談?wù)勏鄼C和手機拍照的虛化

無論是變焦還是虛化，都是手機從相機那里“借鑒”過來的，目的就是為了提高手機拍照的可玩性。所以，我們今天要談?wù)勈謾C的拍照虛化，首先要了解一下相機是怎么實現(xiàn)拍照虛化的。

我們都知道，相機之所以能實現(xiàn)拍照，那是因為物體本身是發(fā)光的或者是反射光線的（主動發(fā)光或被動發(fā)光），產(chǎn)生了漫射光，漫無目標(biāo)地向四周空間照射。如果在光點與投影面之間的適當(dāng)位置放一個凸透鏡，光束通過透鏡時，所有的光線改變方向重新匯聚到一點，這樣在投影面上就形成一個亮點，這就是那個發(fā)光點的“像”，如下圖。

某個發(fā)光點的光束經(jīng)過凸透鏡后，光束逐漸匯聚到一個點，此點即為焦點。隨著光線的繼續(xù)前進(jìn)，光束又發(fā)散開來。如果感光平面（象平面、投影面）恰好位于焦點上，則發(fā)光點在平面上的像為一清晰的點。如果感光平面不在焦點位置，不管其靠前或靠后(圖中虛線部分)，光點在平面上的成像不是一個點，而是一個圓（光斑），行話叫做彌散圓，見下圖。

當(dāng)彌散圓直徑很小以至于肉眼不能分辨時，那么物體的成像看上去是清晰的。如果彌散圓的直徑增大，物體的像就變模糊了，這就是我們所說的虛化。

凸透鏡能夠?qū)l(fā)散的光束聚焦到一點(焦點)上，此點到透鏡中心的距離，稱為焦距。由不同距離射入的發(fā)散光束，由于光束的發(fā)散角不同，經(jīng)過凸透鏡折射后其聚焦的位置也不同——物距越遠(yuǎn)，焦距越??；物距越近，焦距越大。所以，遠(yuǎn)近不同的小點在感光平面上的成像是不同的，有些是清晰的小點，有些則是彌散開來的小圓，見下圖。

如此一來，當(dāng)調(diào)節(jié)相機對著拍攝主體聚焦后，主體成像（如B點）很清晰，但位于主體前(近景或前景，如A點)和主體后的物體(遠(yuǎn)景或背景，如C點)就比較模糊或者很模糊了。

為了突出拍攝主體，通常做法是讓背景變得模糊，即虛化背景。虛化背景的本質(zhì)，就是使背景的每一個點在感光平面上呈彌散圓狀。彌散圓直徑越大，背景的像就越 “虛”。

那么如何控制虛化的程度呢？相機控制虛化的效果主要有兩個：光圈和焦距。

1.光圈

在保持焦距不變的前提下，增大光圈實際就是加大光圈的通光孔徑。由圖6可以知道，隨著光圈孔徑的增加，背景光點彌散圓的直徑成比例地增加，虛化程度加強。

2.焦距

改變凸透鏡的凸度，就可以改變成像的焦距。焦距越大，則不同發(fā)散角的光束折射后形成的焦點間的距離就越大，遠(yuǎn)點(C點)在感光平面上所成的彌散圓直徑就越大，因而背景就越模糊。因此，虛化背景的方法之二就是加大鏡頭的焦距。

而對于手機來說，無論是光圈還是焦距都是非常難實現(xiàn)的。目前的手機的光圈大多數(shù)都是固定的，雖說部分手機支持手動模式可調(diào)節(jié)光圈大小，但是使用率并不高，大部分消費者都是習(xí)慣拿起手機直接拍，所以基本上用到的都是最大光圈值。其次，手機上的光圈調(diào)節(jié)與相機上的光圈調(diào)節(jié)差別比較大，就算是經(jīng)驗豐富的“老法師”拿到一臺有手動模式的手機時，也需要一檔一檔地調(diào)才能找到合適的檔位，就如之前我們實驗室的創(chuàng)始人菲林所發(fā)表的文章《來！玩玩電子光圈玩玩水》那樣，用起來真不容易。

再說一下焦距的調(diào)節(jié)，這在手機上即便不可能實現(xiàn)。因為變焦模組實在是太大了，如果要在手機加上變焦模式，手機勢必會變得非常龐大，這與手機追求的輕薄是一對不可調(diào)解的矛盾。

但是，人類的智慧是無窮無盡的。既然手機上不能調(diào)節(jié)焦距，那么我們可不可以加多一個不同焦距攝像頭，以此來實現(xiàn)“變焦”呢？于是乎，雙攝手機橫空出世，而且在去年iPhone 7 Plus面世之后，迅速火遍全球。

那么，手機雙攝變焦是否“靠譜”？能否達(dá)到相機上的虛化效果呢？下面，我們就來分析一下市場上的各種手機雙攝方案以及他們實現(xiàn)虛化的原理。

雙攝手機一般包括一個主攝像頭和一個輔助攝像頭。根據(jù)不同的應(yīng)用需求和側(cè)重點，目前雙攝手機通常有以下幾種不同的組合形式：

1、彩色相機 + 彩色相機（RGB + RGB），主要用于計算景深，實現(xiàn)背景虛化和重對焦，代表機型是紅米Pro、vivo x9。

2、彩色相機 + 黑白相機（RGB + Mono），主要提升暗光/夜景影像拍攝質(zhì)量，代表機型是華為雙攝系列手機。

3、廣角鏡頭 + 長焦鏡頭（Wide + Tele），主要用于光學(xué)變焦，代表機型是iPhone 7 Plus、小米6。

4、彩色相機 + 深度相機（RGB + Depth），主要用于三維重建，也就是傳說中的3D相機，目前還沒有代表機型面世，傳言iPhone 8將使用上這個技術(shù)。

以上1、2、3的雙攝組合本質(zhì)上是一種“疊加”，即把兩個鏡頭拍攝的圖像疊加融合，來達(dá)到提升拍攝質(zhì)量、背景虛化、光學(xué)變焦等功能。第4種方案比較復(fù)雜，需要通過TOF測距，根據(jù)測出的距離計算深度，模擬出虛化的效果，這種虛化會比較自然真實，接近相機的虛化成像效果。但是，正如我們之前發(fā)布的《結(jié)構(gòu)光3D成像 四大部件難度各異》一文中所說一樣，這種方案目前還存在比較多的難點，不夠成熟。

當(dāng)然，一旦手機能應(yīng)用上這個技術(shù)，能做到的就不僅僅是虛化了，而是更加豐富的應(yīng)用了，如手勢識別、三維掃描、AR等等，手機的可用性將進(jìn)一步得到拓展。

綜合以上的4種雙攝方案，我們可以發(fā)現(xiàn)手機的雙攝虛化和相機的虛化相去甚遠(yuǎn)，相機的虛化是通過物理的變化形成的，而手機的雙攝虛化是通過算法“算”出來的。盡管第4種方案從原理上要優(yōu)于其他三種方案，但是它終究也是通過算法計算虛化的程度與效果，而且成本與技術(shù)難度要遠(yuǎn)高于其他3種方案。所以，我們都無比期待iPhone 8的到來，希望它能給我們帶來新的技術(shù)沖擊。