手機攝影鏡頭強化

本文主要說明平價智慧型手機攝影鏡頭的加強原理及方法。

一、前言

目前的智慧型手機大多都有多個鏡頭，平價智慧型手機也不例外，但平價手機沒有任何光學放大功能，頂多有影像2倍數位變焦無損放大功能，只有少數高階手機有2倍至10倍光學影像變焦放大功能。

然而，數位變焦影像放大功能是依靠軟體模擬而出，所以容易造成嚴重失真、畫質模糊等現象。特別是鏡頭沒有蔡司（Zeiss）、徠卡（Leica）、哈蘇（Hasselblad）等高檔鏡片加持的平價中低階手機，畫質更是一般般。雖然有的影像畫質看起來似乎還不錯，但卻經不起放大欣賞，如下圖。

二、發展

目前智慧型手機長焦鏡頭的技術發展日新月異，諸如「5倍無損變焦」、「10倍無損變焦」、「10倍光學變焦」及「100倍混合變焦」等技術皆已相繼問世。

西元2017年2月，OPPO率先推出號稱採用「5倍無損變焦技術」的「潛望鏡結構相機」。但實際上，這個技術卻是以2倍光學+2.5倍無損數位變焦混合構成，並非真正的5倍光學變焦。

目前具備2倍光學變焦（Optical zoom）鏡頭的智慧型手機如：

• Oppo R11 （2017.06）
• Sony Xperia 1 (Zeiss)（2019.05）
• APPLE iPhone 11 Pro Max（2019.09）
• APPLE iPhone 12 Pro Max（2.5倍）（2020.09）
• Sony Xperia Pro-i（2.1倍）（2021.10）
• Oppo Find X5 Pro（Hasselblad）（2022.02）
• Sony Xperia 10 IV (Zeiss)（2022.05）

目前具備3倍光學變焦鏡頭的智慧型手機如：

西元2020年2月，Samsung推出號稱採用「10倍混和變焦技術」的「潛望鏡結構相機」。但實際上，這個技術卻是以4倍光學+2.5-3倍無損數位變焦混合構成，並非真正的10倍光學變焦。

目前具備4倍光學變焦鏡頭的智慧型手機如：

• Samsung Galaxy S20 ultra（2020.02）
• Sony Xperia 1 III (Zeiss)（2021.04）
• Google Pixel 6 pro（2021.10）

西元2019年2月，OPPO率先推出號稱採用「10倍無損變焦技術」的「潛望鏡結構相機」。但實際上，這個技術卻是以5倍光學+2倍無損數位變焦混合構成，並非真正的10倍光學變焦。

西元2020年2月，OPPO率先推出號稱採用第二代「10倍無損變焦技術」的「潛望鏡結構相機」。

目前具備5倍光學變焦鏡頭的智慧型手機如：

西元2021年1月，Samsung推出「10倍光學變焦」鏡頭的Galaxy S21 Ultra 智慧型手機。

目前具備10倍光學鏡頭的智慧型手機如：

• Samsung Galaxy S21 ultra（2021.01）
• Samsung Galaxy S22 ultra（2022.02）

可知目前3-5倍光學影像放大，是目前高階智慧型手機長焦鏡頭的主流規格。而高階智慧型手機的攝影鏡頭規格之高，對於平價的中低階手機而言，似乎已遙不可及。

三、假設

所以，筆者設計了幾種方案，來加強平價手機的光學鏡頭。

如筆者目前的智慧型手機為VIVO Y72 5G，在相機配置方面，為後置6,400萬畫素主鏡頭+800萬畫素廣角/景深鏡頭+200萬畫素微距鏡頭，內建2倍無損數位變焦+5倍模擬數位變焦，也就是10倍數位變焦，搭載聯發科天璣700八核心處理器，8GB RAM + 128GB ROM，單機價格為NT$10,490。不過，其中的6,400萬畫素的主鏡頭為不可變焦，支援2X5數位變焦的主鏡頭，實際上只有1,600萬畫素。

VIVO的高階智慧型手機為 X80 pro 5G，在相機配置方面，為後置5,000萬畫素主鏡頭+1,200萬畫素超廣角鏡頭+1,200萬畫素2倍光學人像鏡頭+ 800萬畫素的「5倍光學長焦鏡頭」，數位變焦為20倍，採用蔡司（Zeiss）鍍膜鏡片，搭載新一代驍龍8處理器，若選擇基本規格的8GB RAM + 128GB ROM，價格約為NT$25,000元。

具備「10倍光學鏡頭」的機皇Samsung Galaxy S22 Ultra （12GB RAM+256GB ROM），單機價格則為NT$38,900元。

新推出的iPhone 14 Pro Max （256GB），單機價格甚至要NT$42,400元。

若在較低階的VIVO Y72 5G 只可數位變焦1600萬畫素主鏡頭，額外加裝4-6倍的光學望遠鏡頭，是否就能得到(2X無損變焦)(4-6X光學變焦)=4-12X的影像放大效果，並得到接近高階智慧型手機的無損攝影畫質呢？請見以下實驗說明。

四、實驗

智慧型手機加裝增距鏡及望遠鏡等設備，雖可有效放大影像，但仍會有畫質耗損等問題存在。而高階手機大多已經採用AI運算，來補償數位放大變焦功能造成的畫質不佳，所以，本實驗方案並不期待能夠勝過高階智慧型手機的整體攝影畫質優化能力，只是期待效果能勝過手機內建的數位放大變焦功能。

筆者共規劃出四種不同加強方案，分別為2X、4X、5X及25X。當然，在5X到25X之間，還有7-20X漸進變焦望遠鏡或6倍、8倍、10倍、12倍、18倍等固定倍數望遠鏡可選擇，但是，依據筆者實際經驗：

鏡頭倍數高低與使用頻率通常為反比

也就是說，高倍數望遠鏡的使用機率較低，所以此實驗方案，以低倍數鏡頭為主。

此次實驗的目標，為遠方一大樓頂端的標誌，直線距離約500公尺，如下圖。

影像中間的小紅圈，即是此次實驗的拍攝目標，目測約只有2mm。實驗方案各別簡述如下：

方案一、2倍增距鏡

一般智慧型手機大都使用37mm 2X增距鏡，價格約為NT$320-900元之間，37mm手機夾約$50元，合計約NT$370-950元，但此方案中筆者使用的，是手邊就有的49mm 2X增距鏡，價格約為NT$580元，預期效果(鏡2X)(機2X5)=2-20倍。安裝後外觀如下方左圖，目標物放大2倍如下方中圖，手機調焦影像放大10倍後如下方右圖。

很顯然，要拍攝500公尺遠的目標物，只用一個2X增距鏡，即便手機數位變焦放大開到10倍，也是不夠的。也就是說，2X增距鏡只適合拍攝250公尺以內的目標物。若要得到更好的畫質，最好拍攝100公尺以內的目標物，才能降低數位放大變焦的使用。

方案二、4倍小望遠鏡

在此方案中，筆者選擇的是一款4倍賞畫小望遠鏡，單價$1430，轉接架$250，合計NT$1,680元，預期效果(鏡4X-∞)(機2X5)=4-40X倍。安裝後外觀如下方左圖，目標物放大4倍如下方中圖，手機調焦影像放大9.3倍後如下方右圖。

拍攝500公尺遠的目標物，外接一個4X小望遠鏡，手機也必須要將數位變焦放大開到9.3倍才足夠。也就是說，外接4X小望遠鏡若要盡量減少使用數位放大變焦，最好拍攝250公尺以內的目標物。

方案三、5倍增距鏡

在此方案中，筆者選擇的是37mm 5X增距鏡，價格約為NT$770元，37mm手機夾約$50元，合計約NT$820元，預期效果(鏡5X)(機2X5)=5-50倍。安裝後外觀如下方左圖，目標物放大5倍如下方中圖，手機調焦影像放大7.9倍後如下方右圖。

拍攝500公尺遠的目標物，外接一個5X增距鏡，手機也必須要將數位變焦放大開到7.9倍才足夠。也就是說，外接5X增距鏡若要盡量減少使用數位放大變焦，最好拍攝250公尺以內的目標物。

方案四、25倍望遠鏡

在此方案中，筆者選擇的是25X-75X賞鳥望遠鏡，價格約NT$1,600，預期效果(鏡25X)(機2X5)=25-250倍。安裝後外觀如下方左圖，目標物放大25倍如下方中圖，手機調焦影像放大2倍後如下方右圖。

拍攝500公尺遠的目標物，外接一個25X望遠鏡，手機只要將數位變焦放大開到2倍就可以。也就是說，外接25X望遠鏡拍攝500公尺的目標物，無需使用任何模擬數位變焦放大功能，正好可以得到最佳畫質。

五、差異

方案二、方案三及方案四，分別使用不同倍數的手機內建影像放大功能拍攝，結果如下圖。

若只是從這三個目標物的影像來判斷，三者除了大小略有差異之外，畫質上的差異似乎不大。然而，此三個方案的設備價格截然不同，必定會有差異存在，若將影像局部放大截取進行比較，應該就能了解三者的差異所在，如下圖。

依據上圖，筆者歸納出以下兩點：

要點一：數位變焦嚴重影響畫質

此三個方案，當然以方案四25X望遠鏡的影像畫質為最佳，使用較多數位變焦的方案二、方案三，與完全沒有使用數位變焦的方案四，一經放大比較之後，無論在對焦準度及畫質上，均有明顯差異。

要點二：鏡片優劣嚴重影響畫質

方案三的五倍增距鏡雖然光學放大功能較方案二強些，使用數位變焦的倍數也較方案二少些，但由於兩者的價格相差一倍以上，而價格高低主要就反應在鏡片上，所以方案二的4倍小望遠鏡，無論在畫質及對焦準度上，反而都勝過方案三的5倍增距鏡。也就是說，不能只是一味追求光學放大倍數，在鏡片的質量方面也必須講究，方能達到預期的畫質提升效果。

六、公式

筆者以第四方案為基礎，更精確的推論出拍攝距離與鏡頭放大倍數的關係如下：

• 若要拍攝50公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接2X增距鏡，以得到2X2=4倍無損放大效果。
• 若要拍攝75公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接4X望遠鏡，以得到4X2=8倍無損放大效果。
• 若要拍攝125公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接6X望遠鏡，以得到6X2=12倍無損放大效果。
• 若要拍攝250公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接12X望遠鏡，以得到12X2=24倍無損放大效果。
• 若要拍攝350公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接18X望遠鏡，以得到18X2=36倍無損放大效果。
• 若要拍攝500公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接25X望遠鏡，以得到25X2=50倍無損放大效果。
• 若要拍攝750公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接38X望遠鏡，以得到38X2=76倍無損放大效果。
• 若要拍攝1000公尺遠的微小目標物，且盡量不使用任何數位放大變焦以得到畫質最佳作為前提，至少需要外接50X望遠鏡，以得到50X2=100倍無損放大效果。

但此推論有些複雜不易計算，且不一定能套用到其他手機，所以筆者設計出簡易計算公式，請見拙著《手機攝影：全新的知識與技術》。

以上方案僅供參考，請依實際狀況自行斟酌使用，費用估算未包含相機腳架及360度手機架。

此外，透過本次光學鏡頭加強方案實驗也可發現，外接鏡頭除了會耗損畫質之外，也不易隨時隨身攜帶，拍攝前還必須先組裝，大多情況甚至必須使用腳架。此外，還會產生不同範圍的影像限制問題，特別是在方案三中外接5倍增距鏡後，螢幕上黑色部分所佔比例最大，若未搭配手機本身主鏡頭的放大變焦功能來輔助，根本無法呈現拍攝目標的影像。

相信日後具備10X光學鏡頭，及100倍混合變焦功能的高階智慧型手機款式，只會越來越多，並且隨著鏡頭設計及影像AI功能的不斷進步，需要外接鏡頭的機率，只會越來越低。

但是，對於中低階平價的智慧型手機而言，外接4-6倍、4-8倍、4-10倍或4-12倍光學望遠鏡，仍是不錯的畫質提升解決方案。

七、後記

事實上，Samsung 及Sony 早在9年前就曾推出過「10倍光學變焦」智慧型手機攝影解決方案：

西元2013年6月，Samsung推出後置1,600萬畫素「10倍光學變焦」伸縮鏡頭的Galaxy S4 zoom 智慧型手機。

西元2013年9月，Sony 推出1,820萬畫素「10倍光學變焦」智慧型手機外掛式相機Cyber-shot DSC-QX10。

西元2014年9月，Sony 推出2,010萬畫素「2倍清晰變焦」可換鏡頭E環「鏡頭式相機」ILCE-QX1。以及2,010萬畫素「30倍光學變焦」智慧型手機外掛式相機Cyber-shot DSC-QX30。

西元2015年2月，奧林巴斯（OLYMPUS）推出1,600萬畫素可換鏡頭M43系統「鏡頭式相機」Air A01。

西元2016年9月，摩托（Moto）發表智慧型手機Moto Z及外接「10倍光學變焦」哈蘇（Hasselblad）鏡頭相機模組。

只不過這些方案，並未獲得廣大消費者的支持。

即便iPhone 6S（2015.09）推出時相機已有1200萬畫素，而Samsung Note S6（2015.06）推出時相機也已有1600萬畫素，但由於內建軟體尚屬簡單，鏡頭設計也還有進步空間等等因素，總之，當時手機攝影外接鏡頭的概念在國內仍屬新穎，專業攝影師甚至都不屑一顧，因而未能成為一股風潮。

八、結論

但回到現實設想，自己是否願意多花新台幣2,000-2,500元，甚至新台幣5000元，來添購外接光學鏡頭，以提升平價智慧型手機的攝影畫質呢？

然而事實上，高階數位智慧型手機的平均使用壽命約3年，無論是轉售或交由廠商回收，智慧型手機上的光學變焦鏡頭就一去不回了，但額外添購的外接鏡頭，卻能夠轉移到下一台手機繼續使用，兩者的CP值高低，不言可喻。

更詳細內容請參閱拙著《手機攝影：全新的知識與技術》。