镜头的畸变

石鑫华视觉

解释

一般来说，镜头畸变实际上是光学透镜固有的透视失真的总称，也就是因为透视原因造成的失真，这种失真对于照片的成像质量是非常不利的，毕竟摄影的目的是为了再现，而非夸张，但因为这是透镜的固有特性（凸透镜汇聚光线、凹透镜发散光线），所以无法消除，只能改善。高档镜头光学设计以及用料考究，利用镜片组的优化设计、选用高质量的光学玻璃（如萤石玻璃）来制造镜片，可以使透视变形降到很低的程度。但是完全消除畸变是不可能的，目前最高质量的镜头在极其严格的条件下测试，在镜头的边缘也会产生不同程度的变形和失真。
用广角镜头拍摄的特写照片，其中被摄对象的鼻子与面部的其它器官相比会显得出奇的大。这就是用广角镜头拍摄的很多照片所具有的一种透视畸变形式的特征。
　　这种失真发生的原因其实就是透视，正常透视，众所周知，眼睛感觉远近的一种方法就是利用物体的相对大小，也就是“近大远小”。在摄影中，也是用相同方法表达透视关系的：平行的铁轨会随着我们向远处了望而显得越来越靠近，直至汇聚成一点。这一现象的本质就是铁轨间的距离表面上看变小了。
　　透视的另一种表现，即物体越近，透视效果越强烈，比方说，200名士兵排成一纵队正在行进。如果在距离前面士兵10英尺的地方观看或拍摄队伍，那么前面的士兵就会显得比最后的士兵高大得多。但是，如果在远离前面士兵100米的地方观看或拍摄同一支队伍，第一个和最后一个士兵之间的大小差异就不会显得那么大。
　　透视的这两方面特征同样适用于所有的镜头，即：
　　1． 被摄体越远，显得越小；
2． 镜头离被摄体越远，被摄体外观上的大小变化越小。

                               
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畸变原理

不同用途的镜头的透视畸变

广角镜头的透视畸变

　　那么为什么广角镜头常常产生失真的透视关系，比如实例中怪异的鼻子的根源呢？因为使用广角镜头往往在非常接近被摄体的位置上进行拍摄，拍摄距离越近，透视效果越强烈。
　　倘若是在相同的距离使用所有镜头进行拍摄的话，广角镜头并不会比任何一只其他镜头更歪曲透视。实际上，通过试验并不难证实这一点，使用不同焦距的镜头拍摄一排柱子或一排树或是任何成排的对象，在相同的位置拍摄所有的照片，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，不管所用镜头的焦距如何，在任何一张照片上都不会看到透视方面存在任何的差异。原因是所有照片的拍摄距离都是相同的，即被摄体到镜头的距离都是相同的。
　　现在，让我们回到特写照片中大鼻子的问题上来。人的鼻子尖距离照相机比面部的其他部分大约近1英寸。由于被摄体越近就会显得越大，因此靠近拍摄时，鼻子就会显得比面部其他部分不成比例的大。那么，为什么广角镜头会使这种失真更为显著呢？因为为了使肖像充满画面，对于广角镜头必须极为接近被摄对象。对于任何一种镜头，当非常接近被摄体到一定程度时，就会产生这种失真。越接近被摄体，失真越严重。正是由于希望被摄体充满画面，而恰恰进入了广角镜头的失真距离范围。
远摄镜头的透视畸变

　　实际上，随着被摄体的越来越远，透视畸变会变得越来越小，但却开始变得扁平，也就是失去层次和细节。相距很远的两个被摄体却显得像一个在另一个之上似的。这是一种反向畸变，在使用远摄镜头拍摄时时常出现。由于被摄体距离照相机非常遥远，从而产生了扁平的透视效果。
为什么这种情形经常会在用远摄镜头拍摄的照片中看到呢？这是因为使用远摄镜头时，拍摄距离往往更为遥远。事实上，在相同的距离处无论使用什么镜头都会产生这种失真。
镜头畸变的分类枕型畸变

                               
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枕形畸变(枕形失真)

　　枕形畸变（Pincushion Distortion），又称枕形失真，它是由镜头引起的画面向中间“收缩”的现象。我们在使用长焦镜头或使用变焦镜头的长焦端时，最容易察觉枕形失真现象。特别是在使用焦距转换器后，枕形失真便很容易发生。当画面中有直线（尤其是靠近相框边缘的直线）的时候，枕形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的枕形失真率通常为0.4%，比桶形失真率低。与枕形失真相对的是桶形失真。
　　处理方法：可以利用镜头中间部分变形较少的图画构图，多留余量，后期通过PS裁切。也可以使用软件进行矫正。
桶形畸变

  

                               
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桶形畸变(桶形失真)

　　桶形畸变（Barrel Distortion），又称桶形失真，是由镜头中透镜物理性能以及镜片组结构引起的成像画面呈桶形膨胀状的失真现象。我们在使用广角镜头或使用变焦镜头的广角端时，最容易察觉桶形失真现象。当画面中有直线（尤其是靠近相框边缘的直线）的时候，桶形失真最容易被察觉。普通消费级数码相机的桶形失真率通常为1%。与桶形失真相对的是枕形失真。
　　失真是由于光线的倾斜度大引起的，与球差和像散不同，失真不破坏光束的同心性，从而不影响像的清晰度。失真表现在像平面内图形的各部分与原物不成比例。畸变的情况与光阑的位置有关。
　　通常情况下，广角镜头都有或多或少的桶形畸变，尤其是在变焦镜头的广角端，这个问题更是十分严重，很多大变焦比便携式相机出于成本考虑，在这个方面更是有先天不足。
　　处理方法：可以使用软件进行矫正。比如PS当中有个插件叫全景工具，可以有效的矫正失真部分。
线性畸变

  

                               
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线性畸变

　　线性畸变（linear distortion），又叫线性失真。
　　当试图近距离拍摄高大的直线结构，比如建筑物或树木的时候,就会导致另外一种失真。假设使用的是广角镜头，并且认为只把照相机稍微向上瞄准一点，就可以离得很近也能把整个结构拍摄下来。但是由于实际上平行的线条显得并不平行了，结果是建筑物或树木好像要倾倒下来似的，这种失真现象被称为线性畸变。
　　问题出自于向上倾斜了照相机，镜头所瞄准的方向导致建筑物或树木的两侧充当了像典型铁路轨道一样的角色，即它们朝向中心汇聚并产生了正常的纵深透视。
　　如果摄影者是站在建筑物一面墙或树木一侧中部的静点位置拍摄，那么上述这种透视关系看去并非不自然。但是，当摄影者的位置偏离中心时，由于结构的两侧并不是以相同的角度汇聚，问题就出现了。比如，有这么一面建筑物的墙，它的一个边看上去直上直下的，而另外一个边呈30°角，这样拍出来的照片似乎是金字塔而决非是什么摩天大楼。
　　这种问题不仅仅是出现在广角镜头上，如果拍摄角度相同，任何一只镜头都会产生线性畸变。只是由于广角镜头使得线条的倾侧更明显，让这一现象更为显著罢了。
　　怎样解决这种问题呢？其实很简单，只需要使照相机背部与所拍摄的建筑物正面平行即可。如果拍摄不到整个建筑物的话，要么换用更广角的镜头，要么向后移动。
　　另一个线性畸变问题的解决方案是使用机背取景照相机。这种照相机可以上下或左右移动镜头，从而使所拍摄物体的正面与位于固定位置的胶片保持平行。这也是建筑摄影师几乎总是使用机背取景照相机的原因。