100倍变焦是如何做到的？详解三星S20 Ultra混合式光学变焦

本次Samsung Galaxy S20 Ultra搭载了“1亿800万像素”以及“100倍变焦”功能，双双创下了智能手机的里程碑。在强悍配置的背后，也令我们好奇的是，三星是如何做到的？

在硬件趋于极限的同时，智能手机镜头也纷纷尝试往更多样的方向发展，例如多镜头的应用性、算法提升的夜景拍摄能力、运用景深镜头打造的散景虚化能力，以及更高倍的变焦倍率。相较于以往的机型，Smasung Galaxy S20 Ultra搭载了破格的100倍混合式光学变焦功能，这也令我们额外关注S20 Ultra的相机配置。

首先我们还是概略复习一下S20 Ultra的相机配置（S20 Ultra详细报道可见：一百倍变焦、1亿800万像素登场！Samsung Galaxy S20 Ultra正式发布），镜头分别如下：

虽然倍率相同，但广角镜与超广角镜部分皆与上一代S10系列有所差别，首先是超广角镜头部分，前一代旗舰S10／S10+ 的超广角镜头其视角为123度，而此次S20／S20+／S20 Ultra则为120度，虽然倍率同样都是主镜头的0.5倍。广角主镜头方面也有所调整，上一代S10系列采用的是F1.5／F2.4的可变光圈式设计（双光圈模式），S20系列主镜头光圈则统一改为F1.8。

此外，广角主镜头镜头视角也有微幅缩减，S10系列主镜头视角为77度视角（相当于全幅等效26mm），S20系列主镜头视角则为79度（相当于全幅等效27mm）。虽然配置有微幅差距，但实际运用上并不会感到明显的差异，可视为相当雷同的功能。

Samsung S20 Ultra搭载了惊人的100倍变焦拍摄功能。

当然，我们最感兴趣的还是首度搭载的望远镜头，这颗镜头具备最远100倍变焦的实力。我们先来回顾一下它的配置：4800万像素、24度视角、光圈F3.5。虽然原厂没有给出数据，不过经由视角换算，我们可以得知镜头视角24度相当于全幅等效焦距100mm。

也就是说，S20 Ultra的四镜头可视为搭载了三颗定焦镜与景深镜头的协同运行成果，焦段分别是13mm、27mm、100mm，其中27mm～100mm约可视为4倍变焦，这也符合了S20 Ultra相机接口的操作逻辑，变焦倍率选择钮分别有0.5、1.0x、2.0x、4.0x、10x、30x、100x。

S20 Ultra的望远镜头位于左下方，采用潜望式设计。

潜望设计的涵义是，将镜头镜片与光学组件横置纳入机身，再利用棱镜折射/反射来缩减镜头体积。

至于望远镜头光圈F3.5是否会太小？其实这是光学原理下必然的成果，因为光圈的光学公式为：

其中光通孔径与镜头尺寸成正相关，一般而言光通孔径较大的镜头，其镜片也会较大。白话一点来说，以上这公式的涵义是，当镜头光通孔径不变时（可约略理解为体积不变），焦距提升、光圈势必会缩减，若要维持相同的光圈，镜头体积势必需要大幅提升，这也解释了为什么望远镜头尺寸大多较大的原因。

我们可以将目前整理而成的配置制成以下简表：

然而，S20 Ultra是如何在视角24度（约相当于全幅等效焦距100mm）的镜头上实现100倍变焦的呢？关键在于这颗镜头是4800万像素，它具备更多的可用像素来因应AI运算以及裁切需求。

举例来说，在一般状况下我们可以通过裁切照片来达到近似于光学变焦的效果，当然以技术面来说，“裁切”并不会改变镜头焦距，镜头透视也会是相同的（因为透视主要与距离有关），但裁切可以改变视角，因此若我们忽视物理光学效应，例如不计入实体焦距带来的景深效果，并忽视像素损失造成的画质差异，那么裁切确实可以完成一部分站在原地光学变焦的效果。

因此，虽然S20 Ultra的望远镜头等效焦距为100mm，但使用4,800万的高像素感光组件，通过裁切以及AI运算，仍然可以支持最高100倍的变焦倍率。

所以，现在你知道为何Samsung S20 Ultra的100倍变焦会被称作是“混合光学变焦”以及“AI超高分辨率变焦”了吧？它有光学变焦的成分在内，但也并非完全依赖光学变焦，仍然有数字变焦的机制在内。

这么说也不完全正确，在本次发布会上笔者实际测试了S20 Ultra的100倍变焦功能，它的运行逻辑是这样的，在4倍变焦之后的倍率会启动望远镜头，4倍变焦之前的倍率仍会使用1亿800万像素的主镜头来完成拍摄需求。

我们来做一个简单的计算，S20 Ultra的望远镜头是4,800万像素，而从4倍～100倍之间无论是哪个变焦倍率，S20 Ultra皆可输出1,200万像素的望远照片。4,800÷1,200 = 4，换言之望远镜头在4倍的倍率之内都是“无损变焦”的。但别忘了，望远镜头本身的起始倍率就已经是四倍，4 x 4 = 16，因此可获知S20 Ultra在16倍变焦之前都确实可以做到无损变焦。

因此，如果是画质控的话，在不考虑望远程手震、远距离空气散射等等会让画质减损的前提下，望远镜头在16倍以前的变焦倍率画质都可维持几乎无损。但在16倍以上的变焦倍率呢？这就要靠数字变焦以及AI运算的功力了。