計算VS光學(xué)　鏡頭虛化的科技與奧秘

楊楊　李碩

為什么玩手機攝影的人也要了解相機鏡頭的虛化？這個問題的答案，有點像為什么學(xué)打籃球要多看職業(yè)運動員比賽——只有以專業(yè)選手為榜樣才能進步，才會減少和避免低級錯誤。何況對多數(shù)手機用戶來說，并沒有深入研究過背景虛化，對于手機出現(xiàn)的瑕疵往往不能及時察覺并做出調(diào)整。見識、了解、掌握背景虛化，這正是我們編寫本文的目的。

使用全畫幅相機接裝徠卡50mm F1.4鏡頭全開光圈拍攝的照片，與手機使用等效約50mm F1.4的人像模式拍攝的照片，只看背景虛化的趨勢，二者已經(jīng)相當(dāng)接近。

以“假”亂真不容易 手機上計算虛化的原理

谷歌Pixel 2人像模式的原理示意圖，手機先通過HDR+算法和全像素雙核傳感器采集足夠的畫面細(xì)節(jié)與距離信息后，再使用經(jīng)過數(shù)百萬張照片訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將主體與背景分離出來，對背景進行漸進式模糊。圖片來自：i-cdn.phonearena.com

模擬大光圈鏡頭的淺景深效果，是計算攝影在手機上應(yīng)用的主要方向之一。從早些年的htc手機開始，手機廠商就開始利用多攝像頭系統(tǒng)進行這一工作。在如今的一些手機上，你依然能看到這樣的大約200萬像素攝像頭，它們不參與成像，只負(fù)責(zé)采集畫面的深度信息，以便讓手機區(qū)分主體與背景。

隨著技術(shù)的進步，以谷歌Pixel系列為代表的一些手機還能依靠基于人工智能技術(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，只用一個攝像頭就識別出物體邊緣并得到背景虛化的照片。而以蘋果為代表的變焦多攝手機，則是同時利用不同攝像頭與人工智能技術(shù)結(jié)合進行虛化模擬。

此外，還有利用結(jié)構(gòu)光或ToF技術(shù)采集物體距離信息來輔助模擬虛化的技術(shù)。這一技術(shù)最早用于前置攝像頭，但近來也開始用于旗艦手機背面的主攝。

盡管模擬虛化的方法很多，但它們對于攝影人的好處基本一致，那就是讓手機實現(xiàn)更多更具創(chuàng)意的拍攝效果，接近甚至媲美專業(yè)相機。

鏡頭虛化不簡單?影響相機鏡頭虛化的要素與特點

當(dāng)我們使用相機鏡頭拍攝時，焦點處的光線會被鏡頭收集匯聚到焦平面的傳感器上，而在焦點前后的物體，由于沒法形成清晰的成像，就會變成我們所說的“虛化”效果。如果說手機虛化是一道數(shù)學(xué)物理綜合題，那么相機虛化則是單一的物理題。

比原理更復(fù)雜的，是影響虛化的幾個重要因素——鏡頭光圈、焦距、傳感器尺寸和主體到背景的距離。光圈越大、焦距越長、傳感器尺寸越大、主體到背景距離越遠(yuǎn)，虛化程度就越強。理論上，相機上得到理想虛化效果的方法比手機上容易得多——買你能買得起的最大光圈的鏡頭。

當(dāng)然，虛化程度只是一方面，虛化是否優(yōu)美則是另一個問題。在相機鏡頭的設(shè)計制造中，鏡頭口徑、光學(xué)結(jié)構(gòu)、鏡片材質(zhì)和加工精密度都會影響虛化效果。比如使用表面精度不夠的非球面鏡片，就會導(dǎo)致虛化光斑出現(xiàn)“洋蔥圈”現(xiàn)象。

TIPS：景深計算App

由于相機上的虛化效果遵從簡單的物理法則，所以即使你手中沒有鏡頭，也可以在確定拍攝信息的前提下，計算出照片中的景深范圍，進而了解到一張照片在采用該拍攝參數(shù)的時候，是虛化強烈還是虛化不足。這樣的App有不少，下面列出的只是其中一部分：巧攝專業(yè)版、現(xiàn)場工具、F-Stop和SetMyCamera等。

廣角鏡頭的虛化誤區(qū) 背景不是越虛越好

手機的模擬虛化有很多好處，比如可以讓你模擬不同的燈光效果，或是在編輯照片時再決定是模擬F1.4光圈時的虛化效果，還是模擬F2.8光圈時的拍攝效果。在一些App和安卓手機內(nèi)置模式中，你甚至還能選擇虛化光斑的形狀。

但是，這并不意味著背景越模糊越好，也不是虛化光斑越大越好。計算得到的虛化需要接近光學(xué)鏡頭本身的虛化特征，才能讓人看著最舒適。

如果你的手機只有主攝可以進行背景虛化的模擬計算，那就要特別注意了。因為多數(shù)手機主攝等效焦距在26-28mm左右，即使在全畫幅相機系統(tǒng)中，此焦段鏡頭的背景虛化程度也屬于較弱的。所以，如果你可以讓手機以28mm焦距去模擬出一個如50mm F0.95鏡頭那樣的淺景深效果，那么不但會被行家一眼識破，普通人看起來也會覺得怪異。

近年隨著光學(xué)技術(shù)進步，出現(xiàn)了14mm F1.8、20mm F1.4這樣的大光圈超廣角鏡頭。但由于它們多用于風(fēng)光和星野拍攝，鮮少用于追求背景虛化的題材，因此廣角鏡頭的視覺習(xí)慣依然沒有被改變。

我們找來的對比對象是最大光圈為F2的佳能RF28-70mm F2L USM，手機則是vivo X30 Pro，使用其大光圈模式并將模擬虛化的程度設(shè)定為F2。

我們找來的對比對象是最大光圈為F2的佳能RF28-70mm F2L USM，手機則是vivo X30 Pro，使用其大光圈模式并將模擬虛化的程度設(shè)定為F2。

注意視角與層次

相機上的廣角大光圈鏡頭，與手機上的廣角大光圈模式，究竟有什么差別？我們將從下面的對比中看出答案。

對比看點：巖石由近及遠(yuǎn)的變化，柔和程度，虛化光斑。

注意對比相機與手機在樹林處的虛化，相機的光斑要更多，而手機因為對點光源的識別還不是100%準(zhǔn)確，所以有些光斑并沒有模擬出來。此外，虛化的程度也更低。

盡管光圈均為F2（手機光圈指模擬虛化的程度，并非實際物理光圈值），但是相比相機上的巖石部分，手機上近處巖石的景深過大。

仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，相機拍攝的照片長頸鹿的頭部也有點虛化，因為F2光圈時景深很淺。而手機則是整個長頸鹿都位于景深范圍內(nèi)，但是尾部卻出現(xiàn)了識別錯誤的虛化。

對比結(jié)論：廣角鏡頭虛化程度不如中長焦，如果模擬得虛化很強烈，就會產(chǎn)生不自然的感覺。此外，這類鏡頭視角比較廣，會容納很多物體，通常也會有明顯的由清晰過渡到模糊的漸變區(qū)域。如果缺少過渡或過渡生硬，就會違反背景虛化的視覺規(guī)律。當(dāng)然，手機出現(xiàn)的模擬錯誤并非完全不能解決，后期對近景石頭做適當(dāng)模糊，就幾乎能夠“以假亂真”了。

比拼光斑與邊緣 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭虛化的特征

所謂標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，通常是指50mm左右的鏡頭。這類鏡頭擁有容易做大的光圈、相對較小的體積和相對低廉的售價。備受入門影友追捧的50mm F1.8鏡頭就是其中的代表。在手機上，多數(shù)具備多攝像頭配置的手機，也通常都會配置一顆等效焦距在50-52mm左右的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。

但什么才是50mm鏡頭虛化的特征，使用手機進行拍攝時要注意哪些問題才不會“翻車”，是我們應(yīng)該在拍攝和修片前了解的。

對多數(shù)50mm鏡頭來說，由于視角變窄，畫面中的背景信息通暢較少。而由于焦距延長，即使在1-2米范圍拍攝時，只要開大光圈也能獲得明顯的背景模糊效果。50mm鏡頭還比廣角鏡頭更容易虛化出人見人愛的虛化大光斑，當(dāng)然，這只有在拍攝點光源時才會出現(xiàn)。

對手機來說，在使用等效50mm鏡頭進行模擬虛化時，最容易犯的錯誤不是過度模糊，而是邊緣的識別。因為對于這類鏡頭，從景深內(nèi)到景深外往往只有極小的過渡范圍，一旦識別不準(zhǔn)，可能就會出現(xiàn)糟糕的瑕疵。

在50mm焦段，我們用來作對比的是徠卡的Summilux-M 50mm f/1.4ASPH.，這只鏡頭擁同類中名列前茅的背景虛化能力和焦內(nèi)銳度，手機則是iPhone 11 Pro Max。

一窺大光斑的魅力

終于輪到F1.4鏡頭出場了，手機上人像模式也火力全開，二者的差別究竟何多大？下面的對比可能會出乎你的意料。

對比看點：虛化光斑的形狀和邊緣，光斑亮度。

粗看上去，徠卡鏡頭虛化的光斑要比下左圖中手機模擬的更亮、更清晰銳利，但是仔細(xì)觀察也會發(fā)現(xiàn)由于使用了非球面鏡片，這些光斑都出現(xiàn)了“洋蔥圈”現(xiàn)象。

如果將手機的照片進行修片處理，提亮光斑，那么冀畫面效果會更加接近相機。只不過由于傳感器較小，在畫面的細(xì)膩度上仍然比相機要遜色不少。

對比結(jié)論：第一眼看去似乎相機鏡頭的效果取得了完勝，但由于非球面鏡片導(dǎo)致的洋蔥圈讓相機的得分有所降低。這一現(xiàn)象也是現(xiàn)代鏡頭過于追求銳度的代價。相比之下，手機的效果令人驚訝，盡管在亮度和飽和度上有點保守，但完美再現(xiàn)了相機鏡頭光斑的旋轉(zhuǎn)和變形，在后期處理后還有進一步提升的空間。當(dāng)然，手機弱光成像不如相機的短板也突顯出來。

讓虛化更完美 手機上的特殊模式與App

對比完廣角和標(biāo)準(zhǔn)視角，你可能會問為何不對比經(jīng)典的85mm鏡頭和70-200mm鏡頭虛化效果？原因很簡單，目前只有少數(shù)手機擁有等效約80mm或135mm的攝像頭，且通常都不能進行背景虛化模擬。需要強調(diào)的是，之所以本文要對比手機與相機在同場景下的虛化效果，目的并不是要分出孰優(yōu)孰劣，而是讓大家明白真實的光學(xué)鏡頭虛化是什么樣的。以鏡頭虛化作為標(biāo)準(zhǔn)和評判依據(jù)，才能讓我們在使用手機或是使用Photoshop等電腦軟件進行模擬虛化時，不出紕漏。

從另一個角度來看，廣角和標(biāo)準(zhǔn)視角鏡頭的保有量更高，虛化模擬也最容易出問題，在有限的篇幅里解決這兩個問題才是最實際的。而解決方法在前文已有提到，那就是使用安卓手機上特殊的虛化模式，或是使用蘋果上特定功能的App。

Focos是目前蘋果的iOS平臺上控制背景虛化最出色的App。在它的核心功能中，有3個步驟能讓照片看起來更接近相機鏡頭的效果，分別是增大光斑尺寸、適度增加二線性和適度增加焦外螺旋感。

使用iPhone+Focos實現(xiàn)的“亂真”虛化

使用Focos來增強iPhone人像模式拍攝的照片虛化程度后，再增加光學(xué)鏡頭的一些瑕疵——口徑蝕、二線性和螺旋焦外，就能讓照片更像是相機鏡頭拍攝的。但進行這一操作的前提是，你最好有豐富的相機鏡頭使用經(jīng)驗，或是看過很多大光圈鏡頭拍攝的照片，知道調(diào)整的最佳幅度。

TIPS：瑕疵帶來的“味道”

老鏡頭的光學(xué)設(shè)計和用料都不如現(xiàn)代鏡頭，虛化會有瑕疵，但正是這些瑕疵造就了它們的“味道”。比如光斑會有比較明顯的二線性（邊緣比中間亮）、像場彎曲（邊角虛化更強）和螺旋感（光斑圍繞中心旋轉(zhuǎn)）。當(dāng)然，老鏡頭的特點還有很多，F(xiàn)ocos里有很多預(yù)設(shè)的鏡頭模式，可以讓你探索更多老鏡頭的“味道”。

使用安卓手機特殊模式實現(xiàn)的“亂真”虛化

雖然目前安卓平臺上并沒有一個如Focos那樣的專攻背景虛化的App，但是在多數(shù)安卓手機的人像模式里，你都可以控制虛化的程度——通常以F0.95-F11或F16來表示虛化強度。不過，通常虛化程度大于F1.4時容易出現(xiàn)邊緣識別瑕疵，我們不建議使用。此外，像華為、小米等品牌的手機還具備模擬螺旋焦外等特殊的虛化效果，也能讓手機拍攝的人像照片更接近相機鏡頭的效果。