谈谈相机和手机拍照的虚化

无论是变焦还是虚化，都是手机从相机那里“借鉴”过来的，目的就是为了提高手机拍照的可玩性。所以，我们今天要谈谈手机的拍照虚化，首先要了解一下相机是怎么实现拍照虚化的。

我们都知道，相机之所以能实现拍照，那是因为物体本身是发光的或者是反射光线的（主动发光或被动发光），产生了漫射光，漫无目标地向四周空间照射。如果在光点与投影面之间的适当位置放一个凸透镜，光束通过透镜时，所有的光线改变方向重新汇聚到一点，这样在投影面上就形成一个亮点，这就是那个发光点的“像”，如下图。

某个发光点的光束经过凸透镜后，光束逐渐汇聚到一个点，此点即为焦点。随着光线的继续前进，光束又发散开来。如果感光平面（象平面、投影面）恰好位于焦点上，则发光点在平面上的像为一清晰的点。如果感光平面不在焦点位置，不管其靠前或靠后(图中虚线部分)，光点在平面上的成像不是一个点，而是一个圆（光斑），行话叫做弥散圆，见下图。

当弥散圆直径很小以至于肉眼不能分辨时，那么物体的成像看上去是清晰的。如果弥散圆的直径增大，物体的像就变模糊了，这就是我们所说的虚化。

凸透镜能够将发散的光束聚焦到一点(焦点)上，此点到透镜中心的距离，称为焦距。由不同距离射入的发散光束，由于光束的发散角不同，经过凸透镜折射后其聚焦的位置也不同——物距越远，焦距越小；物距越近，焦距越大。所以，远近不同的小点在感光平面上的成像是不同的，有些是清晰的小点，有些则是弥散开来的小圆，见下图。

如此一来，当调节相机对着拍摄主体聚焦后，主体成像（如B点）很清晰，但位于主体前(近景或前景，如A点)和主体后的物体(远景或背景，如C点)就比较模糊或者很模糊了。

为了突出拍摄主体，通常做法是让背景变得模糊，即虚化背景。虚化背景的本质，就是使背景的每一个点在感光平面上呈弥散圆状。弥散圆直径越大，背景的像就越 “虚”。

那么如何控制虚化的程度呢？相机控制虚化的效果主要有两个：光圈和焦距。

1.光圈

在保持焦距不变的前提下，增大光圈实际就是加大光圈的通光孔径。由图6可以知道，随着光圈孔径的增加，背景光点弥散圆的直径成比例地增加，虚化程度加强。

2.焦距

改变凸透镜的凸度，就可以改变成像的焦距。焦距越大，则不同发散角的光束折射后形成的焦点间的距离就越大，远点(C点)在感光平面上所成的弥散圆直径就越大，因而背景就越模糊。因此，虚化背景的方法之二就是加大镜头的焦距。

而对于手机来说，无论是光圈还是焦距都是非常难实现的。目前的手机的光圈大多数都是固定的，虽说部分手机支持手动模式可调节光圈大小，但是使用率并不高，大部分消费者都是习惯拿起手机直接拍，所以基本上用到的都是最大光圈值。其次，手机上的光圈调节与相机上的光圈调节差别比较大，就算是经验丰富的“老法师”拿到一台有手动模式的手机时，也需要一档一档地调才能找到合适的档位，就如之前我们实验室的创始人菲林所发表的文章《来！玩玩电子光圈玩玩水》那样，用起来真不容易。

再说一下焦距的调节，这在手机上即便不可能实现。因为变焦模组实在是太大了，如果要在手机加上变焦模式，手机势必会变得非常庞大，这与手机追求的轻薄是一对不可调解的矛盾。

但是，人类的智慧是无穷无尽的。既然手机上不能调节焦距，那么我们可不可以加多一个不同焦距摄像头，以此来实现“变焦”呢？于是乎，双摄手机横空出世，而且在去年iPhone 7 Plus面世之后，迅速火遍全球。

那么，手机双摄变焦是否“靠谱”？能否达到相机上的虚化效果呢？下面，我们就来分析一下市场上的各种手机双摄方案以及他们实现虚化的原理。

双摄手机一般包括一个主摄像头和一个辅助摄像头。根据不同的应用需求和侧重点，目前双摄手机通常有以下几种不同的组合形式：

1、彩色相机 + 彩色相机（RGB + RGB），主要用于计算景深，实现背景虚化和重对焦，代表机型是红米Pro、vivo x9。

2、彩色相机 + 黑白相机（RGB + Mono），主要提升暗光/夜景影像拍摄质量，代表机型是华为双摄系列手机。

3、广角镜头 + 长焦镜头（Wide + Tele），主要用于光学变焦，代表机型是iPhone 7 Plus、小米6。

4、彩色相机 + 深度相机（RGB + Depth），主要用于三维重建，也就是传说中的3D相机，目前还没有代表机型面世，传言iPhone 8将使用上这个技术。

以上1、2、3的双摄组合本质上是一种“叠加”，即把两个镜头拍摄的图像叠加融合，来达到提升拍摄质量、背景虚化、光学变焦等功能。第4种方案比较复杂，需要通过TOF测距，根据测出的距离计算深度，模拟出虚化的效果，这种虚化会比较自然真实，接近相机的虚化成像效果。但是，正如我们之前发布的《结构光3D成像 四大部件难度各异》一文中所说一样，这种方案目前还存在比较多的难点，不够成熟。

当然，一旦手机能应用上这个技术，能做到的就不仅仅是虚化了，而是更加丰富的应用了，如手势识别、三维扫描、AR等等，手机的可用性将进一步得到拓展。

综合以上的4种双摄方案，我们可以发现手机的双摄虚化和相机的虚化相去甚远，相机的虚化是通过物理的变化形成的，而手机的双摄虚化是通过算法“算”出来的。尽管第4种方案从原理上要优于其他三种方案，但是它终究也是通过算法计算虚化的程度与效果，而且成本与技术难度要远高于其他3种方案。所以，我们都无比期待iPhone 8的到来，希望它能给我们带来新的技术冲击。