背景虚化

定义

背景虚化指的是在照片或影片画面中,对焦主体保持清晰、而主体之外的背景区域呈现模糊的成像效果,本质上是把背景排除在景深范围之外^[3]。景深即在焦平面前后仍能被肉眼分辨为清晰的一段轴向深度,当这段深度足够浅时,主体清晰、背景模糊的画面结构便出现了。

日常所说的一张照片被虚化的部分并不限于背景,主体前方的前景同样可能模糊;只因背景通常占据更多面积,这类效果被统称为背景虚化^[3]。英文中 Bokeh 一词更侧重描述焦外模糊区域的光斑形态与柔和程度,属于对画面美学特征的称呼,其好坏判断带有主观性^[1]。

原理

从成像上说,只有与镜头保持特定物距的平面才能在传感器上精确合焦,偏离该平面的景物,其光线在像面上收束成一个有限直径的光斑,即弥散圆;弥散圆小到人眼无法分辨时仍被视为清晰。因此虚化的强弱取决于弥散圆随离焦距离增大的速度。

景深近似与光圈数值、焦距和拍摄距离相关,可以粗略表示为 $DOF \approx \frac{2Nc\,u^2}{f^2}$,其中 $N$ 为光圈 F 值,$c$ 为容许弥散圆直径,$f$ 为镜头焦距,$u$ 为对焦距离。由该关系可见,F 值越小(光圈开得越大)、焦距越长、对焦距离越近,景深越浅,背景越容易化开^[4]。

flowchart LR

A[光圈开大 F值减小] --> D[景深变浅]

B[焦距加长] --> D

C[相机靠近主体] --> D

E[主体远离背景] --> F[背景超出景深范围]

D --> F

F --> G[背景虚化]

光圈叶片数量与形状还会影响焦外光斑的轮廓,叶片多、边缘圆滑的镜头更容易形成圆润的散景;叶片少时,失焦的高光点会呈现多边形^[2]。在计算摄影路径中,双摄或多摄系统通过视差测距、单目深度估计获得场景深度图,再以人像分割结果为依据对背景区域施加模糊,从而在物理光学无法产生虚化的设备上模拟出类似效果。

发展历程

以浅景深分离主体与背景的做法在电影摄影中早已有之,1979 年的影片《现代启示录》即以浅景深塑造人物形象^[1]。此后随镜头工艺进步和观影习惯变化,浅景深在电影中的使用日益普遍^[1]。

Bokeh 作为摄影术语的书面使用可追溯到 1998 年前后出现的摄影书籍^[1]。进入智能手机时代后,由于小型图像传感器的实际焦距很短,单纯依靠光学难以获得明显虚化,厂商转而借助深度估计算法与多帧处理在软件层面合成虚化效果,使这一效果从专业镜头的能力扩展为移动设备的常规功能^[1]。

应用

人像摄影是最典型的应用场景,使用中长焦镜头配合大光圈拍摄,可将杂乱的背景虚化为柔和的色块,使面部成为画面唯一的清晰区域^[2]。体育与野生动物摄影同样依赖这一效果,超长焦镜头本身景深极浅,能将被摄对象从远景中剥离出来^[2]。

在微距与产品摄影中,由于拍摄距离很近,即使光圈并不极端也容易出现浅景深,虚化被用来强调局部细节^[3]。消费级数码相机与小传感器设备缺乏大光圈镜头,常以贴近被摄体的微距方式获取虚化;手机则通过双镜头测距加算法处理输出虚化照片,而非单镜头光学直出^[2]。

摄像领域还出现了先拍摄后对焦的做法:记录包含深度信息的光场或多视角数据,后期再指定焦平面,从而重新生成不同位置的虚化效果。

局限

虚化能力受画幅与传感器尺寸约束。小传感器在相同视角下所需的实际焦距很短,例如等效 28 毫米视角时手机镜头的物理焦距可能只有 5.7 毫米左右,景深因此偏大,即便标称 F 值较小也难以获得明显的光学虚化^[2]。

光圈、焦距和距离三者需共同作用,任何单项都不是决定性因素。35 毫米 F1.4 镜头的虚化效果可能不如 200 毫米 F5.6 镜头,而拍摄距离过远时,再大的光圈也未必能让背景脱离景深范围^[2]。同时,开大光圈与靠近主体都会压缩可用景深,拍摄全身像或需要人物与背景同时清晰时便不适用。

算法合成的虚化依赖深度估计与主体分割的准确性,其结果并非真实光学成像,在发丝、透明物体等边界处容易出现分割误差;而且焦外光斑的形态由算法生成,与特定镜头的成像特征并不等同^[2]。此外,焦外模糊的优劣缺乏客观评测标准,难以量化比较^[1]。

参见

• 景深 —— 决定虚化强弱的核心光学概念,指焦平面前后可被分辨为清晰的范围。

• 弥散圆 —— 离焦光线在像面上形成的光斑,是景深计算的基础。

• 光圈 —— 通过改变通光孔径直接调节景深大小的镜头部件。

• 焦距 —— 镜头光学参数,焦距越长越容易形成浅景深。

• 散景 —— 焦外模糊区域的美学表现,关注光斑形状与柔和度。

• 计算摄影 —— 以算法合成虚化效果的实现路径。