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厂家宣传的自由曲面镜片真的有那么神奇吗？

发布于：2024-06-21 编辑：匿名来源：网络

手机拍照这两年呈现出明显的趋势：超广角越来越强，超长焦不再流行。

观察2019年的旗舰手机，不难发现这样的规律。

大多数手机要么直接取消超长焦镜头，要么减少相关配置。

而超广角也比以往任何时候都受到更多的关注：微云台、与主摄同规格的超大鞋底、特殊的自由曲面镜头等功能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，手机超广角镜头的成像质量迎来了质的飞跃。

不过，与IMX、IMX等主流传感器相比，“自由曲面镜头”对于大多数用户来说仍然是一个模糊的概念。

目前仍是华为Mate40 Pro+、OPPO Find X3系列、一加9系列等极少数旗舰手机的专属。

在控制畸变方面，自由曲面镜片真的像宣传的那么神奇吗？其实现原理是什么？会影响超广角视角吗？这些将是本文重点讨论的主题。

镜头畸变从何而来？在了解自由曲面镜头之前，我们首先需要了解图像失真是如何发生的。

首先必须明确，镜头畸变是一种像差，对画面清晰度没有影响。

只是扭曲的物体影响了感知，失去了真实性。

比如下图中，左边的建筑明显变形了，看起来地面也不平坦。

右侧校正后的图片接近于肉眼实际看到的情况。

▲图片来自：ehabphotography 为什么会出现畸变？我们知道，一个镜头是由若干个镜片（镜片）组成的。

光线穿过各种镜头，最终到达传感器，形成图像。

▲ 图片来自：Leica Rumors 不过，镜头的放大倍率会随着光束与主轴之间角度的变化而变化。

简单来说，当光线与主轴正交时，一般不会出现畸变。

光线距离主轴越远、通过的角度越大，畸变就越明显。

几乎所有镜头都不可避免地会出现畸变。

常见的畸变可以分为两种：桶形畸变和枕形畸变。

顾名思义，桶形畸变会导致直线向边缘凸出，看起来像酒桶，在广角镜头中更为常见。

枕头形畸变会导致直线向内凹陷，类似枕头，在长焦端更为常见。

例如，当我们用广角镜头拍摄合影时，经常会出现桶形畸变，导致非中心脸被拉伸变形，显得更胖。

▲ 左边是桶形畸变的表现，右边是消除畸变后的样子。

图片来自：dpreview 在传统摄影时代，消除畸变的主要方法是使用Photoshop等图像修图工具来校正畸变。

这往往会取得良好的效果。

▲使用PS进行畸变校正。

图片来自：youtube 但在手机摄影时代，人们希望简化摄影流程，减少后期修图的繁琐。

于是，手机厂商开始钻研消除畸变的算法，试图在电影制作过程中自动校正畸变。

▲谷歌反失真算法展示。

图片来源：谷歌直到去年秋天华为Mate40 Pro+的推出，为手机超广角镜头的防畸变提供了新的思路。

自由曲面镜头的原理上面我们提到，畸变的发生主要是由于镜头系统的放大倍数差异造成的。

所以从物理层面改进镜片的设计无疑是一个有效的解决方案。

如何改进呢？答案是自由形式设计。

如果您患有高度近视，那么您在佩戴眼镜镜片时应该听说过自由曲面镜片。

通过引入非轴对称、不规则、复杂曲面，自由曲面镜片摆脱了传统镜片视场窄、周边变形、高空模糊等缺点。

▲ 蔡司自由曲面镜头。

图片来自：Carl Zeiss 这种镜头介于球面和非球面之间，涉及到的光学原理非常晦涩难懂。

我们需要知道的是，其不规则的自由曲面可以让不同角度的光束通过主轴时保持近似的放大倍率，最大限度地减少像差。

▲图片来自：cocoleni 简单来说，眼镜使用者在自由曲面镜片的帮助下，可以看到更广阔、更清晰的视野。

同时镜片又轻又薄，可谓“多才多艺合一”。

▲蔡司自由曲面镜头广告然而，高精度自由曲面镜头的加工过程复杂且成本高昂。

一般见于高端定制眼镜市场。

例如蔡司的高端驾驶镜片、渐进镜片等都具有自由曲面。

▲自由曲面镜片的制造工艺事实上，自由曲面镜片不仅应用于眼镜行业，还应用于光学相关的医疗、投影、打印和扫描等领域。

光学照明领域应用更为广泛，自由曲面设计可以显着增强照明的均匀性。

从上面的描述可以看出，自由曲面透镜对于减少像差，即减少畸变具有极好的效果。

对于被超广角畸变困扰的手机厂商来说，无疑是值得借鉴的设计。

但由于手机摄像头模组尺寸有限，内部元件堆叠复杂，对自由曲面镜头的设计和加工技术提出了很高的要求。

华为Mate40 Pro+是首款“吃螃蟹的手机”，并带来“全球首款自由曲面镜头”。

据其背后设计师杭州电子科技大学侯长伦博士介绍，他们从2018年开始尝试自由曲面镜头，经过反复验证，终于有了两年后发布的Mate40 Pro+。

2018年，OPPO、一加也相继推出了自由曲面镜头手机，并多次将其作为主要卖点进行宣传。

比如，一加刘作虎就多次发微博称赞自由曲面镜头，称它可以将畸变降低到1%以下，是超广角的最佳拍档。

从宣传数据来看，似乎相当可观。

但实际效果、感知强弱还是要看样本。

自由曲面镜片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。

如果我们以没有掺杂算法的相机作为参考，一加9 Pro的超广角控制畸变的能力是显而易见的。

比如下图中，相机拍摄到的电梯门框的桶形畸变非常明显，但一加9 Pro则没有这个问题。

▲ 左边是使用24mm镜头的全画幅相机拍摄的，右边是使用OnePlus 9 Pro拍摄的。

在这个场景中，相机拍摄到的电视画面发生了明显的扭曲，而在一加 9 Pro 照片中，线条仍然是平直的。

▲左边是用24mm镜头的全画幅相机拍摄的，右边是用OnePlus 9 Pro拍摄的。

那么是不是可以认为自由曲面镜头可以完全消除桶形畸变呢？答案是不一定。

首先，我们不确定一加9 Pro的超广角拍摄是否涉及到抗畸变算法，或者涉及到多少。

换句话说，抑制畸变的功劳并不一定完全属于自由曲面镜头。

其次，畸变难以消除，只能减少到一定限度，人眼难以察觉。

▲ OnePlus 9 Pro 超广角拍摄也许我们可以改变一下想法。

将一加9 Pro与纯算法抗畸变手机对比，似乎就能知道自由曲面镜头的优势是否强大。

与开启超广角畸变校正算法的小米11至尊纪念版相比，可以看出一加9Pro明显胜出。

但这样的比较是不公平的，因为小米11 Ultra超广角的焦距更宽，所以畸变自然会更严重。

▲ 左边是小米11 Ultra，右边是一加9 Pro。

图片来自：androidauthority 那么它与焦距比较接近的 iPhone 12 Pro Max 相比如何呢？答案可能令人惊讶。

我们先来看看iPhone 12 Pro Max开启畸变校正前后的照片。

在同一场景下，畸变校正算法的加入使得桶形畸变几乎看不见。

▲右图为开启畸变校正算法。

与一加9 Pro相比，尽管iPhone 12 Pro Max的超广角视场更宽，但由于其优秀的算法，其畸变并不明显。

很难说前者抑制失真效果更好。

▲左边是iPhone 12 Pro Max，右边是OnePlus 9 Pro。

如下图所示，两者的畸变抑制能力同样出色，甚至纯算法的iPhone 12 Pro Max更胜一筹。

OnePlus 9 Pro拍摄的墙壁边缘（红框所示）有轻微畸变。

因此，在优秀的算法面前，自由曲面镜片的抗畸变优势并不是那么明显。

从这个角度来看，自由曲面镜片的功效似乎被夸大了。

自由曲面镜片不会削弱透视感。

人们之所以采用超广角拍摄，不仅仅是为了一键快门记录更广阔的场景，更是为了追求透视感带来的独特视觉享受。

例如，如果镜头向上拍摄树木或建筑物，物体就会出现即将倒下的感觉，产生强烈的视觉冲击力。

这称为透视畸变（也称为线性畸变）。

▲ 图片来自：一加手机虽然透视本质上是一种变形，但这种变形符合自然规律和人眼实际看到的东西。

简单来说，就是遵循“近大远小”的规律。

它被广泛应用于绘画艺术，后来成为重要的摄影语言。

那么自由曲面镜片会抑制透视表现吗？答案是不。

超广角镜头搭配自由曲面镜头可以对桶形畸变产生出色的抑制效果，但不会消除透视畸变。

如果想要消除透视畸变，拍摄时只能将镜头与拍摄对象平行。

期望自由曲面镜片消除它是不现实的。

自由曲面镜片的意义不仅仅在于防止畸变。

经过以上分析，你会发现自由曲面镜片并没有宣传的那么神奇。

抗畸变效果与优秀算法无异，视角畸变也不会消除，那么它的意义何在？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稳定。