靠走的計算變焦技術介紹

　　對焦基本靠手，變焦基本靠走，虛化基本靠抖，防抖基本靠肘，測光基本靠瞅，除塵基本靠口，模特基本沒有，全因鏡頭太狗。這是攝影圈里一句耳熟能詳的調侃語，可萬萬沒想到的是NVIDIA聯合加利福利亞大學拿出了真得靠走的計算變焦技術(Computational Zoom)。

　　鏡頭放大率與透視

　　嚴謹來說“變焦基本靠走“這個句話完全不對，變焦是指改變一個鏡頭的焦距長短，對于定焦定焦來說焦距是固定，不會因移動而改變，對于變焦鏡頭來說可調整焦距是一定范圍內，也不會因移動改變焦距范圍，移動改變的是鏡頭實時放大率。

　　鏡頭上標記的“4.5X”是指最高放大率

　　鏡頭放大率指膠片/傳感器表面所得影像大小與實物大小的比例，放大率有最大值，但無最小值。當相機不斷靠近被攝物時，被攝物所占畫面比例越來越大，意味著放大率不斷在提高，其效果就像通過鏡頭變焦提高遠處被攝物占據畫面空間的比例，所以有了“變焦基本靠走“這句話。

　　左：24mm定焦鏡頭，右：17-40mm變焦鏡頭

　　變焦除了讓遠處被攝物“變大“外，更重要的價值是用不同焦距的透視效果實現不同的表現效果。下圖是一張佳能官方制作的示意圖，通過對比能發現即使被攝物(人像)占據的畫面比例相近(放大率相近)下，人物形象與背景效果可以是千差萬別的。比如說在16mm下人像是一個”蛇精臉“，背景內容非常豐富，有一個近大遠小的透視效果;但在100mm下，人臉的立體感大幅度變小，背景內很小，畫面前后空間有一種被壓縮的感覺。NVIDIA聯合加利福利亞大學開發的計算變焦技術就是要在鏡頭焦距不變的情況下，通過”移動“相機、多次拍攝實現不同焦距的透視效果。

　　計算變焦

　　計算變焦關鍵是后期計算，但前期捕捉圖像信息同樣重要。在2017年里雙攝像頭是智能手機最火爆的功能，今天大部分雙攝像頭由一個廣角、一個中長鏡頭組成，成像時兩個鏡頭同時拍攝、中間區域重疊，通過后期處理合成，即可實現類光學變焦效果(見下圖)。這樣做好處是不用移動即可改變焦距，可缺點是變焦范圍非常小，今天雙攝智能手機只能實現2倍類光學變焦，而且要付出兩倍的硬件成本。

　　手機雙攝是通過視角差帶來圖像信息差異來計算出深度信息，模擬光學變焦的效果，那意味是否前后兩張圖像存在視角差、捕捉的圖像信息有差異也可以實現一樣效果呢?答案是肯定的，NVIDIA的計算變焦也是這樣的做。

　　即使焦距不變，在拍攝距離改變時也會帶來不同的透視效果，圖像信息跟隨改變。假若相機沿著相機與被攝物之間的連線運動，前后兩張拍攝的照片就會存在視角差，被攝物放大率、背景信息就會不同，通過計算就能獲得粗略的距離信息。假若運動時拍攝的照片數據足夠的多，距離信息就足夠精確，這樣得出整個場景不同景物的距離，就能實現高倍數的類光學變焦。

　　下圖是一張計算變焦后期處理的截圖，界面上有兩個FOV(視角)、兩個Depth(深度)參數可調，FOV用來控制被攝物與背景間的視野范圍，Depth用于控制不同被攝物的空間位置，四個參數結合就可以能夠實現變焦效果，而且變焦范圍非常之大。

　　計算變焦后期處理的截圖

　　由于知道照片中不同景物的距離信息，計算變焦也能實現雙攝一樣的大光圈焦外虛化效果?？膳c雙攝相比，計算變焦處理的照片數量大幅度增加，運算模式更為復雜，對處理器要求更高。因此NVIDIA是利用自家GPU進行處理的，憑借GPU強大并發處理能力滿足計算變焦的需要。

　　原圖

　　計算變焦+虛化處理的照片，超廣視角下虛化效果不是很明顯

　　無需增加額外的鏡頭、CMO傳感器成本，計算變焦能把定焦鏡頭變成變焦鏡頭，相信很多攝影師都會感動興奮。可以今天數碼相機運算能力進行計算變焦實在太吃力了，而且拍攝行動路徑也不是一直往前走，用計算變焦替代變焦鏡頭短時內無望，無人機、自動駕駛才是計算變焦真正用武之地。為了控制重量與兼顧畫質無人機大多采用大光的廣角定焦鏡頭，有了數字變焦無人機能輕松拍攝中長焦照片。在自動駕駛時利用數字變焦可計算出前方景物的距離，而且輸出的影像不僅視角寬廣、透視扁平化，就像人眼所看一樣，這非常利于AI、人眼基于影像判斷距離。(文章來自愛活網)