Ist die Freiformlinse, die die Hersteller blasen, wirklich so erstaunlich?

Handykameras haben in den letzten zwei Jahren einen deutlichen Trend gezeigt: Der Super-Weitwinkel wird immer stärker, die Super-Tele-Szene nicht mehr.

Betrachtet man die Flaggschiff-Maschine im Jahr 2021, ist es nicht schwer, dieses Muster zu finden. Die meisten Mobiltelefone haben entweder das Ultra-Teleobjektiv direkt kastriert oder die entsprechende Konfiguration verkleinert. Der Ultra-Weitwinkel hat mehr Aufmerksamkeit erhalten als zuvor: Mikroschwenkköpfe, Ultra-Außensohlen mit den gleichen Spezifikationen wie die Hauptkamera sowie spezielle Freiformlinsen und andere Features tauchen auf immer mehr Mobiltelefonen auf.

Dank des Segens dieser neuen Technologien und neuer Hardware hat die Bildqualität des Ultraweitwinkelobjektivs von Mobiltelefonen einen qualitativen Sprung eingeläutet.

Aber im Vergleich zu Mainstream-Sensoren wie IMX766 und IMX586 ist "Freiformlinse" für die meisten Benutzer immer noch ein unscharfes Konzept. Es ist immer noch exklusiv für eine Handvoll Flaggschiff-Handys wie Huawei Mate40 Pro+, OPPO Find X3-Serie, OnePlus 9-Serie und so weiter.

Ist die Freiformlinse in Bezug auf die Verzerrungskontrolle wirklich so magisch wie in der Werbung? Was ist ihr Realisierungsprinzip? Wird es die Perspektive des Ultraweitwinkels beeinflussen? Dies werden die Themen sein, die in diesem Artikel behandelt werden.

Woher kommt die Linsenverzerrung?

Bevor wir die Freiformlinse verstehen, müssen wir wissen, wie die Bildverzerrung erzeugt wird.

Zunächst einmal muss klar sein, dass die Linsenverzerrung eine Art Aberration ist und keinen Einfluss auf die Schärfe des Bildes hat. Es ist nur so, dass die verzerrten Objekte die Wahrnehmung beeinträchtigen und den Realismus verlieren.

Im Bild unten ist beispielsweise das Gebäude links offensichtlich deformiert und der Boden scheint nicht eben zu sein. Das korrigierte Bild rechts entspricht dem, was das bloße Auge tatsächlich sieht.

Warum kommt es zu Verzerrungen?

Wir wissen, dass eine Linse aus mehreren Linsen (Linsen) besteht. Das Licht durchdringt die verschiedenen Linsen und erreicht schließlich den Sensor, wodurch ein Bild entsteht.

Die Vergrößerung der Linse ändert sich jedoch, wenn sich der Winkel zwischen dem Strahl und der Hauptachse ändert. Einfach gesagt, wenn das Licht orthogonal zur Hauptachse durchfällt, gibt es in der Regel keine Verzerrungen. Je weiter das Licht von der Hauptachse entfernt ist, desto größer ist der Winkel beim Durchgang und desto deutlicher ist die Verzerrung.

Fast alle Objektive können Verzerrungen nicht vermeiden. Übliche Verzerrungen können in zwei Arten unterteilt werden: Tonnenverzerrung und Kissenverzerrung.

Wie der Name schon sagt, führt die Tonnenverzerrung dazu, dass sich gerade Linien zum Rand hin wölben, was wie ein Weinfass aussieht, was bei Weitwinkelobjektiven häufiger vorkommt. Eine Kissenverzerrung führt dazu, dass sich die gerade Linie nach innen eindrückt und einem Kissen ähnelt, was am Teleende häufiger vorkommt.

Wenn wir beispielsweise ein Gruppenfoto mit einem Weitwinkelobjektiv aufnehmen, tritt häufig eine tonnenförmige Verzerrung auf, wodurch das nicht zentrale Gesicht gedehnt und verformt wird und es dicker aussieht.

In der traditionellen Fotografie-Ära besteht die Methode zur Beseitigung von Verzerrungen hauptsächlich darin, Bildbearbeitungswerkzeuge wie PS zu verwenden, um die Verzerrung zu korrigieren. Damit lassen sich oft gute Ergebnisse erzielen.

Aber im Zeitalter der mobilen Fotografie möchten die Menschen den Fotografieprozess vereinfachen und die umständliche Nachbearbeitung reduzieren. Daher begannen die Hersteller von Mobiltelefonen, sich mit dem Algorithmus zu befassen, um die Verzerrung zu beseitigen, und versuchten, die Verzerrung automatisch zu korrigieren, wenn der Film gebildet wird.

Bis zur Markteinführung des Huawei Mate40 Pro+ im vergangenen Herbst lieferte es eine neue Idee zur Entzerrung des Ultra-Weitwinkelobjektivs von Mobiltelefonen.

Prinzip der Freiformlinse

Wir haben oben erwähnt, dass die Verzerrung hauptsächlich durch den Unterschied in der Vergrößerung des Linsensystems verursacht wird. Daher ist die Verbesserung des Objektivdesigns auf der physischen Ebene zweifellos eine effektive Lösung.

Wie kann man es verbessern? Die Antwort ist die Freiformflächengestaltung.

Wenn Sie eine hohe Kurzsichtigkeit haben, sollten Sie beim Tragen einer Brille von Freiformlinsen gehört haben. Durch die Einführung nicht-axialsymmetrischer, unregelmäßiger und komplex gekrümmter Oberflächen beseitigen Freiformflächenlinsen die Nachteile herkömmlicher Linsen wie enges Sichtfeld, Verzerrung und Unschärfe um die Höhe der Linse.

Diese Art von Linse befindet sich zwischen der sphärischen Fläche und der asphärischen Fläche, und das damit verbundene optische Prinzip ist sehr unklar. Was wir wissen müssen, ist, dass seine unregelmäßige und frei gekrümmte Oberfläche es ermöglicht, dass Strahlen mit unterschiedlichen Winkeln durch die Hauptachse gehen, während die ungefähre Vergrößerung beibehalten und Aberrationen minimiert werden.

Einfach ausgedrückt, können Brillenträger Freiformlinsen verwenden, um eine breitere und klarere Sicht zu sehen. Gleichzeitig sind die Gläser leicht und dünn, was man als „eine Kombination mehrerer Talente“ bezeichnen kann.

Die Bearbeitung einer hochpräzisen Freiformflächenlinse ist jedoch kompliziert und kostspielig. Gibt es im Allgemeinen auf dem High-End-Markt für kundenspezifische Brillen. Die High-End-Fahrgläser und Gleitsichtgläser von Zeiss haben beispielsweise Freiformflächen.

Tatsächlich werden Freiform-Oberflächenlinsen nicht nur in der Brillenindustrie verwendet, sondern auch in optikbezogenen Medizin-, Projektions-, Druck- und Scanbereichen. Der Bereich der optischen Beleuchtung wird weiter verbreitet, und die Freiformflächengestaltung kann die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung erheblich verbessern.

Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, dass die Freiformflächenlinse eine ausgezeichnete Wirkung bei der Reduzierung von Aberrationen hat, dh bei der Reduzierung von Verzerrungen. Für Handyhersteller, die unter Ultra-Weitwinkel-Verzerrung leiden, ist es zweifellos ein lernenswertes Design.

Aufgrund des begrenzten Volumens des Handy-Kameramoduls und der komplizierten Stapelung der internen Komponenten werden jedoch hohe Anforderungen an das Design und die Verarbeitungstechnik des Freiformflächenobjektivs gestellt.

Und Huawei Mate40 Pro+ ist das erste "krabbenfressende Handy", das "die weltweit erste Freiform-Oberflächenlinse" bringt. Laut seinem Designer hinter den Kulissen, Dr. Changlun Hou von der Hangzhou Dianzi University, begannen sie 2018 mit Freiformlinsen zu experimentieren und hatten nach wiederholter Überprüfung zwei Jahre später endlich das Mate40 Pro+.

Im Jahr 2021 brachten OPPO und OnePlus auch sukzessive Mobiltelefone mit Freiformlinsen, die immer wieder als wichtige Verkaufsargumente beworben wurden. OnePlus Liu Zuohu hat beispielsweise wiederholt das Freiformobjektiv auf Weibo gelobt und gesagt, dass es die Verzerrung auf weniger als 1% reduzieren kann und der beste Partner für Ultraweitwinkel ist.

Nach den Propagandadaten zu urteilen, scheint es ziemlich gut zu sein. Aber die tatsächliche Wirkung und ob die Wahrnehmung stark ist oder nicht, die Beweise haben das letzte Wort.

Die Wirkung der Freiformlinse erscheint übertrieben

Nehmen Sie als Beispiel das OnePlus 9 Pro, das ich seit mehr als zwei Monaten verwende. Wenn Sie eine Kamera ohne dotierten Algorithmus als Referenz nehmen, ist die Fähigkeit von OnePlus 9 Pro offensichtlich, Verzerrungen in einem Ultraweitwinkel zu kontrollieren.

Im Bild unten ist beispielsweise die tonnenförmige Verzerrung des Aufzugstürrahmens, die von der Kamera aufgenommen wurde, sehr offensichtlich, aber das OnePlus 9 Pro hat dieses Problem nicht.

In dieser Szene ist der von der Kamera aufgenommene TV-Rahmen bereits stark verzerrt, während das Bild von OnePlus 9 Pro noch gerade Linien aufweist.

Kann man also davon ausgehen, dass ein Freiformobjektiv die tonnenförmige Verzerrung vollständig eliminieren kann?

Die Antwort ist nicht unbedingt. Zum einen sind wir uns nicht sicher, ob der Anti-Distortion-Algorithmus beteiligt ist oder wie viel am Ultra-Weitwinkel des OnePlus 9 Pro beteiligt ist. Mit anderen Worten, das Verdienst der Unterdrückung von Verzerrungen ist nicht unbedingt auf die Freiformlinse zurückzuführen. Zweitens ist die Verzerrung schwer zu 100% zu beseitigen und kann nur bis zu einer bestimmten Grenze reduziert werden, die nicht leicht zu erkennen ist.

Vielleicht können wir unser Denken ändern und das OnePlus 9 Pro mit einem reinen Algorithmus-Anti-Verzerrungs-Handy vergleichen, und es scheint, dass wir wissen können, ob die Vorteile der Freiform-Oberflächenlinse stark sind oder nicht.

Im Vergleich zum Xiaomi 11 Ultra mit aktiviertem Ultra-Weitwinkel-Verzerrungskorrekturalgorithmus kann man sehen, dass OnePlus 9Pro klar gewonnen hat. Aber dieser Vergleich ist nicht fair, denn die Ultra-Weitwinkel-Brennweite des Mi 11 Ultra ist natürlich breiter, die Verzerrung wird natürlich gravierender.

Wie ist es also im Vergleich zum iPhone 12 Pro Max, das eine relativ kurze Brennweite hat? Die Antwort kann unerwartet sein.

Schauen wir uns die Fotos vor und nach dem Einschalten der Verzerrungskorrektur auf dem iPhone 12 Pro Max an. In der gleichen Szene macht die Hinzufügung des Verzerrungskorrekturalgorithmus die tonnenförmige Verzerrung fast unsichtbar.

Im Vergleich zum OnePlus 9 Pro ist das ultraweite Sichtfeld des iPhone 12 Pro Max zwar breiter, aber mit dem hervorragenden Algorithmus ist seine Verzerrung nicht offensichtlich. Es ist schwer zu sagen, dass erstere eine bessere Verzerrungsunterdrückung aufweist.

Ein weiteres Beispiel ist die folgende Szene, die beiden sind gleichermaßen hervorragend in der Unterdrückung von Verzerrungen, und sogar der reine Algorithmus iPhone 12 Pro Max ist noch besser. Der von OnePlus 9 Pro aufgenommene Wandrand (erkennbar am roten Rahmen) ist leicht verzerrt.

Daher sind die Vorteile der Anti-Verzerrung von Linsen mit Freiformflächen angesichts hervorragender Algorithmen nicht so offensichtlich. Aus dieser Perspektive erscheint die Wirksamkeit von Freiformlinsen übertrieben.

Freiformlinsen schwächen den Perspektivensinn nicht

Der Grund, warum Menschen Ultra-Weitwinkel-Aufnahmen verwenden, ist nicht nur, eine breitere Szene durch Drücken des Auslösers aufzunehmen, sondern auch, um den einzigartigen visuellen Genuss zu verfolgen, der durch das perspektivische Gefühl entsteht.

Wenn das Objektiv beispielsweise hochgeklappt ist, um Bäume oder Gebäude zu fotografieren, scheint das Motiv herunterzufallen, was eine starke visuelle Wirkung hat. Dies wird als perspektivische Verzerrung (auch als lineare Verzerrung bezeichnet) bezeichnet.

Obwohl die Perspektive im Wesentlichen eine Art von Verformung ist, entspricht diese Art der Verformung den Naturgesetzen und dem, was das menschliche Auge tatsächlich sieht. Vereinfacht gesagt folgt es der Regel „fast groß, weit klein.“ Es wurde in der Malerei weit verbreitet und wurde später zu einer wichtigen fotografischen Sprache.

Werden Freiformlinsen also die Leistung der Perspektive beeinträchtigen?

Die Antwort ist nein. Ultra-Weitwinkelobjektiv mit Freiform-Oberflächenobjektiv kann eine hervorragende Unterdrückungswirkung auf Tonnenverzerrungen erzielen, beseitigt jedoch keine perspektivische Verzerrung.

Wenn Sie perspektivische Verzerrungen vermeiden möchten, können Sie das Objektiv bei der Aufnahme nur parallel zum Motiv platzieren. Es ist unrealistisch, sich auf Freiformlinsen zu verlassen, um sie zu eliminieren.

Die Bedeutung von Freiformlinsen ist mehr als Anti-Verzerrung

Nach der obigen Analyse werden Sie feststellen, dass die Freiformlinse so magisch ist, wie sie nicht beworben wird. Der Anti-Verzerrungseffekt ist von dem exzellenten Algorithmus nicht zu unterscheiden und die perspektivische Verzerrung wird nicht beseitigt, was ist also die Bedeutung davon?

Als erstes kann festgestellt werden, dass die Unterdrückung von Verzerrungen durch optische Hardware theoretisch stabiler ist als Softwarealgorithmen. Gerade bei Videoaufnahmen ist es für den Algorithmus schwierig, die Verzeichnung in Echtzeit zu korrigieren, dabei zeigt sich der Hardware-Vorteil des Freiform-Oberflächenobjektivs.

Noch wichtiger ist die Leichtigkeit der Freiformflächenlinse, die dem Design des Handy-Kameramoduls mehr Raum verleiht.

Durch das Einbringen einer Freiformfläche kann der Aufbau des optischen Systems kompakter, leichter und mit weniger optischen Komponenten gestaltet werden. Daher kann bei einem ähnlichen Volumen durch das Aufbringen von Freiformflächen die Raumnutzungsrate des Kameramoduls erhöht werden.

Lassen Sie beispielsweise die OPPO Find X3-Serie und die OnePlus 9 Pro-Serie die Möglichkeit haben, den IMX 766-Außensohlensensor auf Hauptkameraebene zu verwenden, um die Bildqualität weiter zu verbessern.

Die Freiformflächenlinse weist jedoch eine geringe Verarbeitungsausbeute, einen komplexen Prozess und eine teure Ausrüstung auf, so dass die Kosten relativ hoch sind. Gegenwärtig gibt es relativ wenige Mobiltelefone, die mit Freiformlinsen ausgestattet sind, und nur der Ultraweitwinkel mit dem gravierendsten Verzerrungsproblem kann genossen werden.

Es kann vorhergesagt werden, dass, wenn die Kosten für Freiformflächenobjektive gesenkt werden, unabhängig davon, ob es sich um ein Hauptobjektiv oder ein Teleobjektiv handelt, die Freiformflächentechnologie angewendet werden kann. Während Verzerrungen unterdrückt werden, bleibt mehr Raum für das Stapeln optischer Systeme.

So wie jetzt die Slogans "Dual-Hauptkamera" und "Drei-Hauptkamera" der Handyhersteller, werden wir vielleicht in der Nähe Handys mit "Doppel-Freiform-Objektiv" und sogar "Drei-Freiform-Objektiv" sehen können Zukunft.

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