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光与影的秘密 数码相机成像宽容度探析(2)  

2013-04-20 15:44:24|  分类: 摄影技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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第二,“相机的宽容度并不是越大越好”其实也只是在一定的色彩空间里成立的。这是我们本节讨论的核心问题。

    我们真实世界里的颜色和亮度用“千变万化”之类的词来形容可能都显得苍白,因为这些色彩和亮度可能是连续变化的,种类不可数的。可是数字图像是有色域和位深度限制的,它只能表现有限的色彩数量。比如最常见的RGB色域,通过R(red,红)、G(green,绿)、B(blue,蓝)的不同浓度来混合成各种颜色,而R、G、B各通道的浓度又通过位深度来进行限制。因此8位的RGB色域可以表达的色彩数量是28×28×28=16777216种:从(R0,G0,B0)到(R255,G255,B255)。

    在将无限、平滑变化的真实世界的色彩,转换成有限的表现力的数字图像的过程中,必然存在色彩损失、层次变得生硬的现象。我们把数码摄影想像成一个翻译题,来进行简单分析,就知道在一定的色域下,相机的宽容度如何影响图像的层次了。

    我们假定有一串连续的数字“3,4,5,6,7”(想像成真实世界的连续光影变化),现在要将它们翻译成英文的字母,但是英文字母只有“a,c,e”这三个不连续的字母(想像成表现力有限的数字影像)可用。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(4)

宽容度小的翻译结果

    翻译方法一:宽容度为3,可以识别数字4,5,6,并分别翻译成“a,c,e”;当数字小于4时,认为其等于4,翻译成“a”;当数字大于6时,认为其等于6,翻译成“e”。按照这种规则,最后“3,4,5,6,7”被翻依次译成了“a,a,c,e,e”。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(4)

宽容度大的翻译结果

    翻译方法二:宽容度为7,可以识别数字“2,3,4,5,6,7,8”,但是由于字母的表现数量限制为“a,c,e”三个了,所以采用简单的线性转换方式,宽容度范围内的数字只能被依次翻译成“a,a,c,c,c,c,e,e”,其中“a,c,c,c,e”是“3,4,5,6,7”的翻译结果。

    比较这两种翻译方法的优劣:两种翻译方式的结果都造成了数据流失,因为可用的英文字母太少。但是宽容度小的方法一的结果好在中间值对比明显,缺点在于小于4或者大于6的数字都表现不出区别;而宽容度大的方法二,结果中间值不能区分,“4,5,6”都被翻译成了“c”,但对两端的数字表现出了区别。

    当然,上面的数字游戏只是一个极端的对比,实际上数码相机的宽容度还是很大的,也就是说当我们翻译可用的英文字母丰富了,结果就大不一样了。实际上我们常用的色域通道位深度(游戏里的英文字母数)还算充足,在这个前提下,数码相机的成像宽容度越大,越善于表现场景中高光和阴影部分的变化。

    前面说完了理论,我们再来通过实验探讨一下数码相机的宽容度到底有多大。当然,我们还是要借助软件来实现。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(4)

Imatest可以测试出相机在一定信噪比下的成像宽容度

    前面我们对数码相机宽容度的定义是“在一次拍摄中所能表现的场景的最大动态范围”,进一步说,所谓“能表现”是指至少能够体现出场景中细微的亮部差别。但实际上我们测试采用了一个间接的方式,因为要设置一个动态范围超过数码相机宽容度的渐变对象并不是容易的事情。在实验室均匀光源下,我们使用的柯达Q13灰阶标板最亮一级与最暗一级的光比也不过10.3EV/6.1EV。所以我们采用多次不同曝光量的方式来相对扩展拍摄对象的动态范围,然后进行拼接计算。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(4)

柯达Q13灰阶标板

    我们在均匀光照下以柯达Q13灰阶标板作为拍摄对象,并进行多次包围曝光,直至灰阶标板出现高光溢出和暗部缺失。然后再分析这些拍摄结果组合起来达到的可表现的动态范围,即可获得相机成像宽容度的范围。从技术上讲,数码相机的成像宽容度主要跟图像传感器上单个像素的感光面积(也就是常说的开口率)有关。我们选择了最新的全画幅数码单反相机、APS-C数码单反相机、小画幅的消费型数码相机以及富士胶片的SUPERCCD机型作为测试对象,它们分别是佳能EOS 5D Mark II、佳能EOS 50D、佳能Powershot G10和富士胶片FinePix F60fd。

    测试时,我们先关闭数码相机宽容度优化的相关功能,并设置感光度为ISO 100,影像风格设置为默认的“标准”模式,照片存储为最大尺寸、最高质量的JPG。以下是测试结果:

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(5)

佳能EOS 5D Mark II的测试结果

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(5)

佳能EOS 50D 的测试结果

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(5)

佳能Powershot G10的测试结果

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(5)

富士胶片FinePix F60fd的测试结果

    从测试结果来看,在信噪比为10的情况下,佳能EOS 5D Mark II(报价 参数 图片)、佳能EOS 50D、佳能Powershot G10和富士胶片FinePix F60fd的宽容度分别为7.99EV、7.93EV、5.25EV和4.52EV。可以看出大尺寸传感器的数码单反相机比消费型相机的宽容度要大得多。此外,如果将图像的信噪比换算基准设置低一些,数码单反相机的成像宽容度可以超过10EV。

   此外,如果相机支持更高的采样率,使用RAW文件在16位/通道的工作空间下进行宽容度测试,可能获得更高的测试结果。 数码相机再现图像时,并不完全按正比方式来表现,也就是说现实中均匀的亮度变化在照片里并不按正比再现。如下一个均匀的灰阶标板,在照片里每一个灰阶响应的系数并不一样,以至于响应曲线呈“S”型,这就是我们在调整色彩响应时常说的Gamma曲线。它斜率越大的位置,图像对比度越高

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(6)

不成正比的灰阶响应

    新的数码单反相机多具有宽容度优化功能,比如索尼的“DRO”、佳能的“高光色调优先”,尼康的“动态D-Lighting”等,它们便是通过调整Gamma曲线的状态,来改变画面的影调。这种改变往往体现在高光部分或者阴影部分的对比度增加,但不会提升相机的成像总体宽容度。测试显示,佳能的“高光色调优先”并不明显增加成像宽容度。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(6)

佳能EOS 5D Mark II关闭“高光色调优先”的成像宽容度

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(6)

佳能EOS 5D Mark II开启“高光色调优先”的成像宽容度

    既然数码相机的成像宽容度非常有限,而现实中很多场景的动态范围又非常大,所以数码照片中就会经常出现高光溢出或者暗部缺失的现象。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(6)

逆光拍摄时,数码相机的宽容度明显不足 在大动态范围拍摄数码照片时,我们往往需要增加曝光来保证暗部的层次,或者减少曝光来获得高光处的细节,但总是顾此失彼。为了改善这种状况,人们发明了高动态影像(HDRI)拍摄方法,在胶片时代,人们常用减光镜来降低部分画面的亮度,从而让相机“看”到的场景动态范围减小。而在数码影像时代,我们可以用多张不同曝光度的照片来合成,就方便得多了。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(7)

同一场景的包围曝光

    只要拍摄如上多张不同曝光度的照片,然后取其中各自的亮部和暗部,就可以合成一张既有亮部细节,也有暗部层次的HDR影像了。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(7)

合成的高动态范围影像

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