厂商都在吹的自由曲面镜头 真的有那么神奇吗?

2021-06-03 07:30 作者:佚名 原文链接:点击获取

手机摄像头在近两年呈现出一个鲜明的趋势:超广角越来越强,超长焦风光不再。

观察 2021 年的旗舰机,不难发现这一规律。多数手机要么直接阉割了超长焦镜头,要么缩水了相关配置。而超广角受到的重视更胜以往:微云台、与主摄像同规格的超大底,以及特殊的自由曲面镜片等特性,出现在越来越多的手机上。

得益于这些新技术、新硬件的加持,手机超广角镜头的画质迎来了质的飞跃。

但比起 IMX766、IMX586 等主流传感器,‘自由曲面镜头’对于多数用户来说依旧是个模糊的概念。它目前仍是华为 Mate40 Pro+、OPPO Find X3 系列、一加 9 系列等极少数旗舰机的专属。

在控制畸变上,自由曲面镜头真的有宣传中那么神奇吗?其实现原理是怎样的?是否会影响超广角的透视感?这些将是本文重点探讨的话题。

镜头畸变从何而来

在了解自由曲面镜头之前,我们需要先知道画面畸变是如何产生的。

首先要明确,镜头畸变是一种像差,对画面的清晰度并无影响。只是畸变的物体影响观感,也失去了真实度。

比如下图中,左侧的建筑物明显发生了变形,看起来地面仿佛不是平的。而右侧经过矫正的画面,才接近肉眼真实所见。

▲图片来自:ehabphotography

▲图片来自:ehabphotography

为什么会产生畸变现象呢?

我们知道,一枚镜头由若干个镜片(透镜)组成。光线经由各个透镜,最终到达传感器上,于是形成图像。

 ▲ 图片来自:Leica Rumors

▲ 图片来自:Leica Rumors

不过,透镜的放大率会随着光束和主轴间所成角度的变化,而随之改变。简单来说,当光线与主轴正交通过时,一般不会产生畸变。光线离主轴越远,通过时角度越大,畸变就会越明显。

几乎所有镜头都无法避免畸变。常见的畸变可分为两种:桶形畸变和枕型畸变。

顾名思义,桶形畸变会导致直线向边缘凸起,看起来像是一个酒桶,多见于广角镜头。而枕型畸变会导致直线向内凹陷,形似抱枕,多见于长焦端。

比如我们用广角镜头合照时,常常会发生桶形畸变,导致非中心的人脸被拉伸变形,看起来胖了一圈。

 ▲ 左为桶形畸变示意,右为消除畸变后的样貌。 图片来自:dpreview

▲ 左为桶形畸变示意,右为消除畸变后的样貌。 图片来自:dpreview

在传统摄影时代,消除畸变的方法,主要是利用 PS 等修图工具,进行畸变矫正。这往往能取得不俗的效果。

▲利用 PS 进行畸变矫正。 图片来自:youtube

▲利用 PS 进行畸变矫正。 图片来自:youtube

但在手机摄影时代,人们更希望简化摄影的程序,减少后期修图的繁琐。于是手机厂商们开始钻研消除畸变的算法,力图在成片时自动修正畸变。

▲Google 防畸变算法展示。 图片来源:Google

▲Google 防畸变算法展示。 图片来源:Google

直到去年秋季华为 Mate40 Pro+面世,为手机超广角镜头防畸变提供了一个新思路。

自由曲面镜头的原理

我们上文说了畸变的产生,主要是镜片系统的放大率差异造成的。那么从物理层面改进镜片的设计,无疑是一种有效的解法。

怎么改进呢?答案就是自由曲面设计。

如果你有高度近视,在配眼镜片的时候,应该有听说过自由曲面镜片。通过引入非轴对称、不规则、复杂的曲面,自由曲面镜片摆脱了传统镜片在高度数下,视场窄,周围变形、模糊的弊端。

▲ 蔡司自由曲面镜片。 图片来自:卡尔蔡司

▲ 蔡司自由曲面镜片。 图片来自:卡尔蔡司

这种镜片介于球面与非球面之间,其涉及的光学原理十分晦涩。我们需要知道的是,其不规则、自由的曲面,让不同角度光束在穿过主轴时,可以保持近似的放大率,最大程度地减少像差。

▲图片来自:cocoleni

▲图片来自:cocoleni

简单来说,就是眼镜用户可以借助自由曲面镜片,看到更开阔、清晰的视界。同时镜片又轻又薄,可谓‘集多重才华于一身’。

 ▲ 蔡司自由曲面镜片广告

▲ 蔡司自由曲面镜片广告

不过,加工一块高精度的自由曲面镜片步骤复杂,成本高昂。一般存在于高端、定制的眼镜市场。比如蔡司高端的驾驶型镜片、渐进式镜片等,均有自由曲面的身影。

▲自由曲面镜片的制造流程

▲自由曲面镜片的制造流程

实际上,自由曲面镜片不止应用在眼镜行业,与光学相关的医疗、投影、印刷扫描等领域也有使用。而光学照明领域的应用更为广泛,自由曲面设计可显著增强照明的均匀性。

从上面的描述可以看出,自由曲面镜片对减少像差,即减弱畸变,有极佳的效果。对于饱受超广角畸变困扰的手机厂商来说,无疑是一个值得借鉴的设计。

不过,由于手机摄像头模组的体积有限,内部元器件堆叠复杂,所以对自由曲面镜片的设计与加工工艺,提出了很高的要求。

而华为 Mate40 Pro+,就是第一款‘吃螃蟹的手机’,带来了‘全球首款自由曲面镜头’。据其幕后设计者——杭州电子科技大学候昌伦博士透露,他们从 2018 年开始试验自由曲面镜头,反复验证后,终于有了两年后面世的 Mate40 Pro+。

2021 年,OPPO 和一加也相继带来了自由曲面镜头的手机,并当做重磅卖点反复宣传。比如一加刘作虎曾多次发微博赞美自由曲面镜头,称其可将畸变降到 1% 以内,是超广角的最佳搭档。

从宣传数据来看,似乎挺牛。不过实际效果怎么样,感知强不强,还是样张说了算。

自由曲面镜头的效果,似乎被夸大了

以我使用了两个多月的一加 9 Pro 为例。如果以未掺杂算法的相机作为参照,一加 9 Pro 超广角控制畸变的能力,是显而易见的。

比如下图中,相机拍摄的电梯门框,桶状畸变十分明显,但一加 9 Pro 就没有这个问题。

▲ 左为全画幅相机使用 24mm 镜头拍摄,右为一加 9 Pro 拍摄

▲ 左为全画幅相机使用 24mm 镜头拍摄,右为一加 9 Pro 拍摄

再如这个场景中,相机拍摄的电视边框,已经发生了明显的畸变,而一加 9 Pro 的照片,线条依旧平直。

▲左为全画幅相机使用 24mm 镜头拍摄,右为一加 9 Pro 拍摄

▲左为全画幅相机使用 24mm 镜头拍摄,右为一加 9 Pro 拍摄

那么是否可以认为,自由曲面镜头能够完全消除桶状畸变呢?

答案是不一定。一是我们不确定一加 9 Pro 的超广角在拍摄时,防畸变算法有没有参与,或是参与了多少。也就是说,抑制畸变的功劳不一定全都是自由曲面镜头的。二是畸变很难被 100% 消除,只能降低至一定限度,让人眼不易察觉。

 ▲ 一加 9 Pro 超广角拍摄

▲ 一加 9 Pro 超广角拍摄

或许我们可以换个思路,将一加 9 Pro 与纯算法防畸变的手机作对比,似乎就能知道自由曲面镜头的优势强不强烈了。

在与开启超广角畸变矫正算法的小米 11 Ultra 对比时,可以看到一加 9Pro 显然赢得了胜利。但这样比并不公平,因为小米 11 Ultra 超广角的焦段要更广,畸变理所当然会更严重。

▲ 左为小米 11 Ultra,右为一加 9 Pro。 图片来自:androidauthority

▲ 左为小米 11 Ultra,右为一加 9 Pro。 图片来自:androidauthority

那么与焦段相对接近的 iPhone 12 Pro Max 相比呢?答案可能超乎意料。

我们先来看一下 iPhone 12 Pro Max 开启畸变矫正前后的照片。同样的场景,畸变矫正算法的加入让桶形畸变几乎不可见。

 ▲右图为畸变矫正算法开启状态

▲右图为畸变矫正算法开启状态

与一加 9 Pro 相比,即便 iPhone 12 Pro Max 的超广角视野更广一些,但凭借优秀的算法,其畸变并不明显。很难说前者畸变抑制的更好。

 ▲左为 iPhone 12 Pro Max,右为一加 9 Pro

▲左为 iPhone 12 Pro Max,右为一加 9 Pro

再如下面这个场景,两者对畸变的抑制同样优秀,甚至纯算法的 iPhone 12 Pro Max 更胜一筹。一加 9 Pro 拍摄的墙壁边缘(红框所示),出现了轻微的畸变。

所以,在优秀的算法面前,自由曲面镜头防畸变的优势就没那么显眼了。从这个维度来看,自由曲面镜头的功效似乎被夸大了。

自由曲面镜片并不会削弱透视感

人们之所以使用超广角拍摄,不仅是为了按一下快门能记录更宽广的场景,还为了追求透视感带来的独特视觉享受。

比如将镜头向上拍摄树木或建筑,被摄物体看起来似乎马上要倾倒下来,有着强烈的视觉冲击力。这被称为透视形变(也有人称为线性畸变)。

 ▲ 图片来自:一加手机

▲ 图片来自:一加手机

尽管透视本质上也是一种形变,但这种形变符合自然规律和人眼真实所见。简单来说就是遵循‘近大远小’的规律,它早在绘画艺术中被广泛应用,后来成为一种重要的摄影语言。

那么自由曲面镜头,会抑制透视的表现吗?

答案是不会。超广角镜头搭配自由曲面镜片,能对桶形畸变产生优秀的抑制效果,但不会消除透视变形。

如果想要消除透视变形,只能在拍摄时,将镜头平行于被摄物体放置。指望自由曲面镜头来消除,是不现实的。

自由曲面镜片的意义不止防畸变

经过上文的分析,你会发现自由曲面镜头好像没有宣传的那样神奇。抗畸变的效果与优秀算法难分高下,透视变形也不会被消除,所以它的意义在哪呢?

首先可以确定的是,通过光学硬件抑制畸变,理论上比软件算法更为稳定。尤其在拍摄视频时,算法实时矫正畸变比较困难,这时自由曲面镜片的硬件优势就显现出来了。

更重要的,则是自由曲面镜片轻巧的特性,为手机摄像头模组设计,带来了更多空间。

通过引入自由曲面,可以使光学系统的结构变得更紧凑,重量更轻,光学元件数量更少。所以在相似的体积下,自由曲面的应用,可以让摄像模组的空间利用率更高。

比如让 OPPO Find X3 系列和一加 9 Pro 系列的超广角,有机会采用 IMX 766 主摄级大底传感器,进一步增强成像质量。

不过,自由曲面镜头加工良率低,工艺复杂、设备昂贵,因此成本相对较高。目前搭载自由曲面镜头的手机还比较少,且只有畸变问题最严重的超广角才配享有。

可以预测,当自由曲面镜片的成本降低,无论是主摄镜头还是长焦镜头,都有可能会应用上自由曲面技术。抑制畸变的同时,还有更多空间堆砌光学系统。

就像现在手机厂商打出的‘双主摄’、‘三主摄’口号那样,或许不久后,我们就能看到‘双自由曲面镜头’,甚至‘三自由曲面镜头’的手机了。