三、自由曲面镜头详析要画质还是保视场?看看华为的两全方案

——先说说畸变这件事

在摄影当中,遭遇最终成像发生明显或者不明显的畸变算得上是一件寻常的事,这是镜头端的问题,普遍存在,它代表光学系统对物体所成的像对于物体本身的失真程度。

出现这种现象的原因非常复杂。

简单点来说,机镜头是由组透镜共同组成,然而这些透镜还要进一步细分为凸透镜和凹透镜,彼此之间的中心和边缘厚度,以及折射光线的方式(具备中学物理常识的话会知道凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线)都存在区别。

多组透镜组成相机镜头

这意味着最终得到的图像是经过了不同中心/边缘厚度/放大率(成像大小与实际大小的比值)/折射方式的透镜折射而成,当放大率随光束的入射角度增加而增大时为正畸变,画面向中间收缩,被称为枕形畸变;当放大率随入射角度增加而减小则形成负畸变,会形成膨胀起来的桶状失真。

还有一种解决起来比较棘手的透视畸变,也被称为线性畸变,在近距离拍摄直线结构物体的时候容易出现的失真,源于透视变换,任何镜头在特定条件下都会产生这种畸变,需要软件层面的矫正。

正常图像

典型的桶状失真

由此,广角镜头拍摄的照片通常都存在一定程度的畸变,而且往往视场角越大,畸变越大,变形越大,严重影响最终成像观感。这也是华为彻底解决大视场角摄影畸变问题之前,着重强调画质,并一直为旗舰机型选择小视场角镜头的原因之一。

比如iPhone11的超广角镜头为13mm等效焦距,同期的Mate30 Pro超广角镜头为18mm等效焦距,视场差异比较大,以至于后者主要靠画质取胜而广度处于劣势。

——自由曲面镜头是畸变终结者

人类战胜失真事物的欲望与动力总是当充沛的。

为了干掉图像畸变失真,业界诞生了介于传统球面与非球面之间的自由曲面光学设计,这是一种难以名状的非轴对称、不规则的曲面,由于所涉及的光学知识极为复杂,我们在此对其不做深入探讨。

光学设备公司DynaOptics的自由曲面折射光线示例

与传统镜头比,自由曲面镜头有大的设计自由,帮助实现对不同视场区域光线的单独控制以抑制畸变。一般来说,在光学系统当中,自由曲面可以自由分配光强,能够人为控制每根光线的角度甚至方向。

按照产业人士的说法,结合上图所示,在实际应用当中使用两个及两个以上的自由曲面镜片,各个镜片之间的所有面点对点的对准目前来看几乎是不可能的,目前推断华为Mate40 Pro 使用的估计只有一片自由曲面镜片,另外几组如无意外应该还是传统镜片。

——华为吃下“自由曲面”在手机领域的第一个螃蟹

自由曲面镜头在其它领域当中早有应用,比如照明、印刷扫描、显示器、眼科、投影、数据存储等。尤其是低精度的自由曲面已经在光学照明系统中广泛使用,使照明系统的照明均匀性和能量有效利用率率大大提高。

低失真视场狭窄、鱼眼广角高失真、视野宽阔的自由曲面应用效果(图源DynaOptics示例)

在手机领域,根据现有报道,此前并没有自由曲面镜头在手机上成功应用的先例,这与智能手机体积小、技术集成度高、内部元器件堆叠极为复杂有。

因而在手机影像当中引入光学自由曲面一方面需要理论论证,一方面对其加工设计工艺设提出非常高的要求。

但是,现有资料显示华为在2018年才开始自由曲面在超广角手机镜头中的应用研究,一年的理论设计和仿真之后,通过引入一片自由曲面镜片,便设计出了无畸变的超广角镜头。然后就将上述成果应用在Mate40 Pro 这款手机上,并将之量产出来。

一般来说,从科技研发到产业应用总是有比较遥远的距离,从自由曲面方案在Mate40 Pro 上落地的速度来看,华为对科技前沿领域的高度敏感和转化效率着实令人咋舌。

接下来我们拿Mate40 Pro ,与iPhone11、Mate40 Pro(搭载传统超广角镜头但是带有畸变矫正算法)进行一番简单对比。

超广角成像对比 室内开灯

这里简单介绍一下,华为Mate40 Pro的超广角镜头为18mm焦段,Mate40 Pro 的超广角镜头为14mm焦段,iPhone11的超广角镜头为等效13mm焦段。

所以如上图所示,在视场方面,iPhone11明显还是会具优势,但是Mate40 Pro 在视场方面已经极为接近一直强调广视场的iPhone11,并且它还和视场狭窄的Mate40 Pro保持了同等水平的画质,特别是画面细腻程度、纯净度等明显要优于iPhone11(可点击大图查看)。

我们接下来放大细节。

图像右侧边缘区域裁切对比

可以很明显的看到,iPhone11似乎没有做畸变矫正算法处理,图像边缘的门框已经显现了桶状失真的特征,“向外膨胀”,而Mate40 Pro 的门框依旧直线一条,而且从细节来看,后者的画质细腻程度以及画面亮度、纯净度都要优于前者。Mate40 Pro的视场较小,没有可比性。

由于引入了自由曲面,Mate40 Pro 镜头的成像质量确实非常高,光学畸变当小,意味着不需要经过软件畸变校正就可以得到无畸变的高清晰图像。这样一来,在摄影的时候,省去了畸变矫正的处理过程,可以快产出无畸变图像、无畸变视频。

当然,大数人对于寻常景物的微小畸变失真可能并不敏感,因此我们引入了图像边缘带有人像的一组照片进行对比。

画面边缘带有人像的图像对比

接着,我们将局部人像裁切出来放大,来看进一步的对比。

通过以上对比可以看到,自由曲面以物理的方式,通过镜头设计中高的自由度,来避免畸变,在纠正人在边缘的透视畸变这方面效果尤为明显,既不损失视场广度,又把人脸拉长的问题矫正,目前其它机型甚至包括其它华为品牌旗舰在内没有一款能打的。

值得一提的是,华为Mate40 Pro 在前置方面也搭载了超广角机模组,虽然不是自由曲面镜头,但是有畸变矫正算法参与人像畸变纠正,从拍摄到打开册,看到XD Fusion把畸变到严重失真的自拍废片救回来,那种感觉当畅爽。

超广角自拍畸形矫正过程