100 倍變焦如何做到?詳細解析三星 Galaxy S20 Ultra 混合式光學變焦的運作原理

作者 | 發布日期 2020 年 02 月 13 日 8:30 | 分類 Android 手機 , Samsung , 手機 follow us in feedly


本次三星 Galaxy S20 Ultra 搭載「1 億 800 萬畫素」及「100 倍變焦」功能,雙雙創下智慧手機的里程碑。強悍規格的背後,令人好奇的是,三星如何做到的?

硬體趨近極限同時,智慧手機鏡頭紛紛嘗試往更多元的方向發展,例如多鏡頭應用性、演算法提升的夜景拍攝能力、運用景深鏡頭打造的散景虛化能力,以及更高倍的變焦倍率。相較過往機種,三星 Galaxy S20 Ultra 搭載破格的 100 倍混合式光學變焦功能,這令人額外關注 S20 Ultra 的相機配置。

首先概略複習一下 S20 Ultra 的相機配置,鏡頭分別如下:

  • 廣角主鏡頭:1 億 800 萬畫素、79 度視角、光圈 F1.8。
  • 超廣角鏡頭:1,200 萬畫素、120 度視角、光圈 F2.2。
  • 望遠鏡頭:4,800 萬畫素、24 度視角、光圈 F3.5。

雖然看似雷同,但 S20 Ultra 其實更新了全部鏡頭

雖然倍率相同,但廣角鏡與超廣角鏡部分皆與上一代 S10 系列有差,首先是超廣角鏡頭部分,前一代旗艦 S10/S10+ 的超廣角鏡頭視角為 123 度,此次 S20/S20+/S20 Ultra 為 120 度,雖然倍率同樣都是主鏡頭 0.5 倍。廣角主鏡頭方面亦有調整,S10 系列採用 F1.5/F2.4 的可變光圈式設計(雙光圈模式),S20 系列主鏡頭光圈統一改為 F1.8。

此外,廣角主鏡頭鏡頭視角也有微幅縮減,S10 系列主鏡頭視角為 77 度視角(相當於全幅等效 26mm),S20 系列主鏡頭視角為 79 度(相當於全幅等效 27mm)。雖然規格有微幅差距,但實際運用並不會感到明顯差異,可視為相當雷同的功能。

關鍵的望遠鏡頭

當然,最令人感興趣的還是首度搭載的望遠鏡頭,這顆鏡頭具備最遠 100 倍變焦的實力。先來回顧一下規格:4,800 萬畫素、24 度視角、光圈 F3.5。雖然原廠沒有給確定數據,不過經由視角換算,可得知鏡頭視角 24 度相當於全幅等效焦距 100mm。

也就是說,S20 Ultra 的四鏡頭可視為搭載 3 顆定焦鏡與景深鏡頭的協同運作成果,焦段分別是 13mm、27mm、100mm,其中 27~100mm 約可視為 4 倍變焦,這也符合 S20 Ultra 相機介面的操作邏輯,變焦倍率選擇鈕分別有 0.5、1.0x、2.0x、4.0x、10x、30x、100x。

為何光圈是 F3.5?

至於望遠鏡頭光圈 F3.5 會否太小?其實這是光學原理下必然的成果,因為光圈的光學公式為:

實體焦距 ÷ 光通孔徑=光圈(F 值)

其中光通孔徑與鏡頭尺寸成正相關,一般而言光通孔徑較大的鏡頭,鏡片也會較大。白話一點說,公式的意涵是,當鏡頭光通孔徑不變時(可約略理解為體積不變),焦距提升、光圈勢必會縮減,若要維持相同光圈,鏡頭體積勢必大幅提升,這也解釋了為什麼望遠鏡頭尺寸大多較大的原因。

可將目前整理出的規格製成以下簡表:

然而,S20 Ultra 如何在視角 24 度(約全幅等效焦距 100mm)的鏡頭做到 100 倍變焦?關鍵在於這顆鏡頭是 4,800 萬畫素,具備更多可用畫素因應 AI 運算及裁切需求。

100 倍變焦如何做到?

舉例來說,一般狀況下可透過裁切照片達到近似光學變焦的效果,當然以技術面來說,「裁切」並不會改變鏡頭焦距,鏡頭透視也會相同(因透視主要與距離有關),但裁切可改變視角,因此若忽視物理光學效應,例如不計入實體焦距的景深效果,並忽視畫素損失造成的畫質差異,那麼裁切確實可達成一部分站在原地光學變焦的效果。

因此,雖然 S20 Ultra 的望遠鏡頭等效焦距為 100mm,但使用 4,800 萬高畫素感光元件,透過裁切及 AI 運算,仍可支援最高 100 倍的變焦倍率。

所以,現在你知道為何 S20 Ultra 的 100 倍變焦會稱為「混合光學變焦」及「AI 超高解析度變焦」了吧?它有光學變焦成分,但也並非完全仰賴光學變焦,仍有包括數位變焦機制。

講這麼多,不就是數位變焦嗎?

這麼說也不完全正確,發表會時筆者實際測試 S20 Ultra 的 100 倍變焦功能,運作邏輯是這樣的:4 倍變焦後的倍率會啟動望遠鏡頭,4 倍變焦前的倍率仍使用 1 億 800 萬畫素的主鏡頭完成拍攝需求。

簡單計算一下,S20 Ultra 的望遠鏡頭是 4,800 萬畫素,而從 4~100 倍無論哪個變焦倍率,S20 Ultra 皆可輸出 1,200 萬畫素的望遠照片。4800÷1200=4,換言之望遠鏡頭在 4 倍倍率內都是「無損變焦」。別忘了,望遠鏡頭本身起始倍率就是 4 倍,4×4=16,因此可獲知 S20 Ultra 在 16 倍變焦之前確實可做到無損變焦。

若要獲得最佳畫質?

因此,如果是畫質控,不考慮望遠端手震、遠距離空氣散射等會讓畫質減損的前提下,望遠鏡頭在 16 倍以前的變焦倍率畫質都維持幾乎無損。但 16 倍以上的變焦倍率呢?這就要靠數位變焦及 AI 運算的功力了。

(本文由 T客邦 授權轉載;首圖來源:三星

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