“計算鏡頭”實現全景畫面清晰成像

科技日報記者 張佳欣

美國卡內基梅隆大學研究團隊開發出一種“計算鏡頭”，無論景物遠近，都能讓整個畫面保持清晰焦點。這項成果有望改變攝影、智能手機乃至顯微成像鏡頭的設計。相關論文在2025年國際計算機視覺大會（ICCV）上發表，並獲得最佳論文榮譽提名。

從眼前的花瓣到遠處的樹林，畫面中每個細節都同樣清晰，這樣的照片是人們多年來夢寐以求的理想。如今，這一願景正變得可能。

傳統鏡頭只能在一個平面上精確對焦，前後景物會出現模糊。縮小光圈雖能增加景深，卻會使畫面變暗，併產生由衍射引起的“光學模糊”。於是，研究團隊想挑戰一個根本性問題：鏡頭是否必須聚焦在單一平面上？他們設想，如果鏡頭能“彎曲”焦點，使其適應眼前世界的形狀，會怎樣？

研究團隊提出的“計算鏡頭”融合了光學元件與算法控制，能夠讓畫面中不同區域獨立對焦。該設計基於一種名為“洛曼鏡”的光學結構，由兩片彎曲透鏡相對移動實現焦距調節。團隊進一步加入“相位空間光調製器”，可在像素級精確控制光線彎曲，使不同深度的景物同時清晰成像。

這一系統採用了兩種自動對焦方法：第一種是對比度檢測自動對焦，它將圖像劃分為多個“超像素”區域，每個區域獨立尋找能讓自身最清晰的焦點位置；第二種是相位檢測自動對焦，利用“雙像素傳感器”檢測物體是否對焦，以及焦點應向哪個方向調整。改進後的系統可實現每秒21幀的快速對焦，即使在動態場景下也能保持清晰。這兩種方法相結合，相當於讓每個像素都擁有自己的微型可調鏡頭。

這項技術的應用前景廣闊。除攝影外，還能讓顯微鏡一次性捕捉生物樣本的完整層面，幫助自動駕駛車輛更清晰地識別環境，也可為增強現實和虛擬現實系統帶來更逼真的深度體驗。研究人員表示，這一“計算鏡頭”代表了一種全新的光學設計理念，未來有望從根本上改變相機和機器“看世界”的方式。