As lentes de formato livre que os fabricantes estão soprando são realmente incríveis?

As câmeras de telefones celulares mostraram uma tendência distinta nos últimos dois anos: a super grande angular está ficando cada vez mais forte, e a supertelefoto não está mais.

Observando a máquina carro-chefe em 2021, não é difícil encontrar esse padrão. A maioria dos telefones celulares castrou diretamente as lentes ultra-telefoto ou reduziu a configuração relacionada. O ultra-grande angular tem recebido mais atenção do que antes: cabeças micro-panorâmicas, ultra-solas com as mesmas especificações da câmera principal e lentes especiais de formato livre estão aparecendo cada vez mais em telefones celulares.

Graças à bênção dessas novas tecnologias e novos hardwares, a qualidade da imagem das lentes ultra grande angular dos telefones celulares deu início a um salto qualitativo.

Mas, em comparação com sensores convencionais, como IMX766 e IMX586, "lente de forma livre" ainda é um conceito difuso para a maioria dos usuários. Ainda é exclusivo para um punhado de telefones principais, como Huawei Mate40 Pro +, OPPO Find X3 series, OnePlus 9 series e assim por diante.

Em termos de controle de distorção, as lentes de forma livre são realmente tão mágicas quanto na publicidade? Qual é o seu princípio de realização? Isso afetará a perspectiva do ângulo ultra grande? Esses serão os tópicos discutidos neste artigo.

De onde vem a distorção da lente

Antes de entender as lentes de forma livre, precisamos saber como a distorção da imagem é produzida.

Em primeiro lugar, deve ficar claro que a distorção da lente é um tipo de aberração e não tem efeito na clareza da imagem. Só que os objetos distorcidos afetam a percepção e perdem o realismo.

Por exemplo, na imagem abaixo, o edifício à esquerda está obviamente deformado e parece que o terreno não é plano. A imagem corrigida à direita está próxima do que o olho nu realmente vê.

Por que ocorre distorção?

Sabemos que uma lente é composta por várias lentes (lentes). A luz passa pelas várias lentes e finalmente chega ao sensor, formando uma imagem.

No entanto, a ampliação da lente muda conforme o ângulo entre o feixe e o eixo principal muda. Simplificando, quando a luz passa ortogonalmente ao eixo principal, geralmente não há distorção. Quanto mais distante a luz estiver do eixo principal e quanto maior o ângulo de passagem, mais óbvia será a distorção.

Quase todas as lentes não conseguem evitar a distorção. As distorções comuns podem ser divididas em dois tipos: distorção em barril e distorção em almofada.

Como o nome sugere, a distorção do barril fará com que as linhas retas se projetem em direção à borda, que se parece com um barril de vinho, o que é mais comum em lentes grande-angulares. A distorção do travesseiro fará com que a linha reta amasse para dentro, parecendo um travesseiro, o que é mais comum na extremidade da telefoto.

Por exemplo, quando tiramos uma foto de grupo com uma lente grande angular, muitas vezes ocorre distorção de barril, fazendo com que a face não central seja esticada e deformada, fazendo com que pareça mais gorda.

Na era da fotografia tradicional, o método de eliminação da distorção consiste principalmente no uso de ferramentas de edição de fotos, como o PS, para corrigir a distorção. Muitas vezes, isso pode alcançar bons resultados.

Mas, na era da fotografia móvel, as pessoas querem simplificar o processo fotográfico e reduzir o incômodo pós-retoque. Assim, os fabricantes de telefones celulares começaram a se aprofundar no algoritmo para eliminar a distorção, tentando corrigir automaticamente a distorção quando o filme é formado.

Até o lançamento do Huawei Mate40 Pro + no outono passado, ele fornecia uma nova ideia para a anti-distorção das lentes ultra grande angular dos telefones celulares.

Princípio da lente de forma livre

Mencionamos acima que a distorção é causada principalmente pela diferença na ampliação do sistema de lentes. Portanto, melhorar o design das lentes do nível físico é, sem dúvida, uma solução eficaz.

Como melhorar? A resposta é o design de superfície de forma livre.

Se você tem miopia alta, deve ter ouvido falar de lentes de forma livre quando usa óculos. Ao introduzir superfícies curvas não axissimétricas, irregulares e complexas, as lentes de superfície de forma livre eliminam as desvantagens das lentes tradicionais, como campo de visão estreito, distorção e desfoque em torno da altura da lente.

Este tipo de lente fica entre a superfície esférica e a asférica, e o princípio óptico envolvido é muito obscuro. O que precisamos saber é que sua superfície curva irregular e livre permite que feixes de diferentes ângulos passem pelo eixo principal, mantendo a ampliação aproximada e minimizando as aberrações.

Para simplificar, os usuários de óculos podem usar lentes de formato livre para ter uma visão mais ampla e clara. Ao mesmo tempo, as lentes são leves e finas, o que pode ser descrito como "uma combinação de múltiplos talentos".

No entanto, processar uma lente de superfície de forma livre de alta precisão é complicado e caro. Geralmente existem no mercado de óculos personalizados de alta qualidade. Por exemplo, as lentes de direção de última geração e lentes progressivas da Zeiss têm superfícies de forma livre.

Na verdade, as lentes de formato livre não são usadas apenas na indústria de óculos, mas também em áreas médicas relacionadas à óptica, projeção, impressão e digitalização. O campo da iluminação óptica é mais amplamente utilizado e o design de superfície de forma livre pode aumentar significativamente a uniformidade da iluminação.

Pode-se ver pela descrição acima que a lente de superfície de forma livre tem um excelente efeito na redução de aberrações, ou seja, reduzindo distorções. Para fabricantes de telefones celulares que sofrem de distorção ultra grande angular, é, sem dúvida, um design que vale a pena aprender.

No entanto, devido ao volume limitado do módulo da câmera do telefone móvel e ao complicado empilhamento de componentes internos, são colocados altos requisitos no design e na tecnologia de processamento da lente de superfície de forma livre.

E Huawei Mate40 Pro + é o primeiro "telefone móvel comedor de caranguejo", trazendo "a primeira lente de superfície de forma livre do mundo". De acordo com o designer dos bastidores, Dr. Changlun Hou, da Hangzhou Dianzi University, eles começaram a fazer experiências com lentes de formato livre em 2018 e, após repetidas verificações, finalmente obtiveram o Mate40 Pro + dois anos depois.

Em 2021, OPPO e OnePlus também trouxeram sucessivamente telefones celulares com lentes de formato livre, que foram repetidamente promovidos como um ponto de venda de sucesso. Por exemplo, OnePlus Liu Zuohu elogiou repetidamente a lente de forma livre no Weibo, dizendo que ela pode reduzir a distorção para menos de 1% e é o melhor parceiro para ultra-grande angular.

A julgar pelos dados de propaganda, parece muito bom. No entanto, o efeito real e se a percepção é forte ou não, as provas têm a palavra final.

O efeito da lente de forma livre parece ser exagerado

Pegue o OnePlus 9 Pro que usei por mais de dois meses como exemplo. Se você tomar uma câmera sem algoritmo dopado como referência, a capacidade do OnePlus 9 Pro de controlar a distorção em um ângulo ultra grande é óbvia.

Por exemplo, na imagem abaixo, a distorção em forma de barril da moldura da porta do elevador tirada pela câmera é muito óbvia, mas o OnePlus 9 Pro não tem esse problema.

Nesta cena, o quadro da TV capturado pela câmera já sofreu uma distorção significativa, enquanto as linhas das fotos do OnePlus 9 Pro ainda estão retas.

Portanto, pode-se considerar que uma lente de forma livre pode eliminar completamente a distorção do barril?

A resposta não é necessariamente. Uma é que não temos certeza se o algoritmo anti-distorção está envolvido ou quanto está envolvido no ângulo ultra grande do OnePlus 9 Pro. Em outras palavras, todo o crédito por suprimir a distorção não se deve necessariamente às lentes de forma livre. Em segundo lugar, a distorção é difícil de eliminar 100% e só pode ser reduzida a um certo limite, que não é fácil de detectar.

Talvez possamos mudar nosso pensamento e comparar o OnePlus 9 Pro com um celular anti-distorção de algoritmo puro, e parece que podemos saber se as vantagens das lentes de superfície de forma livre são fortes ou não.

Quando comparado com o Xiaomi 11 Ultra com o algoritmo de correção de distorção de ângulo ultra grande ativado, pode-se ver que o OnePlus 9Pro claramente venceu. Mas esta comparação não é justa, porque a distância focal ultra grande angular Mi 11 Ultra é maior, é claro, a distorção será mais séria.

Então, como ele se compara ao iPhone 12 Pro Max, que tem uma distância focal relativamente próxima? A resposta pode ser inesperada.

Vamos dar uma olhada nas fotos antes e depois que a correção de distorção é ativada no iPhone 12 Pro Max. Na mesma cena, a adição do algoritmo de correção de distorção torna a distorção em barril quase invisível.

Comparado com o OnePlus 9 Pro, embora o campo de visão ultra amplo do iPhone 12 Pro Max seja mais amplo, com o excelente algoritmo, sua distorção não é óbvia. É difícil dizer que o primeiro tem melhor supressão de distorção.

Outro exemplo é a cena a seguir, os dois são igualmente excelentes em suprimir distorções, e até mesmo o algoritmo puro do iPhone 12 Pro Max é ainda melhor. A borda da parede (indicada pela moldura vermelha) tirada pelo OnePlus 9 Pro está ligeiramente distorcida.

Portanto, em face de algoritmos excelentes, as vantagens da anti-distorção de lente de superfície de forma livre não são tão óbvias. Dessa perspectiva, a eficácia das lentes de forma livre parece ser exagerada.

Lentes de formato livre não enfraquecem o senso de perspectiva

A razão pela qual as pessoas usam a filmagem ultra grande angular não é apenas para gravar uma cena mais ampla pressionando o obturador, mas também para buscar o prazer visual único proporcionado pelo senso de perspectiva.

Por exemplo, se a lente está pronta para filmar árvores ou edifícios, o assunto parece estar prestes a cair, o que tem um forte impacto visual. Isso é chamado de distorção de perspectiva (também chamada de distorção linear).

Embora a perspectiva seja essencialmente um tipo de deformação, esse tipo de deformação está de acordo com as leis da natureza e com o que o olho humano realmente vê. Simplificando, segue a regra de "quase grande, muito pequeno". Foi amplamente utilizado na arte da pintura e mais tarde se tornou uma importante linguagem fotográfica.

Então, as lentes de forma livre inibirão o desempenho da perspectiva?

A resposta é não. Lente de ângulo ultra grande com lente de superfície de forma livre pode produzir excelente efeito de supressão na distorção do barril, mas não elimina a distorção da perspectiva.

Se quiser eliminar a distorção da perspectiva, você só pode colocar a lente paralela ao assunto ao fotografar. Não é realista contar com lentes de formato livre para eliminá-los.

O significado de lentes de formato livre é mais do que anti-distorção

Após a análise acima, você descobrirá que as lentes de forma livre são tão mágicas quanto não anunciadas. O efeito anti-distorção é indistinguível do algoritmo excelente, e a distorção de perspectiva não será eliminada, então qual é o significado disso?

A primeira coisa que pode ser determinada é que a supressão de distorção por hardware óptico é teoricamente mais estável do que algoritmos de software. Especialmente ao gravar vídeo, é difícil para o algoritmo corrigir a distorção em tempo real.Neste momento, a vantagem do hardware da lente de superfície de forma livre é revelada.

Mais importante, é a leveza da lente de superfície de forma livre, que traz mais espaço para o design do módulo da câmera do celular.

Ao introduzir uma superfície de forma livre, a estrutura do sistema óptico pode se tornar mais compacta, mais leve e menos componentes ópticos. Portanto, em um volume semelhante, a aplicação de superfícies de forma livre pode aumentar a taxa de utilização de espaço do módulo da câmera.

Por exemplo, permita que as séries OPPO Find X3 e OnePlus 9 Pro tenham a oportunidade de usar o sensor de sola principal no nível da câmera IMX 766 para aprimorar ainda mais a qualidade da imagem.

No entanto, a lente de superfície de forma livre tem baixo rendimento de processamento, processo complexo e equipamento caro, portanto, o custo é relativamente alto. No momento, existem relativamente poucos telefones celulares equipados com lentes de forma livre, e apenas o ultra-grande angular com o problema de distorção mais sério pode ser apreciado.

Pode-se prever que, quando o custo das lentes de superfície de forma livre for reduzido, seja uma lente principal ou teleobjetiva, a tecnologia de superfície de forma livre poderá ser aplicada. Ao suprimir a distorção, há mais espaço para empilhar sistemas ópticos.

Assim como os slogans "câmera dupla principal" e "três câmeras principais" dos fabricantes de telefones celulares agora, talvez possamos ver telefones celulares com "lentes de forma livre dupla" e até mesmo "lentes de três formas livres" nas proximidades futuro.

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