廠商都在吹的自由曲面鏡頭，真的有那麼神奇嗎？
手機攝像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。多數手機要麼直接閹割了超長焦鏡頭，要麼縮水了相關配置。而超廣角受到的重視更勝以往：微雲台、與主攝像同規格的超大底，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。
得益於這些新技術、新硬件的加持，手機超廣角鏡頭的畫質迎來了質的飛躍。
但比起 IMX766、IMX586 等主流傳感器，「自由曲面鏡頭」對於多數用户來説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。
在控制畸變上，自由曲面鏡頭真的有宣傳中那麼神奇嗎？其實現原理是怎樣的？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。
首先要明確，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。
比如下圖中，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。
▲圖片來自：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，最終到達傳感器上，於是形成圖像。
▲ 圖片來自：Leica Rumors
不過，透鏡的放大率會隨着光束和主軸間所成角度的變化，而隨之改變。簡單來説，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，通過時角度越大，畸變就會越明顯。
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。
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。
比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. 圖片來自：dpreview
在傳統攝影時代，消除畸變的方法，主要是利用 PS 等修圖工具，進行畸變矯正。這往往能取得不俗的效果。
▲利用 PS 進行畸變矯正. 圖片來自：youtube
但在手機攝影時代，人們更希望簡化攝影的程序，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算法，力圖在成片時自動修正畸變。
▲Google 防畸變算法展示. 圖片來源：Google
直到去年秋季華為 Mate40 Pro+面世，為手機超廣角鏡頭防畸變提供了一個新思路。
自由曲面鏡頭的原理
我們上文説了畸變的產生，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，應該有聽説過自由曲面鏡片。通過引入非軸對稱、不規則、複雜的曲面，自由曲面鏡片擺脱了傳統鏡片在高度數下，視場窄，周圍變形、模糊的弊端。
▲ 蔡司自由曲面鏡片. 圖片來自：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晦澀。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。
▲圖片來自：cocoleni
簡單來説，就是眼鏡用户可以藉助自由曲面鏡片，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。一般存在於高端、定製的眼鏡市場。比如蔡司高端的駕駛型鏡片、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、印刷掃描等領域也有使用。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説，無疑是一個值得借鑑的設計。
不過，由於手機攝像頭模組的體積有限，內部元器件堆疊複雜，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。
而華為 Mate40 Pro+，就是第一款「吃螃蟹的手機」，帶來了「全球首款自由曲面鏡頭」。據其幕後設計者——杭州電子科技大學候昌倫博士透露，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+。
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。比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。
從宣傳數據來看，似乎挺牛。不過實際效果怎麼樣，感知強不強，還是樣張説了算。
自由曲面鏡頭的效果，似乎被誇大了
以我使用了兩個多月的一加 9 Pro 為例。如果以未摻雜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。
比如下圖中，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
再如這個場景中，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，防畸變算法有沒有參與，或是參與了多少。也就是説，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。
在與開啓超廣角畸變矯正算法的小米 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. 圖片來自：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 開啓畸變矯正前後的照片。同樣的場景，畸變矯正算法的加入讓桶形畸變幾乎不可見。
▲右圖為畸變矯正算法開啓狀態
與一加 9 Pro 相比，即便 iPhone 12 Pro Max 的超廣角視野更廣一些，但憑藉優秀的算法，其畸變並不明顯。很難説前者畸變抑制的更好。
▲左為 iPhone 12 Pro Max，右為一加 9 Pro
再如下面這個場景，兩者對畸變的抑制同樣優秀，甚至純算法的 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。
所以，在優秀的算法面前，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場景，還為了追求透視感帶來的獨特視覺享受。
比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，有着強烈的視覺衝擊力。這被稱為透視形變（也有人稱為線性畸變）。
▲ 圖片來自：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。簡單來説就是遵循「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。
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，通過光學硬件抑制畸變，理論上比軟件算法更為穩定。尤其在拍攝視頻時，算法實時矯正畸變比較困難，這時自由曲面鏡片的硬件優勢就顯現出來了。
更重要的，則是自由曲面鏡片輕巧的特性，為手機攝像頭模組設計，帶來了更多空間。
通過引入自由曲面，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利用率更高。
比如讓 OPPO Find X3 系列和一加 9 Pro 系列的超廣角，有機會採用 IMX 766 主攝級大底傳感器，進一步增強成像質量。
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，無論是主攝鏡頭還是長焦鏡頭，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。
就像現在手機廠商打出的「雙主攝」、「三主攝」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。
資料來源：愛範兒（ifanr）
觀察 2021 年的旗艦機，不難發現這一規律。多數手機要麼直接閹割了超長焦鏡頭，要麼縮水了相關配置。而超廣角受到的重視更勝以往：微雲台、與主攝像同規格的超大底，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。
得益於這些新技術、新硬件的加持，手機超廣角鏡頭的畫質迎來了質的飛躍。
但比起 IMX766、IMX586 等主流傳感器，「自由曲面鏡頭」對於多數用户來説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。
在控制畸變上，自由曲面鏡頭真的有宣傳中那麼神奇嗎？其實現原理是怎樣的？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。
首先要明確，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。
比如下圖中，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。
▲圖片來自：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，最終到達傳感器上，於是形成圖像。
▲ 圖片來自：Leica Rumors
不過，透鏡的放大率會隨着光束和主軸間所成角度的變化，而隨之改變。簡單來説，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，通過時角度越大，畸變就會越明顯。
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。
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。
比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. 圖片來自：dpreview
在傳統攝影時代，消除畸變的方法，主要是利用 PS 等修圖工具，進行畸變矯正。這往往能取得不俗的效果。
▲利用 PS 進行畸變矯正. 圖片來自：youtube
但在手機攝影時代，人們更希望簡化攝影的程序，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算法，力圖在成片時自動修正畸變。
▲Google 防畸變算法展示. 圖片來源：Google
直到去年秋季華為 Mate40 Pro+面世，為手機超廣角鏡頭防畸變提供了一個新思路。
自由曲面鏡頭的原理
我們上文説了畸變的產生，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，應該有聽説過自由曲面鏡片。通過引入非軸對稱、不規則、複雜的曲面，自由曲面鏡片擺脱了傳統鏡片在高度數下，視場窄，周圍變形、模糊的弊端。
▲ 蔡司自由曲面鏡片. 圖片來自：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晦澀。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。
▲圖片來自：cocoleni
簡單來説，就是眼鏡用户可以藉助自由曲面鏡片，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。一般存在於高端、定製的眼鏡市場。比如蔡司高端的駕駛型鏡片、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、印刷掃描等領域也有使用。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説，無疑是一個值得借鑑的設計。
不過，由於手機攝像頭模組的體積有限，內部元器件堆疊複雜，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。
而華為 Mate40 Pro+，就是第一款「吃螃蟹的手機」，帶來了「全球首款自由曲面鏡頭」。據其幕後設計者——杭州電子科技大學候昌倫博士透露，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+。
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。比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。
從宣傳數據來看，似乎挺牛。不過實際效果怎麼樣，感知強不強，還是樣張説了算。
自由曲面鏡頭的效果，似乎被誇大了
以我使用了兩個多月的一加 9 Pro 為例。如果以未摻雜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。
比如下圖中，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
再如這個場景中，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，防畸變算法有沒有參與，或是參與了多少。也就是説，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。
在與開啓超廣角畸變矯正算法的小米 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. 圖片來自：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 開啓畸變矯正前後的照片。同樣的場景，畸變矯正算法的加入讓桶形畸變幾乎不可見。
▲右圖為畸變矯正算法開啓狀態
與一加 9 Pro 相比，即便 iPhone 12 Pro Max 的超廣角視野更廣一些，但憑藉優秀的算法，其畸變並不明顯。很難説前者畸變抑制的更好。
▲左為 iPhone 12 Pro Max，右為一加 9 Pro
再如下面這個場景，兩者對畸變的抑制同樣優秀，甚至純算法的 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。
所以，在優秀的算法面前，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場景，還為了追求透視感帶來的獨特視覺享受。
比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，有着強烈的視覺衝擊力。這被稱為透視形變（也有人稱為線性畸變）。
▲ 圖片來自：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。簡單來説就是遵循「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。
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，通過光學硬件抑制畸變，理論上比軟件算法更為穩定。尤其在拍攝視頻時，算法實時矯正畸變比較困難，這時自由曲面鏡片的硬件優勢就顯現出來了。
更重要的，則是自由曲面鏡片輕巧的特性，為手機攝像頭模組設計，帶來了更多空間。
通過引入自由曲面，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利用率更高。
比如讓 OPPO Find X3 系列和一加 9 Pro 系列的超廣角，有機會採用 IMX 766 主攝級大底傳感器，進一步增強成像質量。
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，無論是主攝鏡頭還是長焦鏡頭，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。
就像現在手機廠商打出的「雙主攝」、「三主攝」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。
資料來源：愛範兒（ifanr）