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光与影的秘密 数码相机成像宽容度探析(1)  

2013-04-20 15:46:19|  分类: 摄影技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:李铖

 在数码影像领域里,“动态范围”与“宽容度”是两个出现频率非常高的概念,尤其当我们讨论摄影器材的时候。而且随着技术的进步,越来越多的相机厂商也非常强调这两个概念,比如富士胶片的Super CCD系列产品就一直将“超宽动态范围”作为产品的一大特色;大多数码单反相机也都有“动态范围优化”相关的图像设置项。那么到底“动态范围”与“宽容度”这两个概念如何影响数码影像领域的每一环节呢,我们通过理论和实验来进行简要探析。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析

尼康相机的D-Lighting是一种动态范围优化功能

    动态范围(Dynamic Range),从字面上讲,它的中心语是“范围”,指一个物理量的最高值和最低值之间的范围,是一个相对性概念,可以用差或比值来进行描述的。只是这个物理量在不同的领域里有不同的对象,比如我们在电子领域里可能用动态范围来描述信号强度;在声学里可以用来描述声音的响度;测绘仪器的量程其实也可以理解成可测量对象的动态范围。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析

大动态范围的场景

    而在照相技术里面,动态范围则是指拍摄对象的亮度范围——对象里最暗点到最亮点的亮度跨度。比如上图所示的大动态范围的场景,画面里既有特别亮的阳光反光区域,又有特别暗的山体阴面。大动态范围的场景里,最亮部分与最暗部分相差特别大,画面的对比度高,层次丰富。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析

小动态范围的场景

    而小动态范围的场景里,则多数对象的亮度都差不多,画面对比度低,容易表现出暧昧、朦胧的画面感觉。 动态范围的描述:

    前面说过,动态范围既然是一个范围,那么就可以用比值或者差值来进行量化描述。在照相技术里,我们常采用差值来对动态范围进行量化。我们知道,曝光量每增加一倍或者减少一半,则被称之为增、减1EV(Exposure Value,曝光级),测光表可以测量该区域的亮度为nEV。而动态范围则可以用场景里最高亮度与最低亮度区的EV之差来表述,比如说“为了拍摄柔和的人像照片,我们可以为场景布光或者使用道具,控制其动态范围在3EV之内”,就是指布光完成后,画面里最亮(可能是白色衣物)与最暗(常常是头发)区域的测光值不超过3EV。

    在理解了动态范围的意义之后,我们顺便插入一个实用的小常识:数码相机亮度直方图的读图方法,这跟理解图像的动态范围是有紧密关系的。直方图显示是大多数数码相机都有的一项功能,它们可以在回放照片时显示,有的甚至可以在预览画面上实时显示。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(2)

数码相机往往支持直方图显示

    直方图是用来体现图像亮度分布的图表,它显示了画面中不同亮度对象所占的画面比例。亮度直方图其实也是一种柱状图,只不过它的每一个“柱”挨得太过紧密,因此我们可以将它理解成一个二维坐标里一条紧挨着一条的竖线(柱状图)构成的图表。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(2)

直方图的由来

    这个特殊的柱状图的横轴是像素亮度,左边低,右边高;纵轴是指定亮度的像素所占整个画面的比例,下面小,上面大。由此直方图就通过亮度和画面比例表示出了整个画面的亮度分布,坐标中竖线(柱)越高,表明亮度为它与横轴相交点的像素占整个画面的比例越高。比如下面的例子:

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(2)

画面中的比例最高的亮度

    假如上图是一幅数码照片的亮度直方图,图中我们指定的橙色竖线最高,它与横轴的交点是150,这就表示这幅照片中,亮度为150的像素在画面中最多。又比如,图中横轴0点处几乎没有柱状图,这就表示该画面中没有亮度为0的点(黑点)。接下来我们看看场景的动态范围与直方图的关系:

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(2)

大动态范围的场景

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(3)

小动态范围的场景

    我们观察上面两个场景的亮度直方图,可以发现大动态范围的场景,其直方图是在整个横轴(亮度)范围内分散开来的;而小动态范围的场景,直方图则比较集中。

    我们知道宽容是指一个人对事情的包容、原谅和接纳,比如我们常说“某爸爸很宽容,孩子很乖当然爸爸高兴,即便孩子很淘气的时候爸爸也不生气”。同样的,数码相机的宽容度我们可以理解成一个拟人化的词,它是指相机成像时对场景动态范围的容纳程度:如果相机既能表现场景中很亮的对象,也能表现场景中很暗的对象。那么我们就可以说这个相机的宽容度很大。相机的宽容度,就是指它在一次拍摄中所能表现的场景的最大动态范围。

    相机宽容度大小如何影响图像效果呢?我们来看一个例子,对于同样的场景,我们模拟宽容度不同的两台相机来拍摄:

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(3)

高宽容度相机拍摄的画面

    如果相机的宽容度较高,那么它可以将画面里高光的部分,比如雪花的绒绒的感觉表现出来;同时暗部,比如屋檐下的图案也表现出来。

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(3)

低宽容度相机拍摄的画面

    如果相机的宽容度很低,那么画面中高光和较暗的部分都可能表现不好层次,比如雪花的部分变成了全白,而屋檐下的图案则被全黑的区域吞没——这就是所谓的“高光溢出”和“暗部缺失”,都是画面层次不够自然的表现。

    注意:上面只是我们为了演示效果而人为制作的模拟图,同一时期的相机宽容度相差不会这么大。从上面图像的效果我们就不难理解了:数码相机的宽容度太大、太小都不好。如果相机的宽容度太大,拍摄出的画面显得平淡、不够鲜明;但是如果宽容度太小,拍出的照片则过渡生硬,层次缺乏。

    前文说到,相机的宽容并不是越大越好,可能有读者到此会疑惑了,那为什么数码相机的发展趋势还是向着高宽容度的呢?

光与影的秘密数码相机成像宽容度探析(3)

使用全新SuperCCD的富士胶片FinePix F200EXR新近发布

    答案可以分两个方面来讲:首先,数码相机的感光宽容度和输出宽容度是不同的两个概念,感光宽容度受到硬件限制,而输出宽容度可以通过图像软件来调节。但是硬件是基础,软件调节只是在硬件提供的感光宽容度的范围内进行调节,也就是说最终相机的输出宽容度不可能大于硬件的感光宽容度限制。因此,硬件感光宽容度越大,输出图像可优化的空间也就越大。硬件的感光宽容度当然是更大一些好,这就是数码相机感光器件发展趋势所向。

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