡頭上實現 100 倍變焦的呢？關鍵在於這顆鏡頭是 4800 萬畫素，它具備更多的可用畫素來因應 AI 運算以及裁切需求。

舉例來說，在一般狀況下我們可以透過裁切照片來達到近似於光學變焦的效果，當然以技術面來說，「裁切」並不會改變鏡頭焦距，鏡頭透視也會是相同的（因為透視主要與距離有關），但裁切可以改變視角，因此若我們忽視物理光學效應，例如不計入實體焦距帶來的景深效果，並忽視畫素損失造成的畫質差異，那麼裁切確實可以達成一部分站在原地光學變焦的效果。

因此，雖然 S20 Ultra 的望遠鏡頭等效焦距為 100mm，但使用 4,800 萬的高畫素感光元件，透過裁切以及 AI 運算，仍然可以支援最高 100 倍的變焦倍率。

所以，現在你知道為何 Samsung S20 Ultra 的 100 倍變焦會被稱作是「混合光學變焦」以及「AI 超高解析度變焦」了吧？它有光學變焦的成份在內，但也並非完全仰賴光學變焦，仍然有數位變焦的機制在內。

講這麼多，不就是數位變焦嗎？

這麼說也不完全正確，在本次發表會上筆者實際測試了 S20 Ultra 的 100 倍變焦功能，它的運作邏輯是這樣的，在 4 倍變焦之後的倍率會啟動望遠鏡頭，4 倍變焦之前的倍率仍會使用 1 億 800 萬畫素的主鏡頭來完成拍攝需求。

我們來做一個簡單的計算，S20 Ultra 的望遠鏡頭是 4,800 萬畫素，而從 4 倍～100 倍之間無論是哪個變焦倍率，S20 Ultra 皆可輸出 1,200 萬畫素的望遠照片。4,800 ÷ 1,200 = 4，而畫素與變焦倍率是呈平方關係，亦即畫素 4 倍率相當於變焦 2 倍的效果，因此可獲知在 2 倍的倍率之內都能夠做到「無損變焦」。但別忘了，望遠鏡頭本身的起始倍率就已經是四倍，4 x 2 = 8，因此可獲知 S20 Ultra 在 8 倍變焦之前都確實可以做到無損變焦。

若要獲得最佳畫質的話呢？

因此，如果是畫質控的話，在不考慮望遠端手震、遠距離空氣散射等等會讓畫質減損的前提下，望遠鏡頭在 8 倍以前的變焦倍率畫質都可維持幾乎無損。但在 8 倍以上的變焦倍率呢？這就要靠數位變焦以及 AI 運算的功力了。

附錄：S20／S20+／S20 Ultra 規格比較表

上市容量與版本：

＃實際上市版本視機型、顏色、市場和電信商而定。