把大拇指伸到一臂之外,它就能遮住月亮。只需这一个动作,就道出了通过图像测量尺寸的全部难点:相机记录的是角度,而非尺寸。镜头附近的火柴盒与远处的集装箱可能占据完全相同的像素,且照片中没有任何东西能将它们区分开。画家们在十五世纪将其规范化为透视法;计算机视觉将其规范化为投影相机模型(标准的现代论述见 Hartley & Zisserman 合著的《计算机视觉中的多视图几何》);而每一款宣称“用手机测量一切!”的应用程序都必须以某种方式解答这个问题。

有两种坦诚的解决办法。一种是让手机了解自己的光学元件 —— 焦距、传感器几何结构、镜头畸变 —— 并估算距离,这就是 AR 测量应用所尝试的方法,其准确度取决于硬件、光照、纹理和运气。另一种方法要古老几个世纪,而且完全不需要了解相机的任何信息:在画面中放一个已知尺寸的物体。

诀窍:比例在投影中传递

Sentio 的「尺寸」工具走的是第二条路。将你关心的物体与一个参照物(银行卡或一张 A4 纸)放在一起拍照,然后在照片上标记两条线段:一条横跨参照物,一条横跨目标物体。该工具会计算出一个比例并进行乘法运算:

真实尺寸 = (目标像素 ÷ 参照物像素) × 参照物的已知尺寸

为什么银行卡可以当作合法的尺子?因为它是你拥有的最严格标准化的物体之一。ISO/IEC 7810 将 ID-1 卡片格式固定为 85.60 × 53.98 mm —— 世界上每一张银行卡、会员卡和酒店房卡都符合这一标准,误差不到一毫米。A4 纸(297 × 210 mm,源自 ISO 216 系列)则是测量更大目标时的“大号版”参照物。实际上,你一生都在随身携带高精度的参照物。

使得该比例成立的几何原理是相似三角形:当两个物体处于距离镜头的相同距离、且在同一平面上时,投影会对两者进行相同比例的缩放——无论该比例是多少。焦距未知?约掉了。距离未知?约掉了。哪款手机、哪种镜头、哪倍变焦?全部约掉了。这就是该平台“无需单设备校准”原则最纯粹的体现:未知的相机参数同时出现在分子和分母中,并被消去了。

Pinhole camera diagram showing similar triangles. On the right, two arrows stand in the same object plane: a short reference of known height and a taller target. Rays from their tips pass through the pinhole on the left and land on an image plane behind it, producing two inverted projections. Because both objects share the same distance to the pinhole, the ratio of their image sizes equals the ratio of their real sizes, whatever the focal length or distance. image plane (sensor) object plane — both at the same distance pinhole target: ? mm card: 85.60 mm (ISO/IEC 7810) two image sizes, same scale factor target ÷ card is the same ratio in pixels as in millimetres focal length and distance appear in both projections — and cancel
针孔成像中的相似三角形:同一平面内的物体会按相同比例缩放,因此已知参考物校准的是拍摄画面——而不是相机本身。

真实可靠之处与局限所在

在上述条件满足时,以上结论完全成立:参考物与目标物体处于同一平面、相同距离,且大致正面直视。而该工具的误差来源,正是现实照片偏离这些条件的方式:

操作规范的话——共面、居中、参考物占比大——百分之几的精度是完全现实的:对于手掌大小的物体,误差在一两毫米左右。这就是该工具的上限,我们选择坦诚相告,而非刻意隐藏。值得注意的是,保存的测量结果会同时保留两个原始线段、参考物的选择以及画面几何结构,因此这个数字在以后是可重新推导和审核的——可以重新验证的测量结果,总比只能盲目相信的数字更靠谱。

对比专业仪器

专业仪器 手机“尺寸”工具 差距显现之处
游标/数显卡尺($20–$200):±0.02–0.05 mm,直接接触 通过照片达到百分级精度;无需接触 任何涉及公差的工作——轴配合、螺纹尺寸、3D打印校准。相差两个数量级的精度是无可妥协的
卷尺($5–$30):数米长度上有毫米级刻度,需要能够触及两端 在你站立的位置进行测量;适用于无法触及或跨越的物体 距离较远且没有平整平面来放置参考物的情况;在能够触及的情况下,卷尺也显然更快
激光测距仪($50–$500):数十米内精度为 ±1–2 mm,测量沿光束的距离 测量平面内的尺寸而非距离;无需依靠墙壁对准 房间尺寸、天花板高度、现场勘测——几何结构不同,仪器也不同,激光完胜
摄影测量设备 / 结构光扫描仪($1,000+,需要校准靶标和软件) 仅凭一张照片获取一个比例;特意无需相机模型,无需 3D 曲面、体积、完整的 3D 重建——此工具测量的是平铺长度,且仅限于此

它实际扮演的角色:“尺寸”工具适用于那些本来不会去测量的尺寸——比如在跳蚤市场上看中的沙发、在五金店时会苦思冥想的壁龛、每周观察记录的叶片,以及其大小可用于成熟度评估功能的水果。它的竞争对手不是卡尺,而是凭空猜测。而且与猜测不同的是,它的测量结果会归档在您目录中的该物体下,并附带照片、标记线段和日期。

“尺寸”工具与计数、抄表同属于“记录型相机”家族——参见计数、测量与读取——而关于手机何时应该让位于专业仪器的更广泛探讨,则是客观评估的主题。