先拍照后對焦，計算式景深讓手機也能拍出油潤迷人的焦外

郭育青

使用谷歌Pixel手機拍攝的淺景深肖像照片

“肖像模式”是當下主流智能手機的主要功能，該模式使任何人都可以拍攝具有比肩大光圈鏡頭+單反相機的淺景深圖像。而著名的相機打分機構DxO Mark更是有單獨為肖像模式打分的選項。手機的傳感器非常小，鏡頭的焦距也很短，按照一般的物理規律很難拍到淺景深的畫面。然而為什么在手機上卻出現并且還成為了一個重要的賣點呢？作為計算攝影術之中最具有代表性的玩法，我們首先討論該功能背后蘊藏的故事。

具有大光圈的單鏡頭反光式相機的景深較淺，這意味著特定景深范圍內的物體很清晰，而位于景深之前或之后的物體則發生模糊，并且這種模糊與物體距相機的距離還遵循一定的數學關系。淺景深是吸引觀看者注意對象或抑制背景混亂的好方法，同時淺景深使得使用單反相機拍攝的肖像具有獨特的藝術魅力。

景深的示意圖

雙攝像頭手機

使用iPhone XS手機人像模式拍攝的淺景深照片，聞聲 攝

淺景深圖像中的模糊量取決于物距。物體離對焦平面越遠，它們就會顯得越模糊。模糊程度還取決于鏡頭通光孔徑的大小。具有F2.0光圈的50毫米鏡頭的開口直徑為50毫米/2=25毫米。使用這樣的定焦鏡頭，即使距離對焦平面只有幾英寸的物體也會顯得柔和。

淺景深圖像肖像照片的另一個迷人之處是光線模糊點所呈現的形狀——散景，它取決于鏡頭光圈的物理結構，尤其是點光源彌散形成的光斑，因為光圈的原因而變的更加迷人。

與單反相機不同，手機相機通常情況下都只具有固定的小尺寸光圈，畫面當中幾乎所有物體都在清晰景深范圍以內。但是，如果我們知道從手機相機到場景中各個點的距離，則可以用經過模糊算法處理后的像素替換圖片中的每個像素，就能得到淺景深的圖片。其模糊的數量取決于該場景點與焦點對準平面的距離。我們還可以通過算法進一步控制這種模糊的形狀從而達到控制散景的目的。

那么在計算攝影中，手機如何估計到場景中每個點的距離呢？最常見的方法是多個攝像頭方案，其中以雙攝像頭手機最為常見。雙攝像頭系統中，對于左側（上方）攝像頭圖像中的每個色塊，我們在右側（下方）攝像頭圖像中尋找匹配的色塊。在兩個圖像中找到此匹配項的位置，便可以通過三角測量推算出場景的距離數據。其工作原理幾乎與我們的眼睛觀看物體時一模一樣。

不過，很多單攝像頭智能手機也可以達到類似的效果，又是為什么呢？這是通過將圖像分為兩層——前景中的像素和背景中的像素，從而實現模糊背景。只不過單攝像頭這樣的處理是一種缺失深度信息的模糊，無法控制遠近物體模糊的程度。通過查閱公開的技術資料，我們能夠了解到，在GooglePixel手機中，便采用了機器學習的方法實現了淺景深肖像模式。其主要思路便是基于機器學習的前景背景分割，從而確定哪些像素屬于前景（通常是人），哪些像素屬于背景。谷歌的計算攝影工程師通過TensorFlow（其是一個基于數據流編程的符號數序系統，被廣泛應用于各類機器學習算法——編者注）訓練了特殊的神經網絡，除了依賴深度學習，還可以通過手機傳感器的相位對焦（PDFA）技術進一步改善背景虛化的效果。

Dual Pixel景深估算原理

以上原理或許不能馬上理解，但是我們可以在此基礎上了解到想要把手機的“肖像模式”拍攝運動得當，有以下幾個小技巧可以幫助攝影者權衡取舍后獲得最佳的肖像拍攝效果：

1.站立得離被攝主體足夠近，以使其頭部（或頭和肩膀）充滿整個取景框;

2.對于希望所有人都能夠拍攝清晰銳利的集體照，被攝對象應盡量站在距離手機相同的位置上;

3.要獲得更令人滿意的模糊效果，請在主體和背景之間留一些距離。

4.必要時應當摘下墨鏡等配飾以便與算法完成精準的語義分割（即分離前景和背景像素）。

最后需要說明的是，具有多個攝像頭的手機在肖像模式下，會事先記錄下了多個攝像頭的拍攝數據，因此可以在拍完照片后任意地調整“焦點”的位置，從而達到先拍照后對焦的效果。有興趣的讀者可以結合自己的手機去嘗試下。更有意思的是，攝影者不僅可以調整影像清晰的范圍，還可以通過算法模擬物理光圈大小，從而達到調整散景虛化程度的效果。總之，肖像模式算法非常好地彌補了手機攝影先天存在的短板，甚至能達到相機達不到的驚喜效果。

使用OPPO Reno2手機拍攝的淺景深肖像照片

使用vivo NEX3手機拍攝的淺景深肖像照片