“计算镜头”实现全景画面清晰成像

美国卡内基梅隆大学研究团队开发出一种“计算镜头”，无论景物远近，都能让整个画面保持清晰焦点。这项成果有望改变摄影、智能手机乃至显微成像镜头的设计。相关论文在2025年国际计算机视觉大会（ICCV）上发表，并获得最佳论文荣誉提名。

利用空间变化自动对焦技术生成光学全聚焦图像。图源：卡内基梅隆大学工程学院

从眼前的花瓣到远处的树林，画面中每个细节都同样清晰，这样的照片是人们多年来梦寐以求的理想。如今，这一愿景正变得可能。

传统镜头只能在一个平面上精确对焦，前后景物会出现模糊。缩小扁圈虽能增加景深，却会使画面变暗，并产生由衍射引起的“光学模糊”。于是，研究团队想挑战一个根本性问题：镜头是否必须聚焦在单一平面上？他们设想，如果镜头能“弯曲”焦点，使其适应眼前世界的形状，会怎样？

研究团队提出的“计算镜头”融合了光学元件与算法控制，能够让画面中不同区域独立对焦。该设计基于一种名为“洛曼镜”的光学结构，由两片弯曲透镜相对移动实现焦距调节。团队进一步加入“相位空间光调制器”，可在像素级精确控制光线弯曲，使不同深度的景物同时清晰成像。

这一系统采用了两种自动对焦方法：第一种是对比度检测自动对焦，它将图像划分为多个“超像素”区域，每个区域独立寻找能让自身最清晰的焦点位置；第二种是相位检测自动对焦，利用“双像素传感器”检测物体是否对焦，以及焦点应向哪个方向调整。改进后的系统可实现每秒21帧的快速对焦，即使在动态场景下也能保持清晰。这两种方法相结合，相当于让每个像素都拥有自己的微型可调镜头。

这项技术的应用前景广阔。除摄影外，还能让显微镜一次性捕捉生物样本的完整层面，帮助自动驾驶车辆更清晰地识别环境，也可为增强现实和虚拟现实系统带来更逼真的深度体验。研究人员表示，这一“计算镜头”代表了一种全新的光学设计理念，未来有望从根本上改变相机和机器“看世界”的方式。