手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

手機鏡頭在近兩年呈現出一個鮮明的趨勢:超廣角越來越強,超長焦風光不再。

觀察 2021 年的旗艦機,不難發現這一規律。多數手機要嘛直接廢了超長焦鏡頭,要嘛縮水了相關配置。而超廣角受到的重視更勝以往:微雲台、與主鏡頭同規格的超大感光元件,以及特殊的自由曲面鏡片等特性,出現在越來越多的手機上。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

得益於這些新技術、新硬體的加持,手機超廣角鏡頭的畫質迎來了質的飛躍。

但比起 IMX766、IMX586 等主流感測器,「自由曲面鏡頭」對於多數使用者來說依舊是個模糊的概念。它目前仍是華為 Mate40 Pro+、OPPO Find X3 系列、一加 9 系列等極少數旗艦機的專屬。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

在控制畸變上,自由曲面鏡頭真的有宣傳中那麼神奇嗎?又是用什麼原理做到的?是否會影響超廣角的透視感?這些將是本文重點探討的話題。

鏡頭畸變從何而來

在瞭解自由曲面鏡頭之前,我們需要先知道畫面畸變是如何產生的。

首先要了解,鏡頭畸變是一種像差,對畫面的清晰度並無影響。只是畸變的物體影響觀感,也失去了真實度。

像是下圖中,左側的建築物明顯發生了變形,看起來地面彷彿不是平的。而右側經過矯正的畫面,才接近肉眼真實所見。

圖片來源:ehabphotography

為什麼會產生畸變現象呢?

我們知道,一枚鏡頭由若干個鏡片(透鏡)組成。光線經由各個透鏡,最終到達感測器上,於是形成圖像。

圖片來源:Leica Rumors

不過,透鏡的放大率會隨著光束和主軸間所成角度的變化,而隨之改變。簡單來說,當光線與主軸正交通過時,一般不會產生畸變。光線離主軸越遠,透過時角度越大,畸變就會越明顯。

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幾乎所有鏡頭都無法避免畸變。常見的畸變可分為兩種:桶形畸變和枕型畸變。

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顧名思義,桶形畸變會導致直線向邊緣凸起,看起來像是一個酒桶,多見於廣角鏡頭。而枕型畸變會導致直線向內凹陷,形似抱枕,多見於長焦端。

例如我們用廣角鏡頭合照時,常常會發生桶形畸變,導致非中心的人臉被拉伸變形,看起來胖了一圈。

左為桶形畸變示意,右為消除畸變後的樣貌. 圖片來源:dpreview

在傳統攝影時代,消除畸變的方法,主要是利用Photoshop等修圖工具,進行畸變矯正。這往往能取得不錯的效果。

利用 PS 進行畸變矯正. 圖片來源:youtube

但在手機攝影時代,人們更希望簡化攝影的程式,減少後期修圖的繁瑣。於是手機廠商們開始鑽研消除畸變的演算法,力圖在成片時自動修正畸變。

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▲Google 防畸變演算法展示. 圖片來源:Google

自由曲面鏡頭的原理

我們上文說了畸變的產生,主要是鏡片系統的放大率差異造成的。那麼從物理層面改進鏡片的設計,無疑是一種有效的解法。

怎麼改進呢?答案就是自由曲面設計。

如果你有高度近視,在配眼鏡片的時候,應該有聽說過自由曲面鏡片。透過引入非軸對稱、不規則、複雜的曲面,自由曲面鏡片擺脫了傳統鏡片在高度數下,視場窄,周圍變形、模糊的弊端。

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▲ 蔡司自由曲面鏡片. 圖片來源:卡爾蔡司

這種鏡片介於球面與非球面之間,其涉及的光學原理十分複雜。我們需要知道的是,其不規則、自由的曲面,讓不同角度光束在穿過主軸時,可以保持近似的放大率,最大程度地減少像差。

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▲圖片來源:cocoleni

簡單來說,就是眼鏡使用者可以借助自由曲面鏡片,看到更開闊、清晰的視界。同時鏡片又輕又薄,可謂「集多重才華於一身」。

蔡司自由曲面鏡片廣告

不過,加工一塊高精度的自由曲面鏡片步驟複雜,成本高昂。一般存在於高階、訂製的眼鏡市場。例如蔡司高階的駕駛型鏡片、漸進式鏡片等,均有自由曲面的身影。

自由曲面鏡片的製造流程

實際上,自由曲面鏡片不止應用在眼鏡行業,與光學相關的醫療、投影、印刷掃瞄等領域也有使用。而光學照明領域的應用更為廣泛,自由曲面設計可顯著增強照明的均勻性。

從上面的描述可以看出,自由曲面鏡片對減少像差,即減弱畸變,有極佳的效果。對於飽受超廣角畸變困擾的手機廠商來說,無疑是一個值得借鑑的設計。

不過,由於手機鏡頭模組的體積有限,內部零組件堆疊複雜,所以對自由曲面鏡片的設計與加工工藝,提出了很高的要求。

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而華為 Mate40 Pro+,就是第一款帶來了「全球首款自由曲面鏡頭」。他們從 2018 年開始試驗自由曲面鏡頭,反覆驗證後,終於有了兩年後面世的 Mate40 Pro+。

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2021 年,OPPO 和一加也相繼帶來了自由曲面鏡頭的手機,並當做重磅賣點反覆宣傳。例如一加劉作虎曾多次發微博讚美自由曲面鏡頭,稱其可將畸變降到 1% 以內,是超廣角的最佳搭檔。

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從宣傳數據來看,似乎挺厲害。不過實際效果怎麼樣,感知強不強,還是樣張說了算。

自由曲面鏡頭的效果,似乎被誇大了

如果以未摻雜演算法的相機作為參照,一加 9 Pro 超廣角控制畸變的能力,是顯而易見的。

例如下圖中,相機拍攝的電梯門框,桶狀畸變十分明顯,但一加 9 Pro 就沒有這個問題。

左為全畫幅相機使用 24mm 鏡頭拍攝,右為一加 9 Pro 拍攝

再像是這個情境中,相機拍攝的電視邊框,已經發生了明顯的畸變,而一加 9 Pro 的照片,線條依舊平直。

左為全畫幅相機使用 24mm 鏡頭拍攝,右為一加 9 Pro 拍攝

那麼是否可以認為,自由曲面鏡頭能夠完全消除桶狀畸變呢?

答案是不一定。一是我們不確定一加 9 Pro 的超廣角在拍攝時,防畸變演算法有沒有參與,或是參與了多少。也就是說,抑制畸變的功勞不一定全都是自由曲面鏡頭的。二是畸變很難被 100% 消除,只能降低至一定限度,讓人眼不易察覺。

一加 9 Pro 超廣角拍攝

或許我們可以換個思路,將一加 9 Pro 與純演算法防畸變的手機作對比,似乎就能知道自由曲面鏡頭的優勢強不強烈了。

在與開啟超廣角畸變矯正演算法的小米 11 Ultra 對比時,可以看到一加 9Pro 顯然贏得了勝利。但這樣比並不公平,因為小米 11 Ultra 超廣角的焦段要更廣,畸變理所當然會更嚴重。

左為小米 11 Ultra,右為一加 9 Pro. 圖片來源:androidauthority

那麼與焦段相對接近的 iPhone 12 Pro Max 相比呢?答案可能超乎意料。

我們先來看一下 iPhone 12 Pro Max 開啟畸變矯正前後的照片。同樣的情境,畸變矯正演算法的加入讓桶形畸變幾乎不可見。

右圖為畸變矯正演算法開啟狀態

與一加 9 Pro 相比,即便 iPhone 12 Pro Max 的超廣角視野更廣一些,但憑藉優秀的演算法,其畸變並不明顯。很難說前者畸變抑制的更好。

左為 iPhone 12 Pro Max,右為一加 9 Pro

再如下面這個情境,兩者對畸變的抑制同樣優秀,甚至純演算法的 iPhone 12 Pro Max 更勝一籌。一加 9 Pro 拍攝的牆壁邊緣(紅框所示),出現了輕微的畸變。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

所以,在優秀的演算法面前,自由曲面鏡頭防畸變的優勢就沒那麼顯眼了。從這個維度來看,自由曲面鏡頭的功效似乎被誇大了。

自由曲面鏡片並不會削弱透視感

人們之所以使用超廣角拍攝,不僅是為了按一下快門能記錄更寬廣的情境,還為了追求透視感帶來的獨特視覺享受。

例如將鏡頭向上拍攝樹木或建築,被攝物體看起來似乎馬上要傾倒下來,有著強烈的視覺衝擊力。這被稱為透視形變(也有人稱為線性畸變)。

圖片來源:一加手機

儘管透視本質上也是一種形變,但這種形變符合自然規律和人眼真實所見。簡單來說就是遵循「近大遠小」的規律,它早在繪畫藝術中被廣泛應用,後來成為一種重要的攝影語言。

那麼自由曲面鏡頭,會抑制透視的表現嗎?

答案是不會。超廣角鏡頭搭配自由曲面鏡片,能對桶形畸變產生優秀的抑制效果,但不會消除透視變形。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

如果想要消除透視變形,只能在拍攝時,將鏡頭平行於被攝物體放置。指望自由曲面鏡頭來消除,是不現實的。

自由曲面鏡片的意義不止防畸變

經過上文的分析,你會發現自由曲面鏡頭好像沒有宣傳的那樣神奇。抗畸變的效果與優秀演算法難分高下,透視變形也不會被消除,所以它的意義在哪呢?

首先可以確定的是,透過光學硬體抑制畸變,理論上比軟體演算法更為穩定。尤其在拍攝影片時,演算法實時矯正畸變比較困難,這時自由曲面鏡片的硬體優勢就顯現出來了。

更重要的,則是自由曲面鏡片輕巧的特性,為手機鏡頭模組設計,帶來了更多空間。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

透過引入自由曲面,可以使光學系統的結構變得更緊湊,重量更輕,光學元件數量更少。所以在相似的體積下,自由曲面的應用,可以讓攝像模組的空間使用率更高。

例如讓 OPPO Find X3 系列和一加 9 Pro 系列的超廣角,有機會採用 IMX 766 主鏡頭級大底感測器,進一步增強成像品質。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

不過,自由曲面鏡頭加工良率低,工藝複雜、設備昂貴,因此成本相對較高。目前搭載自由曲面鏡頭的手機還比較少,且只有畸變問題最嚴重的超廣角才配享有。

可以預測,當自由曲面鏡片的成本降低,無論是主鏡頭鏡頭還是長焦鏡頭,都有可能會應用上自由曲面技術。抑制畸變的同時,還有更多空間堆砌光學系統。

手機廠商都在吹的「自由曲面鏡頭」宣稱讓畫面不再畸變,真有那麼神奇嗎?

就像現在手機廠商打出的「雙主鏡頭」、「三主鏡頭」口號那樣,或許不久後,我們就能看到「雙自由曲面鏡頭」,甚至「三自由曲面鏡頭」的手機了。

ifanr
作者

ifanr依托於中國移動互聯網的發展大潮,用敏銳的觸覺、出色的內容,聚焦 TMT 領域資訊,迅速成為中國最為出色的新銳科技Blog 媒體。

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