郭育青

使用谷歌Pixel手機(jī)拍攝的淺景深肖像照片

“肖像模式”是當(dāng)下主流智能手機(jī)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(jī)的淺景深圖像。而著名的相機(jī)打分機(jī)構(gòu)DxO Mark更是有單獨(dú)為肖像模式打分的選項(xiàng)。手機(jī)的傳感器非常小，鏡頭的焦距也很短，按照一般的物理規(guī)律很難拍到淺景深的畫面。然而為什么在手機(jī)上卻出現(xiàn)并且還成為了一個(gè)重要的賣點(diǎn)呢？作為計(jì)算攝影術(shù)之中最具有代表性的玩法，我們首先討論該功能背后蘊(yùn)藏的故事。

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

景深的示意圖

雙攝像頭手機(jī)

使用iPhone XS手機(jī)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(duì)焦平面越遠(yuǎn)，它們就會(huì)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(duì)焦平面只有幾英寸的物體也會(huì)顯得柔和。

淺景深圖像肖像照片的另一個(gè)迷人之處是光線模糊點(diǎn)所呈現(xiàn)的形狀——散景，它取決于鏡頭光圈的物理結(jié)構(gòu)，尤其是點(diǎn)光源彌散形成的光斑，因?yàn)楣馊Φ脑蚨兊母用匀恕?/p>

與單反相機(jī)不同，手機(jī)相機(jī)通常情況下都只具有固定的小尺寸光圈，畫面當(dāng)中幾乎所有物體都在清晰景深范圍以內(nèi)。但是，如果我們知道從手機(jī)相機(jī)到場(chǎng)景中各個(gè)點(diǎn)的距離，則可以用經(jīng)過模糊算法處理后的像素替換圖片中的每個(gè)像素，就能得到淺景深的圖片。其模糊的數(shù)量取決于該場(chǎng)景點(diǎn)與焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)平面的距離。我們還可以通過算法進(jìn)一步控制這種模糊的形狀從而達(dá)到控制散景的目的。

那么在計(jì)算攝影中，手機(jī)如何估計(jì)到場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)的距離呢？最常見的方法是多個(gè)攝像頭方案，其中以雙攝像頭手機(jī)最為常見。雙攝像頭系統(tǒng)中，對(duì)于左側(cè)（上方）攝像頭圖像中的每個(gè)色塊，我們?cè)谟覀?cè)（下方）攝像頭圖像中尋找匹配的色塊。在兩個(gè)圖像中找到此匹配項(xiàng)的位置，便可以通過三角測(cè)量推算出場(chǎng)景的距離數(shù)據(jù)。其工作原理幾乎與我們的眼睛觀看物體時(shí)一模一樣。

不過，很多單攝像頭智能手機(jī)也可以達(dá)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(shí)現(xiàn)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(yuǎn)近物體模糊的程度。通過查閱公開的技術(shù)資料，我們能夠了解到，在GooglePixel手機(jī)中，便采用了機(jī)器學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)了淺景深肖像模式。其主要思路便是基于機(jī)器學(xué)習(xí)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(jì)算攝影工程師通過TensorFlow（其是一個(gè)基于數(shù)據(jù)流編程的符號(hào)數(shù)序系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)器學(xué)習(xí)算法——編者注）訓(xùn)練了特殊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，除了依賴深度學(xué)習(xí)，還可以通過手機(jī)傳感器的相位對(duì)焦（PDFA）技術(shù)進(jìn)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(chǔ)上了解到想要把手機(jī)的“肖像模式”拍攝運(yùn)動(dòng)得當(dāng)，有以下幾個(gè)小技巧可以幫助攝影者權(quán)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(gè)取景框;

2.對(duì)于希望所有人都能夠拍攝清晰銳利的集體照，被攝對(duì)象應(yīng)盡量站在距離手機(jī)相同的位置上;

3.要獲得更令人滿意的模糊效果，請(qǐng)?jiān)谥黧w和背景之間留一些距離。

4.必要時(shí)應(yīng)當(dāng)摘下墨鏡等配飾以便與算法完成精準(zhǔn)的語(yǔ)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(gè)攝像頭的手機(jī)在肖像模式下，會(huì)事先記錄下了多個(gè)攝像頭的拍攝數(shù)據(jù)，因此可以在拍完照片后任意地調(diào)整“焦點(diǎn)”的位置，從而達(dá)到先拍照后對(duì)焦的效果。有興趣的讀者可以結(jié)合自己的手機(jī)去嘗試下。更有意思的是，攝影者不僅可以調(diào)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(dá)到調(diào)整散景虛化程度的效果?？傊?，肖像模式算法非常好地彌補(bǔ)了手機(jī)攝影先天存在的短板，甚至能達(dá)到相機(jī)達(dá)不到的驚喜效果。

使用OPPO Reno2手機(jī)拍攝的淺景深肖像照片

使用vivo NEX3手機(jī)拍攝的淺景深肖像照片