內(nèi)容提要：【鏡頭畸變】 熱度：9

一、什么叫鏡頭畸變

鏡頭畸變實(shí)際上是光學(xué)透鏡固有的透視失真的總稱，也就是因?yàn)橥敢曉蛟斐傻氖д妫@種失真對(duì)于照片的成像質(zhì)量是非常不利的，畢竟攝影的目的是為了再現(xiàn)，而非夸張，但因?yàn)檫@是透鏡的固有特性（凸透鏡匯聚光線、凹透鏡發(fā)散光線），所以無(wú)法消除，只能改善。高檔鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)以及用料考究，利用鏡片組的優(yōu)化設(shè)計(jì)、選用高質(zhì)量的光學(xué)玻璃（如螢石玻璃）來(lái)制造鏡片，可以使透視變形降到很低的程度。但是完全消除畸變是不可能的，最高質(zhì)量的鏡頭在極其嚴(yán)格的條件下測(cè)試，在鏡頭的邊緣也會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形和失真。

1、釋義

用廣角鏡頭拍攝的特寫照片，其中被攝對(duì)象的鼻子與面部的其它器官相比會(huì)顯得出奇的大。這就是用廣角鏡頭拍攝的很多照片所具有的一種透視畸變形式的特征。

這種失真發(fā)生的原因其實(shí)就是透視，正常透視，眾所周知，眼睛感覺(jué)遠(yuǎn)近的一種方法就是利用物體的相對(duì)大小，也就是“近大遠(yuǎn)小”。在攝影中，也是用相同方法表達(dá)透視關(guān)系的：平行的鐵軌會(huì)隨著我們向遠(yuǎn)處了望而顯得越來(lái)越靠近，直至匯聚成一點(diǎn)。這一現(xiàn)象的本質(zhì)就是鐵軌間的距離表面上看變小了。

透視的另一種表現(xiàn)，即物體越近，透視效果越強(qiáng)烈，比方說(shuō)，200名士兵排成一縱隊(duì)正在行進(jìn)。如果在距離前面士兵10英尺的地方觀看或拍攝隊(duì)伍，那么前面的士兵就會(huì)顯得比最后的士兵高大得多。但是，如果在遠(yuǎn)離前面士兵100米的地方觀看或拍攝同一支隊(duì)伍，第一個(gè)和最后一個(gè)士兵之間的大小差異就不會(huì)顯得那么大。

透視的這兩方面特征同樣適用于所有的鏡頭，即：

①被攝體越遠(yuǎn)，顯得越小。

②鏡頭離被攝體越遠(yuǎn)，被攝體外觀上的大小變化越小。

2、不同用途畸變

廣角鏡頭的透視畸變

那么為什么廣角鏡頭常常產(chǎn)生失真的透視關(guān)系，比如實(shí)例中怪異的鼻子的根源呢？因?yàn)槭褂脧V角鏡頭往往在非常接近被攝體的位置上進(jìn)行拍攝，拍攝距離越近，透視效果越強(qiáng)烈。

倘若是在相同的距離使用所有鏡頭進(jìn)行拍攝的話，廣角鏡頭并不會(huì)比任何一只其他鏡頭更歪曲透視。實(shí)際上，通過(guò)試驗(yàn)并不難證實(shí)這一點(diǎn)，使用不同焦距的鏡頭拍攝一排柱子或一排樹或是任何成排的對(duì)象，在相同的位置拍攝所有的照片，然后放大每一影像的相同部分，目的是在照片上得到同等大小的影像。最后，不管所用鏡頭的焦距如何，在任何一張照片上都不會(huì)看到透視方面存在任何的差異。原因是所有照片的拍攝距離都是相同的，即被攝體到鏡頭的距離都是相同的。

現(xiàn)在，讓我們回到特寫照片中大鼻子的問(wèn)題上來(lái)。人的鼻子尖距離照相機(jī)比面部的其他部分大約近1英寸。由于被攝體越近就會(huì)顯得越大，因此靠近拍攝時(shí)，鼻子就會(huì)顯得比面部其他部分不成比例的大。那么，為什么廣角鏡頭會(huì)使這種失真更為顯著呢？因?yàn)闉榱耸剐は癯錆M畫面，對(duì)于廣角鏡頭必須極為接近被攝對(duì)象。對(duì)于任何一種鏡頭，當(dāng)非常接近被攝體到一定程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種失真。越接近被攝體，失真越嚴(yán)重。正是由于希望被攝體充滿畫面，而恰恰進(jìn)入了廣角鏡頭的失真距離范圍。

遠(yuǎn)攝鏡頭的透視畸變

實(shí)際上，隨著被攝體的越來(lái)越遠(yuǎn)，透視畸變會(huì)變得越來(lái)越小，但卻開(kāi)始變得扁平，也就是失去層次和細(xì)節(jié)。相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)被攝體卻顯得像一個(gè)在另一個(gè)之上似的。這是一種反向畸變，在使用遠(yuǎn)攝鏡頭拍攝時(shí)時(shí)常出現(xiàn)。由于被攝體距離照相機(jī)非常遙遠(yuǎn)，從而產(chǎn)生了扁平的透視效果。

為什么這種情形經(jīng)常會(huì)在用遠(yuǎn)攝鏡頭拍攝的照片中看到呢？這是因?yàn)槭褂眠h(yuǎn)攝鏡頭時(shí)，拍攝距離往往更為遙遠(yuǎn)。事實(shí)上，在相同的距離處無(wú)論使用什么鏡頭都會(huì)產(chǎn)生這種失真。

3、分類

①枕形畸變

枕形畸變（Pincushion Distortion），又稱枕形失真，它是由鏡頭引起的畫面向中間“收縮”的現(xiàn)象。我們?cè)谑褂瞄L(zhǎng)焦鏡頭或使用變焦鏡頭的長(zhǎng)焦端時(shí)，最容易察覺(jué)枕形失真現(xiàn)象。特別是在使用焦距轉(zhuǎn)換器后，枕形失真便很容易發(fā)生。當(dāng)畫面中有直線（尤其是靠近相框邊緣的直線）的時(shí)候，枕形失真最容易被察覺(jué)。普通消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)的枕形失真率通常為0.4%，比桶形失真率低。與枕形失真相對(duì)的是桶形失真。

處理方法：可以利用鏡頭中間部分變形少解析度的圖畫構(gòu)圖，多留余量，后期通過(guò)PS裁切。

也可以使用軟件進(jìn)行矯正。

②桶形畸變

桶形畸變（Barrel Distortion），又稱桶形失真，是由鏡頭中透鏡物理性能以及鏡片組結(jié)構(gòu)引起的成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象。我們?cè)谑褂脧V角鏡頭或使用變焦鏡頭的廣角端時(shí)，最容易察覺(jué)桶形失真現(xiàn)象。當(dāng)畫面中有直線（尤其是靠近相框邊緣的直線）的時(shí)候，桶形失真最容易被察覺(jué)。普通消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)的桶形失真率通常為1%。與桶形失真相對(duì)的是枕形失真。

失真是由于光線的傾斜度大引起的，與球差和像散不同，失真不破壞光束的同心性，從而不影響像的清晰度。失真表現(xiàn) 在像平面內(nèi)圖形的各部分與原物不成比例?；兊那闆r與光闌的位置有關(guān)。

通常情況下，廣角鏡頭都有或多或少的桶形畸變，尤其是在變焦鏡頭的廣角端，這個(gè)問(wèn)題更是十分嚴(yán)重，很多大變焦比便攜式相機(jī)出于成本考慮，在這個(gè)方面更是有先天不足。

處理方法：可以使用軟件進(jìn)行矯正。比如PS當(dāng)中有個(gè)插件叫全景工具，可以有效的矯正失真部分。

③線性畸變

線性畸變（linear distortion），又叫線性失真。

當(dāng)試圖近距離拍攝高大的直線結(jié)構(gòu)，比如建筑物或樹木的時(shí)候,就會(huì)導(dǎo)致另外一種失真。假設(shè)使用的是廣角鏡頭，并且認(rèn)為只把照相機(jī)稍微向上瞄準(zhǔn)一點(diǎn)，就可以離得很近也能把整個(gè)結(jié)構(gòu)拍攝下來(lái)。但是由于實(shí)際上平行的線條顯得并不平行了，結(jié)果是建筑物或樹木好像要傾倒下來(lái)似的，這種失真現(xiàn)象被稱為線性畸變。

問(wèn)題出自于向上傾斜了照相機(jī)，鏡頭所瞄準(zhǔn)的方向?qū)е陆ㄖ锘驑淠镜膬蓚?cè)充當(dāng)了像典型鐵路軌道一樣的角色，即它們朝向中心匯聚并產(chǎn)生了正常的縱深透視。

如果攝影者是站在建筑物一面墻或樹木一側(cè)中部的靜點(diǎn)位置拍攝，那么上述這種透視關(guān)系看去并非不自然。但是，當(dāng)攝影者的位置偏離中心時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的兩側(cè)并不是以相同的角度匯聚，問(wèn)題就出現(xiàn)了。比如，有這么一面建筑物的墻，它的一個(gè)邊看上去直上直下的，而另外一個(gè)邊呈30°角，這樣拍出來(lái)的照片似乎是金字塔而決非是什么摩天大樓。

這種問(wèn)題不僅僅是出現(xiàn) 在廣角鏡頭上，如果拍攝角度相同，任何一只鏡頭都會(huì)產(chǎn)生線性畸變。只是由于廣角鏡頭使得線條的傾側(cè)更明顯，讓這一現(xiàn)象更為顯著罷了。

怎樣解決這種問(wèn)題呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單，只需要使照相機(jī)背部與所拍攝的建筑物正面平行即可。如果拍攝不到整個(gè)建筑物的話，要么換用更廣角的鏡頭，要么向后移動(dòng)。

另一個(gè)線性畸變問(wèn)題的解決方案是使用機(jī)背取景照相機(jī)。這種照相機(jī)可以上下或左右移動(dòng)鏡頭，從而使所拍攝物體的正面與位于固定位置的膠片保持平行。這也是建筑攝影師幾乎總是使用機(jī)背取景照相機(jī)的原因。

二、相機(jī)的畸變模型

相機(jī)的針孔模型，只是真實(shí)相機(jī)的一個(gè)近似，由于存在各種鏡頭的畸變和變形，所以真實(shí)的相機(jī)要比模型復(fù)雜的多。在引入各種非線性的畸變修正之后，就形成看復(fù)雜的非線性成像模型。鏡頭的畸變主要分為徑向畸變、離心畸變和薄棱鏡畸變?nèi)悺?/p>

1、徑向畸變

定義：使像點(diǎn)產(chǎn)生徑向位置的偏差。徑向畸變又分為正向畸變和負(fù)向畸變，正向畸變稱為枕形畸變，負(fù)向畸變稱為桶形畸變；

特點(diǎn)：由鏡頭的形狀缺陷所造成的畸變，關(guān)于相機(jī)主光軸對(duì)稱。

其中，為像點(diǎn)到中心店的距離；為徑向畸變系數(shù)。

2、離心畸變

定義：光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)中心和幾何中心不一致（鏡頭各器件的光學(xué)中心）所造成的畸變；

特點(diǎn)：既包含徑向畸變，又包含鏡頭主光軸不對(duì)稱多造成的切向畸變。

3、薄棱鏡畸變

定義：鏡頭設(shè)計(jì)缺陷與加工安裝誤差所造成；

特點(diǎn)：同時(shí)引起徑向畸變和切向畸變，高價(jià)位鏡頭可以忽略薄棱鏡畸變。