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。

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

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:

  超廣角鏡頭 廣角鏡頭 望遠鏡頭
光圈 F2.2 F1.8 F3.5
畫素 1200萬 1億800萬 4800萬
視角 120度 79度 24度
全幅等效焦距 約13mm 約27mm 約100mm

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。

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

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。

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

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。

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黃柏森
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1.  黃柏森 (發表於 2020年2月12日 15:57)
4,800 ÷ 1,200 = 4,換言之望遠鏡頭在 4 倍的倍率之內都是「無損變焦」的。
這邊的4倍是畫素,也就是面積的四倍。焦距的倍數應該是4的平方根=2喔。

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