在背景虚化这件事上,双摄手机距离相机还有多远?

摘要

对于「99% 的照片都是在手机上看」的用户来说,基于手机双摄像头的「PS 虚化」应该已经足以让相机厂商们感到害怕了。

提到背景虚化,大家应该都不陌生。在拍摄人像和产品时,通过浅景深来虚化背景以强化主体是一种非常常见的拍摄手法。

在拍摄设备和拍摄对象位置固定的情况下,实现浅景深的关键有三点:大光圈、长焦距、大底。以索尼刚刚发布的 FE100mm f/2.8 镜头为例,它拥有较长的焦距(100mm)以及 f/2.8 的大光圈,配合对应的 α7 系列全画幅机身(大底),就可以实现非常出色的背景虚化效果。

不过在智能手机中,受限于体积,是无法实现比较浅的景深的。

通常来说,智能手机的 CMOS 尺寸(俗称的「底」)一般在 1/3 英寸左右,即使是 Google Pixel、小米 5s 上使用的 IMX378 这块「超大底」也不过 1/2.3 英寸,和单反及无反相机中的 CMOS 尺寸相去甚远,差距大家可以参考下面这张图。

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此外,由于手机的镜头模组对厚度的要求很苛刻(没有用户喜欢手机上突出很多的镜头,而焦距越长镜头会越厚),再加上多数时候用户希望自己的手机可以拍到更广的画面,而不是一个更「窄」但景深更浅的画面,因此智能手机中都会选择广角镜头(一般等效焦距在 28 mm左右)。事实上,为了进一步降低相机模组厚度,三星 Galaxy S7 edge、索尼 Xperia XZ 等手机镜头甚至还使用更短的焦距(25mm 甚至 24mm),这更加不利于背景虚化。

至于光圈,虽然手机的光圈看起来挺大,即使千元机也常常会配备 f/2.2 的大大光圈,旗舰手机会更大(比如 iPhone 7 的光圈为 f/1.8,三星 Galaxy S7 edge 为 f/1.7),但这是在 CMOS 很小且使用了广角镜头的情况下得到的,对背景虚化的帮助有限。

由于这些原因,虽然这些年来智能手机的拍照水准有了很大的提高,手机的对焦性能、连拍、多张合成甚至是光线良好时的成像品质已经可以媲美甚至优于部分相机,但想要获得出色的背景虚化,还得靠相机「出马」。

手机真的就不能实现背景虚化效果吗?

从背景虚化的原理上看,指望靠手机的相机硬件来搞定背景虚化显然是不现实了。既然如此,那能不能通过后期「PS」搞出来背景虚化效果呢?而双摄像头为这种「PS 背景虚化」提供了硬件支撑。

想要「PS」出背景虚化,首要问题是得把照片的主体部分(希望照片中清晰的部分)给「剥离」出来,然后再把背景通过后期处理「虚化」掉。

在传统的单摄像头中,由于相机只能收集到二维的平面信息,无法获取照片的景深信息。不过如果有了双摄像头,由于两颗镜头的位置不一样,即使把对焦点选在同一个位置的情况下,两个镜头拍出来的照片也会存在机位差,把这两张照片堆叠在一起,就可以获取照片的景深信息,「剥离」主体了。

关于双摄像头具体是如何「剥离」主体的,大家可以参考数码多提供的解释

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我们模拟了一个场景,在这个场景中,双摄像头同时注视一个点,它们的焦点是重合的。因为摄像头的位置不同,所以有一定的机位差,从而导致像差。

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然后我们分别渲染两台虚拟摄像头看到的画面,这么放在一起,很难看出大的不同。

屏幕快照 2017-02-19 下午10.36.51.png

如果将两张图叠加到一起,就看到玄机了。图像并不是完全相同,叠加让茶壶的左右侧产生了重影,重影的部分就是相差。越靠外,重影越大,越居中,重影越小。而这些重影,基本上也是茶壶的轮廓。这就是双摄像头剥离主体对象的基本原理。

从 HTC M8 到 iPhone 7 Plus

第一个试图用双摄来实现虚化效果的应该是 2014 年上半年发布的 HTC One M8。

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不过 HTC 把 M8 辅助摄像头主要的卖点放在了「先拍照后对焦」上,原理是通过辅助摄像头收集到的数据来在后期模拟不同对焦点的画面效果(类似 Lytro 光场相机)。加上 M8 的主摄像头的成像效果着实一般,HTC 的这套双摄系统打了个酱油就没动静了。

第一个把背景虚化拿出来当一个单独卖点的应该是荣耀 6 Plus。

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和之前的双摄产品都采用「一大一小」两个主次分明的镜头不同,荣耀 6 Plus 使用了两颗 800 万像素的「平行镜头」,可以模拟出 f/0.95 —— f/16 的「超级大光圈」效果。不过受限于当时还不完善的算法以及有限的 ISP 性能,荣耀 6 Plus 的背景虚化拍出的照片可以说是漏洞百出,并且成像速度也很「捉急」。

在去年上半年发布的旗舰手机华为 P9 上,华为继续使用了双摄像头,不过有了更强的硬件性能作为支撑,加上软件算法上的改进,华为 P9 的背景虚化效果和拍照体验有了明显的进步。配合本身成像品质就不错的主摄像头,在拍摄主体轮廓较为简单和规则的情况下(花瓣、树叶这样轮廓不规则的物体还是会经常出现问题),华为 P9 的这套双摄虚化方案已经有了不错的可用性。

xzcwcaq1tpx06qkjzc3v.jpg其中一张为 P9 使用背景虚化模式拍摄,另一张为徕卡 Q 拍摄,图片来自 DigitalRev TV(图中是当时还未离职的 Lok)

之后,2016 年 9 月,苹果发布了配备双摄像头的 iPhone 7 Plus,而 iPhone 7 Plus 双摄的一个重要功能就是通过「PS 背景虚化」实现的「人像模式」(该功能在 10 月底发布的 iOS 10.1 中上线)。

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对于双摄和背景虚化功能来说,iPhone 7 Plus 是一款里程碑式的产品。如果说在 iPhone 7 Plus 之前,不少手机厂商对双摄以及背景虚化功能还是持观望态度的话,在 iPhone 7 Plus 发布之后,就必须得考虑什么时候在哪一款机型上用上双摄了。

在背景虚化这个功能上,iPhone 7 Plus 也做了些不一样的尝试。我们在文章开头提到,要想实现可以将背景虚化调的浅景深效果,需要大光圈、长焦距以及大底,而 iPhone 7 Plus 就选择了在焦距上做文章,iPhone 7 Plus 的主摄像头焦距为「正常」的 28mm,不过辅助摄像头的焦距达到了 56mm,有助于实现更出色的续航效果。

在可以背景虚化的「人像模式」下,这颗 56 mm 镜头会作为主镜头作为拍摄(另外一颗 28mm 镜头拍摄的画面会裁切成和这颗 56mm 镜头相同的画面,用于辅助获取景深)。

iphone-7-plus-portrait-mode-on-sneakers-3.jpg分别使用 iPhone 7 Plus 的普通模式(56mm)和人像模式拍摄

有了这种硬件层面的支撑,再加上苹果在拍照核心算法上长期的积累,从背景虚化这一点上,iPhone 7 Plus 的表现超越了目前市面上所有的机型。从手机上看(注意这个条件),使用 iPhone 7 Plus 的「人像模式」成功拍出的照片,其「扣图」效果不少时候已经可以「以假乱真」了。

不过 iPhone 7 Plus 这个方案的问题也不少。除了对拍摄主体的距离有要求之外,由于主要使用的是 56mm 的那颗镜头,为了实现长焦距,这颗摄像头的 CMOS 尺寸更小(1/3.6 英寸),镜头的光圈也要更小(f/2.8),而且没有光学防抖,这些都让 56mm 镜头的成像素质有限,尤其不适合弱光下拍摄。苹果的解决方案倒也「简单粗暴」,在光线不好的情况下,这颗 56mm 镜头直接是无法启用的。因此,如果要使用「人像模式」,光线不能太差。

此外,在光线一般但又没有低到需要关闭 56mm 镜头的情况下(在室内拍摄经常是这个样子),iPhone 7 Plus「人像模式」拍出的照片画面质感也比较差,噪点偏多,这是因为 iPhone 7 Plus 为了保证成片率而拉高 ISO 的结果。

手机厂商对双摄和背景虚化的探索还在继续。

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2016 年 11 月,华为发布了号称搭载「第二代徕卡双摄」的 Mate 9 和 Mate 9 Pro。相比半年前发布的 P9,Mate 9 和 Mate 9 Pro 提高了成片率(对焦更快,多了光学防抖),成像速度也快了点(主要得益于麒麟 960 在 ISP 上的进步)。

相比 iPhone 7 Plus,Mate 9 和 Mate 9 Pro 背景虚化的「扣图」水准要差一些,不过相应的,Mate 9 和 Mate 9 Pro 对场景的要求没这么多,也已经具备了不错的实用价值。

除了 iPhone 7 Plus 和华为这几款机型,还有一款不得不提的产品——vivo X9。

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和我们提到的其它所有产品都不同,vivo X9 的双摄像头放在了前面。除了「击穿用户痛点」之外,X9 的这种选择在技术上其实也是有考虑的。由于把双摄放在了前面,意味着用户基本只会用双摄来自拍,这就大大限制了双摄的使用场景,有助于针对性地做算法上的优化,和 iPhone 7 Plus 的「人像模式」有点异曲同工的意思。

「取代不了相机」并不是问题

两年多,不少媒体在体验了荣耀 6 Plus 的背景虚化功能后,是把这个号称「媲美单反大光圈效果」但体验不成熟的功能当笑话来看的。不过在短短两年多点的时间里,双摄和背景虚化就已经取得了长足的进步,无论是坚持把双摄「一条路走到黑」做下去的华为,还是实力强大的苹果,都已经把背景虚化做到了部分场景下基本可用的程度。

当然,和高端相机使用长焦大光圈镜头实现的光学物理虚化相比,双摄的「PS 虚化」还依然存在很大的差距。不过随着技术的进步,「PS 光圈」和物理大光圈的效果正在逐渐被拉近。

虽然基于双摄的背景虚化在未来短期内不太可能媲美后者(或许永远都不能),高端相机器材在锐度和宽容度上的优势也不是手机可以追赶的了的,但对于「99% 的照片都是在手机上看」的用户来说,「PS 虚化」的发展应该已经足以让相机厂商们感到害怕了。

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