水下攝影|為何我們需要使用分水鏡(Dome port)?

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喜歡水下攝影的人應該都對防水殼前醒目的大眼睛不陌生。這種凸起的半球型鏡頭罩「Dome port」,多數人稱它為「分水鏡」,因為可以拍出水上、水下畫面各半(fifity,fifity)的照片。不過Dome port其實該翻成球型罩比較貼切,而且球型罩的初始設計目的,也不是為了拍出分水畫面,而是為了解決一般平面的鏡頭罩(flat port)在水下拍攝會遇到的問題:物體放大與邊緣畫質失真。

Dome flat port
裝上 flat port(左)與 dome port(右)的防水殼

往下繼續聊分水鏡Dome port之前,我們先回來聊聊另一種更常見的平面鏡頭罩(Flat port)吧。這種以平面的透明壓克力/玻璃製作的鏡頭罩,製程簡單,可以在大多數防水殼上見到,例如Gopro防水殼、一般DC防水殼、手機防水殼,甚至半潛艇船底下的透明玻璃也都是平面設計。使用平面的鏡頭罩在陸地上拍攝不會有什麼問題,但是當你一把相機放到水中後,有趣的事情就發生了。首先,你會發現水中的物體變大了!如果你這時拍一張分水照片(見下圖),應該就會很明顯發現水面上與水面下影像大小的差異(平面的鏡頭罩也可以拍出分水畫面,只是較難些)。再來,你可能也會發現照片邊緣的畫質變差了。

核廢料儲存場潮池
使用平面的鏡頭照拍攝,水下的物體都變近(放大)了

為什麼會這樣?因為光線在不同介質裡,會有不同的傳播速率;而光線若是從一種介質斜向進入另一種不同的介質時,光的前進方向會改變,這種現象稱為光的折射。

所以當光線從水中進到防水殼裡的空氣中時(註1),就發生了折射現象。從下圖可見,原本鏡頭在空氣中的視角為紅色虛線,但是在水下實際的視角是藍色實線,也就是說,鏡頭視野在水中變狹窄了。如果繼續深入探討,物體會實際上更近的位置產生一個虛擬的影像,感覺物體變近了,所以看起來比實際大,這才應該不難懂。物體在水下的放大率約為1.33倍,隨著水的密度不同而有微小變化。

flat port
紅色虛線:鏡頭原本的視野 藍色實線:在水下的視野  照片來源:NCBI

註1:在此我們不討論鏡頭罩這個介質本身(壓克力或玻璃)一樣也是介質變因之一

鏡頭視角變狹窄,對於微距拍攝來說,不是壞事,但是對於需要廣角拍攝水底大景的攝影師來說,可是一點都不好。你或許會想說,反正現在鏡頭科技這麼發達,我就用更廣角的鏡頭、甚至魚眼鏡頭來拍,總可以吧?

可惜事情沒那麼簡單,我們接下來要探討的另一個問題:色散現象

色散現象
不同波長的光線線在不同介質中行進時,會因為各自折射角度不同而分開  圖片來源: Jeremy Somerville

由於不同波長的光線的折射率並不相同,因此光線在不同介質中行進時,原本聚在一起的不同波長光線會因為各自折射角度不同而分開,這就是色散現象。雨後的彩紅就是一個陽光多次折射後的色散現象。色散現象在入射角度越大時越明顯,也就是說,當你使用平面的鏡頭罩時,如果鏡頭越廣角,邊緣進來的光線色散越嚴重,畫質也越差。

flat port
使用平面鏡頭罩(flat port),邊緣容易出現色散  拍攝資料:Sony A6000 + E 16-50 mm
flat port 邊緣畫質
上圖紅框處的1:1放大,可以看到些微色散

你會許會說,反正大家都用只在手機上看照片,照片縮小小的沒問題啦。但除了色散問題外,很可惜的,當鏡頭廣到一定角度後,邊緣的光線就會直接反射回水中,不會進到鏡頭裡。根據Deepsea的文章表示,使用平面鏡頭罩,鏡頭的視角無法超過100度。

想像一下你貼在潛立方的玻璃前,玻璃正前方的水中影像是清楚的,但如果你開始轉頭,往玻璃的側邊看,泳池裡畫面開始不清晰、出現色散,到最後甚至最後看不到泳池裡面,只看到玻璃反射你身後的影像。這就是我們在平面的鏡頭罩裡使用超廣角鏡頭時會發生的事情。

那麼,Dome port又是怎麼解決以上的事情呢?

前面所提到的色散現象,在入射角越大時越明顯,但如果光線從水裡進到空氣時,是以垂直90度角的方式進入(入射角為0度),就不會產生折射,也就不會發生色散。這就是球型罩(dome prot)設計出來的真正目的:使所有進入鏡頭中心的光線,都是垂直的從水中進入空氣中,就不會發生邊緣畫面色散與鏡頭視野角度受限狀況。

Dome port Flat port
使用球形鏡頭罩(下圖)可以避免折射問題發生  圖片來源:Wetpixel

同時,另一個好處也來了,雖然使用Dome port也會產生一個較近的虛像,但是這個虛像是比較小的!這樣一來一回下,物體竟然回復它該有的視覺大小,或者說鏡頭回復到它原本的視野角度了(註2)。

註2:雖然物體看起來恢復正常大小,但實際上相機是對焦在較近的虛像上,可以參考下圖12:明明離鏡頭一樣距離,但水面下的人臉清楚,水面上的卻是模糊,可以說明同一個位置的主體在水面上與下的對焦距離已不一樣。

dome port 分水鏡
使用球形鏡頭罩會讓水下拍攝時,產生一個較近且較小的虛象,同時讓物體變回原來大小  圖片來源:NCBI
dome port 分水鏡
Meikon的官方資料,使用flat port(右)與dome port(左)的水下視角變化
分水鏡
圖12:使用球型遮光罩(dome port)可以讓水面下的畫面恢復成一般大小

很神奇吧,只要使用這種半球型鏡頭罩,就能一舉解決水下攝影的視野變窄與邊緣畫面失真的問題,能拍出分水畫面,並不是原始設計的最大目的。

不過也非水下攝影就一定要使用球形的鏡頭罩,如果是拍微距,由於多使用標準鏡以上的焦距,鏡頭視角不大,畫面邊緣色散不明顯,加上物體看起來更近,對微距拍攝來說並不是缺點(就不用靠太近避免碰撞),因此多是使用平面的鏡頭罩(flat port)。

以下歸納使用球型鏡頭罩(Dome port)的優缺點:

優點

  1. 還原鏡頭視角
  2. 改善邊緣畫質
  3. 超廣角/魚眼鏡頭不受限
  4. 容易拍出分水畫面

缺點

  1. 比較貴
  2. 容易刮傷
  3. 體積大、浮力大
  4. 焦平面變成一個曲面(註3)

註3:對焦點會形成一個曲面,但這裡不予討論。

使用Dome port就一定可以改善畫質嗎?

為了讓大家容易理解,這邊文章簡化了許多細節,也忽略了很多變因。實際上球型鏡頭罩的圓心要能完美的對到鏡頭中心,是一件很難的事。可能是用了不合適的Dome port;變焦時鏡頭伸縮,使得鏡頭中心位置改變;工廠品質粗糙,鏡面曲率磨得不好等。裝上不恰當的Dome port。隨意裝上一個Dome port,雖然看起來畫面更廣、分水畫面更好拍,但也可能會產生更多的畫質問題。所以有Dome port才一兩千元,有的卻要數萬元,魔鬼就是藏在這些細節裡。

例如市面上的Gopro用Dome port,產品說明只強調可以拍出分水畫面,對於水下視角與邊緣畫質問題卻很少提及。我想,這些產品是真的只是用來幫助你拍出分水畫面,因此對於水下視角與畫質改善,就不是它的設計要點了。

蘭嶼潛水
使用Gopro加上分水鏡所拍攝的照片

最後,Dome port也有分為dry port跟wet port,使用上也有不同優缺點。不過在此篇文章,就不深入繼續探討,下次有機會再來聊聊啦。

wet port
Meikon所出的 wet port

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