虽然双镜头手机已普及，带来的人像模式、多倍变焦也成了不少智能手机的“标配”，但仍然有厂商依然坚持用单镜头。
比如以软件著称的 Google，从 Pixel 手机初代到今天 Pixel 3 / 3 XL，两年时间里（初代 Pixel 于 2016 年发表），仍坚持采用单镜头。
有意思的是，Pixel 不但是 DxOMark 榜单前段班常客，夜景表现长期力压各旗舰，且还带来了比双镜头出品更优秀的人像模式。
这些都要归功于软件算法和 AI 神经网络。Google 在 Google AI Blog 分析了 Pixel 3“人像模式”（Portrait Mode）的算法原理。实际上，他们在这套算法下了不少工夫。
Google 的算法原理
如果你对 Google 相机算法很陌生，不妨先来了解一下 Pixel 2 的人像算法原理。
去年，Google 透过 AI（神经网络）算法，让 Pixel 2 / 2 XL 在仅一颗镜头的硬件条件下，拍出与双镜头手机媲美的人像背景虚化照片。
（Source：Google）
去年 Google 公布的这组对比图，我们能快速区分出左边的 HDR+ 和右边 Portrait Mode“人像模式”照片在背景虚化的不同。
正如所见，“人像模式”下，人像后的背景被软件虚化处理，与正常 HDR+ 对比看去视觉冲击更强，同时也避免背景干扰拍摄主体的视觉。
拍摄一张 HDR+ 照片
根据 Google 去年 AI Blog 的介绍，Pixel 2 相机会先拍摄一组 HDR+ 照片，再多帧合成，提升最终成片的动态范围、细节保留、高光表现。
下面这组 HDR+ 的对比图，能看到此功能开启前后的区别（注意右上角远景曝光及地板线条细节）。
▲ 左：HDR+ 之前；右：HDR+ 之后。（Source：Google）
分割远近景
如果你想拍一张“人像模式”照片，那么得到一张 HDR+ 成片后，相机会使用 TensorFlow 的 AI 神经网络将人物画素点、物体画素点、远近物画素点筛选出来。
Google AI Blog 的对比图能看到更直觉的展示效果：
左边是 HDR+ 拍摄原图，右边黑色部分是 AI 辨识出来的背景部分，白色部分是辨识出来的主体人物外框（包括人物五官细节及外框内的物体）。
有意思的是，从最终成片能看到，桌上的饼干在 AI 辨识是属于“非人”部分，但最终这部分没有虚化。这是因系统除了将主体和背景辨识出来，还辨识出主体周围物体，因此 AI 最终没有将人物下方的物体虚化。因为这部分虽然不属于对焦主体，属于近景，但这效果还不是最完美。
得到深度最佳化图并合成最终成片
虽然去年 Pixel 2 和今年 Pixel 3 系列都没有双镜头，但 Google 似乎一直不是硬件取胜的公司，他们更擅长用软件和算法解决问题。
（Source：Google）
尽管没有硬件双镜头，但 Pixel 相机都配备 PDAF 双核相位对焦技术，Google 便可透过画素点划分，将一颗镜头“一分为二”：
镜头手边拍摄到的画面会和右侧画面约 1 毫米的不同视觉间距，如果是垂直拍摄，镜头则是分为上下两部分排列。
拍摄后，系统会并排两侧镜头拍到的画素。通过 Google 自家 Jump Assembler 演算法得出立体演算的深度最佳化图，利用双向求解器将深度图转变成高分辨率。
▲ 图 1、2 为上半部、下半部相机拍摄，图 3 动图为前面两图区别。（Source：Google）
上图左是透过 PDAF 拍摄并演算得到的深度图，白色部分越深，代表与镜头距离越近；右边是决定画素模糊程度，黑色部分为“不需模糊”范围，红色部分为“需模糊范围”，透过红色深浅，系统会自动判断背景虚化的力度。
▲ 最终效果图。（Source：Google）
最后系统会将第 2 步骤分割出的背景图和第 3 步骤得出的深度图合并。在 AI 物体判别下，系统能估算出近景的饼乾和瓷盘到对焦（人物）主体的距离并虚化。最终得到比步骤 2 的初级处理更全面和自然的人像照片。
对比步骤 2 和步骤 3 最终效果图，你能看到近景饼干也适当虚化了。透过软件演算法，我们能将虚化范围“捏造”成任何形状。
Google 怎样训练神经网络的？
了解了 Pixel 2 的人像模式原理，那么 Pixel 3 的最佳化就不难理解了。
透过软件算法，相机系统可大致估算出对焦主体和背景的距离，并虚化远景。但手持拍摄时，手机难免出现轻微振动，因而影响到最终虚化效果。正是如此，之前有不少用户在 Pixel 2 系列遇到景深辨识错误的问题。
（Source：Google）
根据 Google AI Blog 介绍，基于神经网络学习的特徴，Pixel 3 上 Google 透过增加 AI 系统的辨识帮助和训练 AI 神经网络的算法，修复“人像模式”的辨识误差问题。
例如，透过画素点数量判断物体与镜头的远近距离，得出给 AI 更精准的距离判断结果；或透过焦点内外的清晰情况，提供 AI 散焦。
（Source：Google）
“Franken Phone”是 Google 用于训练 TensorFlow 编写的神经网络系统的装置，这套装置由 5 台 Pixel 3 和 Wi-Fi 组成。
测试时，Google 会用 Franken Phone 的 5 台手机在不同角度同时拍摄，最终得出一张由多角度、立体算法合成的动态深度图。进而达到模拟拍摄动态、在复杂场景训练神经网络精准辨识出人物（近景）和背景（远景）的目的。
▲ 左图为 Google Franken Phone。（Source：Google）
当然，如果读者对 Google 这套算法感兴趣，也可以亲自研究。Google AI Blog 表示，使用 Google Camera App 6.1 版本的“人像模式”拍摄后，透过 Google Photos 能检视照片的深度图了。
或者，也可透过第三方软件撷取深度图，看看 AI 神经网络最佳化辨识的方式。
（本文由 爱范儿 授权转载；首图来源：Google）
