手机摄像头在近两年呈现出一个鲜明的趋势：超广角越来越强，超长焦风光不再。
观察 2021 年的旗舰机，不难发现这一规律。多数手机要么直接阉割了超长焦镜头，要么缩水了相关配置。而超广角受到的重视更胜以往：微云台、与主摄像同规格的超大底，以及特殊的自由曲面镜片等特性，出现在越来越多的手机上。
得益于这些新技术、新硬件的加持，手机超广角镜头的画质迎来了质的飞跃。
但比起 IMX766、IMX586 等主流传感器，「自由曲面镜头」对于多数用户来说依旧是个模糊的概念。它目前仍是华为 Mate40 Pro+、OPPO Find X3 系列、一加 9 系列等极少数旗舰机的专属。
在控制畸变上，自由曲面镜头真的有宣传中那么神奇吗？其实现原理是怎样的？是否会影响超广角的透视感？这些将是本文重点探讨的话题。
在了解自由曲面镜头之前，我们需要先知道画面畸变是如何产生的。
首先要明确，镜头畸变是一种像差，对画面的清晰度并无影响。只是畸变的物体影响观感，也失去了真实度。
比如下图中，左侧的建筑物明显发生了变形，看起来地面仿佛不是平的。而右侧经过矫正的画面，才接近肉眼真实所见。
▲图片来自：ehabphotography
为什么会产生畸变现象呢？
我们知道，一枚镜头由若干个镜片（透镜）组成。光线经由各个透镜，最终到达传感器上，于是形成图像。
▲ 图片来自：Leica Rumors
不过，透镜的放大率会随着光束和主轴间所成角度的变化，而随之改变。简单来说，当光线与主轴正交通过时，一般不会产生畸变。光线离主轴越远，通过时角度越大，畸变就会越明显。
几乎所有镜头都无法避免畸变。常见的畸变可分为两种：桶形畸变和枕型畸变。
顾名思义，桶形畸变会导致直线向边缘凸起，看起来像是一个酒桶，多见于广角镜头。而枕型畸变会导致直线向内凹陷，形似抱枕，多见于长焦端。
比如我们用广角镜头合照时，常常会发生桶形畸变，导致非中心的人脸被拉伸变形，看起来胖了一圈。
▲ 左为桶形畸变示意，右为消除畸变后的样貌. 图片来自：dpreview
在传统摄影时代，消除畸变的方法，主要是利用 PS 等修图工具，进行畸变矫正。这往往能取得不俗的效果。
▲利用 PS 进行畸变矫正. 图片来自：youtube
但在手机摄影时代，人们更希望简化摄影的程序，减少后期修图的繁琐。于是手机厂商们开始钻研消除畸变的算法，力图在成片时自动修正畸变。
▲Google 防畸变算法展示. 图片来源：Google
直到去年秋季华为 Mate40 Pro+面世，为手机超广角镜头防畸变提供了一个新思路。
我们上文说了畸变的产生，主要是镜片系统的放大率差异造成的。那么从物理层面改进镜片的设计，无疑是一种有效的解法。
怎么改进呢？答案就是自由曲面设计。
如果你有高度近视，在配眼镜片的时候，应该有听说过自由曲面镜片。通过引入非轴对称、不规则、复杂的曲面，自由曲面镜片摆脱了传统镜片在高度数下，视场窄，周围变形、模糊的弊端。
▲ 蔡司自由曲面镜片. 图片来自：卡尔蔡司
这种镜片介于球面与非球面之间，其涉及的光学原理十分晦涩。我们需要知道的是，其不规则、自由的曲面，让不同角度光束在穿过主轴时，可以保持近似的放大率，最大程度地减少像差。
▲图片来自：cocoleni
简单来说，就是眼镜用户可以借助自由曲面镜片，看到更开阔、清晰的视界。同时镜片又轻又薄，可谓「集多重才华于一身」。
▲ 蔡司自由曲面镜片广告
不过，加工一块高精度的自由曲面镜片步骤复杂，成本高昂。一般存在于高端、定制的眼镜市场。比如蔡司高端的驾驶型镜片、渐进式镜片等，均有自由曲面的身影。
▲自由曲面镜片的制造流程
实际上，自由曲面镜片不止应用在眼镜行业，与光学相关的医疗、投影、印刷扫描等领域也有使用。而光学照明领域的应用更为广泛，自由曲面设计可显著增强照明的均匀性。
从上面的描述可以看出，自由曲面镜片对减少像差，即减弱畸变，有极佳的效果。对于饱受超广角畸变困扰的手机厂商来说，无疑是一个值得借鉴的设计。
不过，由于手机摄像头模组的体积有限，内部元器件堆叠复杂，所以对自由曲面镜片的设计与加工工艺，提出了很高的要求。
而华为 Mate40 Pro+，就是第一款「吃螃蟹的手机」，带来了「全球首款自由曲面镜头」。据其幕后设计者——杭州电子科技大学候昌伦博士透露，他们从 2018 年开始试验自由曲面镜头，反复验证后，终于有了两年后面世的 Mate40 Pro+。
2021 年，OPPO 和一加也相继带来了自由曲面镜头的手机，并当做重磅卖点反复宣传。比如一加刘作虎曾多次发微博赞美自由曲面镜头，称其可将畸变降到 1% 以内，是超广角的最佳搭档。
从宣传数据来看，似乎挺牛。不过实际效果怎么样，感知强不强，还是样张说了算。
以我使用了两个多月的一加 9 Pro 为例。如果以未掺杂算法的相机作为参照，一加 9 Pro 超广角控制畸变的能力，是显而易见的。
比如下图中，相机拍摄的电梯门框，桶状畸变十分明显，但一加 9 Pro 就没有这个问题。
▲ 左为全画幅相机使用 24mm 镜头拍摄，右为一加 9 Pro 拍摄
再如这个场景中，相机拍摄的电视边框，已经发生了明显的畸变，而一加 9 Pro 的照片，线条依旧平直。
▲左为全画幅相机使用 24mm 镜头拍摄，右为一加 9 Pro 拍摄
那么是否可以认为，自由曲面镜头能够完全消除桶状畸变呢？
答案是不一定。一是我们不确定一加 9 Pro 的超广角在拍摄时，防畸变算法有没有参与，或是参与了多少。也就是说，抑制畸变的功劳不一定全都是自由曲面镜头的。二是畸变很难被 100% 消除，只能降低至一定限度，让人眼不易察觉。
▲ 一加 9 Pro 超广角拍摄
或许我们可以换个思路，将一加 9 Pro 与纯算法防畸变的手机作对比，似乎就能知道自由曲面镜头的优势强不强烈了。
在与开启超广角畸变矫正算法的小米 11 Ultra 对比时，可以看到一加 9Pro 显然赢得了胜利。但这样比并不公平，因为小米 11 Ultra 超广角的焦段要更广，畸变理所当然会更严重。
▲ 左为小米 11 Ultra，右为一加 9 Pro. 图片来自：androidauthority
那么与焦段相对接近的 iPhone 12 Pro Max 相比呢？答案可能超乎意料。
我们先来看一下 iPhone 12 Pro Max 开启畸变矫正前后的照片。同样的场景，畸变矫正算法的加入让桶形畸变几乎不可见。
▲右图为畸变矫正算法开启状态
与一加 9 Pro 相比，即便 iPhone 12 Pro Max 的超广角视野更广一些，但凭借优秀的算法，其畸变并不明显。很难说前者畸变抑制的更好。
▲左为 iPhone 12 Pro Max，右为一加 9 Pro
再如下面这个场景，两者对畸变的抑制同样优秀，甚至纯算法的 iPhone 12 Pro Max 更胜一筹。一加 9 Pro 拍摄的墙壁边缘（红框所示），出现了轻微的畸变。
所以，在优秀的算法面前，自由曲面镜头防畸变的优势就没那么显眼了。从这个维度来看，自由曲面镜头的功效似乎被夸大了。
人们之所以使用超广角拍摄，不仅是为了按一下快门能记录更宽广的场景，还为了追求透视感带来的独特视觉享受。
比如将镜头向上拍摄树木或建筑，被摄物体看起来似乎马上要倾倒下来，有着强烈的视觉冲击力。这被称为透视形变（也有人称为线性畸变）。
▲ 图片来自：一加手机
尽管透视本质上也是一种形变，但这种形变符合自然规律和人眼真实所见。简单来说就是遵循「近大远小」的规律，它早在绘画艺术中被广泛应用，后来成为一种重要的摄影语言。
那么自由曲面镜头，会抑制透视的表现吗？
答案是不会。超广角镜头搭配自由曲面镜片，能对桶形畸变产生优秀的抑制效果，但不会消除透视变形。
如果想要消除透视变形，只能在拍摄时，将镜头平行于被摄物体放置。指望自由曲面镜头来消除，是不现实的。
经过上文的分析，你会发现自由曲面镜头好像没有宣传的那样神奇。抗畸变的效果与优秀算法难分高下，透视变形也不会被消除，所以它的意义在哪呢？
首先可以确定的是，通过光学硬件抑制畸变，理论上比软件算法更为稳定。尤其在拍摄视频时，算法实时矫正畸变比较困难，这时自由曲面镜片的硬件优势就显现出来了。
更重要的，则是自由曲面镜片轻巧的特性，为手机摄像头模组设计，带来了更多空间。
通过引入自由曲面，可以使光学系统的结构变得更紧凑，重量更轻，光学元件数量更少。所以在相似的体积下，自由曲面的应用，可以让摄像模组的空间利用率更高。
比如让 OPPO Find X3 系列和一加 9 Pro 系列的超广角，有机会采用 IMX 766 主摄级大底传感器，进一步增强成像质量。
不过，自由曲面镜头加工良率低，工艺复杂、设备昂贵，因此成本相对较高。目前搭载自由曲面镜头的手机还比较少，且只有畸变问题最严重的超广角才配享有。
可以预测，当自由曲面镜片的成本降低，无论是主摄镜头还是长焦镜头，都有可能会应用上自由曲面技术。抑制畸变的同时，还有更多空间堆砌光学系统。
就像现在手机厂商打出的「双主摄」、「三主摄」口号那样，或许不久后，我们就能看到「双自由曲面镜头」，甚至「三自由曲面镜头」的手机了。
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