三、自由曲面鏡頭詳析：要畫(huà)質(zhì)還是保視場(chǎng)？看看華為的兩全方案

——先說(shuō)說(shuō)畸變這件事

在攝影當(dāng)中，遭遇最終成像發(fā)生明顯或者不明顯的畸變算得上是一件尋常的事，這是鏡頭端的問(wèn)題，普遍存在，它代表光學(xué)系統(tǒng)對(duì)物體所成的像相對(duì)于物體本身的失真程度。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因非常復(fù)雜。

簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)說(shuō)，相機(jī)鏡頭是由多組透鏡共同組成，然而這些透鏡還要更進(jìn)一步更細(xì)分為凸透鏡和凹透鏡，彼此之間的中心和邊緣厚度，以及折射光線的方式（具備中學(xué)物理常識(shí)的話會(huì)知道凸透鏡匯聚光線、凹透鏡發(fā)散光線）都存在區(qū)別。

多組透鏡組成相機(jī)鏡頭

這意味著最終得到的圖像是經(jīng)過(guò)了不同中心/邊緣厚度/放大率（成像大小與實(shí)際大小的比值）/折射方式的透鏡折射而成，當(dāng)放大率隨光束的入射角度增加而增大時(shí)為正畸變，畫(huà)面向中間收縮，被稱(chēng)為枕形畸變；當(dāng)放大率隨入射角度增加而減小則形成負(fù)畸變，會(huì)形成膨脹起來(lái)的桶狀失真。

還有一種解決起來(lái)比較棘手的透視畸變，也被稱(chēng)為線性畸變，在近距離拍攝直線結(jié)構(gòu)物體的時(shí)候容易出現(xiàn)的失真，源于透視變換，任何鏡頭在特定條件下都會(huì)產(chǎn)生這種畸變，需要軟件層面的矯正。

正常圖像

典型的桶狀失真

由此，廣角鏡頭拍攝的照片通常都存在一定程度的畸變，而且往往視場(chǎng)角越大，畸變?cè)酱?，變形越大，?yán)重影響最終成像觀感。這也是華為徹底解決大視場(chǎng)角攝影畸變問(wèn)題之前，著重強(qiáng)調(diào)畫(huà)質(zhì)，并一直為旗艦機(jī)型選擇小視場(chǎng)角鏡頭的原因之一。

比如iPhone11的超廣角鏡頭為13mm等效焦距，同期的Mate30 Pro超廣角鏡頭為18mm等效焦距，視場(chǎng)差異比較大，以至于后者主要靠畫(huà)質(zhì)取勝而廣度處于劣勢(shì)。

——自由曲面鏡頭是畸變終結(jié)者

人類(lèi)戰(zhàn)勝失真事物的欲望與動(dòng)力總是相當(dāng)充沛的。

為了干掉圖像畸變失真，業(yè)界誕生了介于傳統(tǒng)球面與非球面之間的自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)，這是一種難以名狀的非軸對(duì)稱(chēng)、不規(guī)則的曲面，由于所涉及的光學(xué)知識(shí)極為復(fù)雜，我們?cè)诖藢?duì)其不做深入探討。

光學(xué)設(shè)備公司DynaOptics的自由曲面折射光線示例

與傳統(tǒng)鏡頭相比，自由曲面鏡頭有更大的設(shè)計(jì)自由，幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)不同視場(chǎng)區(qū)域光線的單獨(dú)控制以抑制畸變。一般來(lái)說(shuō)，在光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，自由曲面可以自由分配光強(qiáng)，能夠人為控制每根光線的角度甚至方向。

按照相關(guān)產(chǎn)業(yè)人士的說(shuō)法，結(jié)合上圖所示，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中使用兩個(gè)及兩個(gè)以上的自由曲面鏡片，各個(gè)鏡片之間的所有面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)目前來(lái)看幾乎是不可能的，目前推斷華為Mate40 Pro+使用的估計(jì)只有一片自由曲面鏡片，另外幾組如無(wú)意外應(yīng)該還是傳統(tǒng)鏡片。

——華為吃下“自由曲面”在手機(jī)領(lǐng)域的第一個(gè)螃蟹

自由曲面鏡頭在其它領(lǐng)域當(dāng)中早有應(yīng)用，比如照明、印刷掃描、顯示器、眼科、投影、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。尤其是低精度的自由曲面已經(jīng)在光學(xué)照明系統(tǒng)中廣泛使用，使照明系統(tǒng)的照明均勻性和能量有效利用率率大大提高。

低失真視場(chǎng)狹窄、魚(yú)眼廣角高失真、視野寬闊的自由曲面應(yīng)用效果（圖源DynaOptics示例）

在手機(jī)領(lǐng)域，根據(jù)現(xiàn)有報(bào)道，此前并沒(méi)有自由曲面鏡頭在手機(jī)上成功應(yīng)用的先例，這與智能手機(jī)體積小、技術(shù)集成度高、內(nèi)部元器件堆疊極為復(fù)雜有關(guān)。

因而在手機(jī)影像當(dāng)中引入光學(xué)自由曲面一方面需要理論論證，一方面對(duì)其加工設(shè)計(jì)工藝設(shè)提出非常高的要求。

但是，現(xiàn)有資料顯示華為在2018年才開(kāi)始自由曲面在超廣角手機(jī)鏡頭中的應(yīng)用研究，一年的理論設(shè)計(jì)和仿真之后，通過(guò)引入一片自由曲面鏡片，便設(shè)計(jì)出了無(wú)畸變的超廣角鏡頭。然后就將上述成果應(yīng)用在Mate40 Pro+這款手機(jī)上，并將之量產(chǎn)出來(lái)。

一般來(lái)說(shuō)，從科技研發(fā)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用總是有比較遙遠(yuǎn)的距離，從自由曲面方案在Mate40 Pro+上落地的速度來(lái)看，華為對(duì)科技前沿領(lǐng)域的高度敏感和轉(zhuǎn)化效率著實(shí)令人咋舌。

接下來(lái)我們拿Mate40 Pro+，與iPhone11、Mate40 Pro（搭載傳統(tǒng)超廣角鏡頭但是帶有畸變矯正算法）進(jìn)行一番簡(jiǎn)單對(duì)比。

超廣角成像對(duì)比 室內(nèi)開(kāi)燈

這里簡(jiǎn)單介紹一下，華為Mate40 Pro的超廣角鏡頭為18mm焦段，Mate40 Pro+的超廣角鏡頭為14mm焦段，iPhone11的超廣角鏡頭為等效13mm焦段。

所以如上圖所示，在視場(chǎng)方面，iPhone11明顯還是會(huì)更具優(yōu)勢(shì)，但是Mate40 Pro+在視場(chǎng)方面已經(jīng)極為接近一直強(qiáng)調(diào)廣視場(chǎng)的iPhone11，并且它還和視場(chǎng)狹窄的Mate40 Pro保持了同等水平的畫(huà)質(zhì)，特別是畫(huà)面細(xì)膩程度、純凈度等明顯要優(yōu)于iPhone11（可點(diǎn)擊大圖查看）。

我們接下來(lái)放大細(xì)節(jié)。

圖像右側(cè)邊緣區(qū)域裁切對(duì)比

可以很明顯的看到，iPhone11似乎沒(méi)有做畸變矯正算法處理，圖像邊緣的門(mén)框已經(jīng)顯現(xiàn)了桶狀失真的特征，“向外膨脹”，而Mate40 Pro+的門(mén)框依舊直線一條，而且從細(xì)節(jié)來(lái)看，后者的畫(huà)質(zhì)細(xì)膩程度以及畫(huà)面亮度、純凈度都要優(yōu)于前者。Mate40 Pro的視場(chǎng)較小，沒(méi)有可比性。

由于引入了自由曲面，Mate40 Pro+鏡頭的成像質(zhì)量確實(shí)非常高，光學(xué)畸變相當(dāng)小，意味著不需要經(jīng)過(guò)軟件畸變校正就可以得到無(wú)畸變的高清晰圖像。這樣一來(lái)，在攝影的時(shí)候，省去了畸變矯正的處理過(guò)程，可以更快產(chǎn)出無(wú)畸變圖像、無(wú)畸變視頻。

當(dāng)然，大多數(shù)人對(duì)于尋常景物的微小畸變失真可能并不敏感，因此我們引入了圖像邊緣帶有人像的一組照片進(jìn)行對(duì)比。

畫(huà)面邊緣帶有人像的圖像對(duì)比

接著，我們將局部人像裁切出來(lái)放大，來(lái)看進(jìn)一步的對(duì)比。

通過(guò)以上對(duì)比可以看到，自由曲面以物理的方式，通過(guò)鏡頭設(shè)計(jì)中更高的自由度，來(lái)避免畸變，在糾正人在邊緣的透視畸變這方面效果尤為明顯，既不損失視場(chǎng)廣度，又把人臉拉長(zhǎng)的問(wèn)題矯正，目前其它機(jī)型甚至包括其它華為品牌旗艦在內(nèi)沒(méi)有一款能打的。

值得一提的是，華為Mate40 Pro+在前置方面也搭載了超廣角相機(jī)模組，雖然不是自由曲面鏡頭，但是有畸變矯正算法參與人像畸變糾正，從拍攝到打開(kāi)相冊(cè)，看到XD Fusion把畸變到嚴(yán)重失真的自拍廢片救回來(lái)，那種感覺(jué)相當(dāng)暢爽。

超廣角自拍畸形矯正過(guò)程

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