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镜头畸变是什么？「夏昆冈」

我们经常在相机、镜头、手机摄像头的测评文字中看到“畸变”这个词 ， 对于不太接触摄影的读者 ， 不大理解什么是畸变 。
首先 ， 我们需要了解 ， 理想的镜头 ， 能在感光器表面实现完全不变形的投影 ， 然而 ， 大部分民用系统的都达不到理想状态[除了极少数特殊用途镜头 ， 例如远心镜头] ， 就是说 ， 透过镜头投到感光器表面的影像 ， 它是会变形的 。
镜头畸变是什么？「夏昆冈」
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镜头的枕形畸变和桶形畸变示意
这个变形 ， 对应的英文单词是Distortion ， 中文术语则是畸变 。 镜头畸变通常就是两种 ， 枕形畸变和桶形畸变 ， 也叫枕形失真和桶形失真 。 两者很好区分 ， 视觉上向内坍缩的图像是枕形畸变 ， 往外鼓的桶形畸变 。 这两者畸变是镜头系统中最最最最常见的像差现象 。
通常广角镜头容易产生桶形畸变 ， 而长焦镜头则更容易出现枕形畸变 。 除了焦距因素 ， 畸变类型和程度 ， 也与镜头结构、镜片形状有关 。
镜头畸变是什么？「夏昆冈」
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OPPOReno10倍变焦版智能手机[PCCM00]-实拍-超广-颐和园-佛香阁
制造商=OPPO;型号=OPPORENO10XZOOM;焦距=2毫米;光圈=F2.2;感光度=ISO100;白平衡=自动;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1560/1000000秒;日期=2019.05.2914:19:59
镜头畸变是什么？「夏昆冈」
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vivoX23智能手机-实拍-超广-麦当劳
制造商=VIVO;型号=V1809A;焦距=2毫米;等效焦距=15毫米;光圈=F2.4;测光模式=中央平均;感光度=ISO800;白平衡=自动;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=1/25秒;曝光程序=未知;场景类型=标准;日期=2018.10.1719:05:52
在不少文章中 ， 也会将近大远小的透视变形称为透视畸变 ， 这个说法是有问题的 ， 准确的描述应该是透视形变 。 形变对应的英文单词也是Distortion ， 但形变和畸变的中文词意是有差别的 。 差别在于“畸” ， 畸变都是不理想的变形 ， 透视形变并不是不理想 。 透视形变与镜头结构、镜片形状都没关系 。
写到此处 ， 基本可以做个小结 ， 镜头畸变指的是枕形畸变或桶形畸变 ， 透视形变不是镜头畸变的一种 。
相比长焦上的枕形畸变 ， 超广上的桶形畸变会更容易察觉 ， 传统的方法无外乎两种 。 一种是通过精密的镜头结构设计和镜片设计来降低畸变程度 ， 成本大幅提升 ， 体积也大幅提升 ， 造型像个电灯泡似的 。 另外一种就是弃疗 ， 典型的就是鱼眼镜头 ， 把畸变玩出花来 。
镜头畸变是什么？「夏昆冈」
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进行了畸变矫正处理的16毫米超广镜头成像
相比传统方法 ， 省钱疗效还好的方案是基于数字图像处理的畸变矫正功能 。 现在手机的超广成像 ， 基本都默认开启了矫正 ， 上面这个例子 ， 是某手机等效16毫米超广所摄 ， 横平竖直 ， 如果不是数字解决方案 ， 物理成本会比较高 。
【镜头畸变是什么？「夏昆冈」】基于数字图像的畸变矫正 ， 在DC时代就开始研究并发展 ， 这其中被不少顽强的老法师们指责过 ， 说这是镜头造假云云 。 这种方案 ， 需要重组像素排列 ， 对于边缘成像质量就是大问题的超广系统来说 ， 更是雪上加霜 ， 最边缘的区域 ， 成像质量只会变得更差 ， 所以 ， 出现了像场冗余设计 ， 例如16毫米等效焦距的镜头 ， 实际上可能是等效15毫米的 。 多出来的 ， 就是为了方便切掉 。 在某些机型中 ， 配合镜头像场冗余 ， 感光器这端也进行了像素冗余配合 ， 这么做的原因是将数字矫正的副作用尽可能降低 。
数字矫正也并不是绝对药到病除 ， 如果拿适配16毫米系统的代码去放到14毫米的机型上 ， 就会出现矫正不到位的情况 ， 或者出现桶形变枕形的情况 ， 甚至更糟 ， 出现拍直线变得弯弯曲曲 ， 这种情况曾经在三星和索尼的机型上出现过 。 即便是16毫米的系统 ， 代码也不能通用 ， 每一款镜头的情况并不完全一样 。
对于开发者来说 ， 比较幸运的一点就是 ， 人眼对轻度的畸变其实并不敏感 ， 也可以认为 ， 民用系统也没必要追求最理想的投影状态 ， 人眼难以察觉的先决条件下尽可能做好即可 。
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