讲讲摄影吧~

讲讲摄影吧~

呼呼呼 好久没写文了
写这篇文也算是把学到的与摄影有关的知识记录下来做一个总集
(不定期更新)(咕咕咕警告)

摄影

人们一直在尝试着记录现实世界中的事物。从最早的雕刻,作画,到近现代的各种成像技术,我们总是在试着记录最接近真实的画面。
摄影 因此而生。(此处有Wiki外链,能fq可以了解一下~)

摄影的本质是?

当然不是复读机(误

摄影的本质是捕捉光的 艺术 (是艺术啊!),所以曝光准确与否就成为了技术层面最核心的问题。

摄影的后期制作

以前的后期制作是指把介质中存留的影响信息经过转换提取出来供人眼观察,具体的方法依赖于介质的类型。(比如过去很多著名的粒子物理研究中,用特殊的材料来探测各种粒子,最后再将材料上记录的信息提取出来供实验分析,这也是一种成像(俺瞎掰的,别信#手动滑稽))
在数码相机和图像处理软件盛行的现在,后期制作一般都是指修图了…

摄影的类型

摄影发展至今天,已经有非常多的分支了,可以说已经涵盖了生活中的方方面面(甚至是幻想中的)。在这里我举一堆栗子:

艺术摄影 广告摄影 自然摄影 风光摄影 裸体摄影
画意摄影 家庭摄影 纪实摄影 公关摄影 天文摄影
新闻摄影 建筑摄影 电影摄影 黑白摄影 废墟摄影
时装摄影 法医摄影 数码摄影 微距摄影 静物摄影
婚纱摄影 商业摄影 水中摄影 人物摄影 观念摄影

(真_一堆栗子)

摄影中的基本概念

曝光、光圈、快门、感光度(ISO)、焦距、曝光补偿

由于每一个概念都非常繁杂且有非常多的分支和发展,这里只作简要的摘抄介绍,详情还是看Wiki比较好。

曝光(Exposure)

曝光 是指摄影的过程中允许进入镜头照在感光媒体(胶片相机的底片或是数字照相机的图像传感器)上的光量

(以下图片来自Wiki)


l75E0x.jpg

上图展示的就是在其他条件不变得情况下,曝光时间对画面的影响(其他条件指焦距,光圈,ISO等,简单的控制变量法)

曝光是一个 动作 ,是相机的动作。在你按下相机的拍摄键时它就开始执行,曝光结束后你就得到了一张照片。
我们常说的 光圈 (大小,以口径长度单位计),快门 (长短,以时间单位计),ISO (感光度,以国际标准ISO 6定义,是衡量底片/传感器对光的灵敏程度的量),是决定曝光效果如何的 曝光参数

光圈(Aperture)

光圈 是照相机上用来控制镜头孔径大小的部件,以控制景深、镜头成像素质、以及和快门协同控制进光量。
表达光圈大小用f值表示,对于已经制造好的镜头,不能随意改变镜头的直径,但是可以通过在镜头内部加入多边形或者圆型,并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头通光量,这个装置就叫做光圈,光圈f值(N)=镜头的焦距(f)/光圈口径(D)。

当然,对于我们的手机来说,暂时很少有手机能够搭载光圈可变的镜头组(因为这一套光学机械电子系统体积还挺庞大的,暂时做不小),通常都是恒定光圈(一般还都挺大的,F1.8左右)。

简单而言,光圈值越小光圈就越大,进光量也越大,景深越浅。意即D值(光圈有效孔径)越大,N值(光圈值)越小。(见前面提到的公式N=f/D)

常用的光圈系数序列为:

1 1.4 2 2.8 4 5.6 8 11 16 22 32 45 64 90 128

俺现在手头的镜头光圈最小能到F40,最大能到F1.4。
通过镜头到达感光底片或芯片的光的照度和光圈孔径的平方成正比,和光圈数的平方成反比。光圈数序列中相邻两个光圈数的平方比为 1:2,因此,光圈环转动一格,照度相差一倍

举个栗子

比如1.4^2 =1.96 -> 2,所以当你把光圈从F1.4调到F2的时候,保持其他曝光参数不变进行一次曝光,曝光过程中进入镜头的光将减少一半。
如果你想保持相同的进光量,这时应该把ISO提高一倍,如从400提高到800
下图是尼坑家一支镜头的光圈变化过程,可以看到F值越小,进光的环越大。

(以下图片来自Wiki)


l75O8e.jpg

快门(Shutter)

快门 也叫光闸,是照相机中控制曝光时间的部件,快门时间越短,曝光时间越少。

快门的种类太多了,搬个图意思意思哈哈哈哈

(以下图片来自Wiki)


l7H00A.gif

可以简单地理解为一个黑色幕布,挡住你的感光元件。在不拍摄时是完全挡住的,开始曝光时它会挪开,让感光元件接收从镜头外射入的光线,等到了你预定的曝光时间,幕布又会回去挡住感光元件,完成一次曝光。

快门几个关键的参数主要是:快门寿命,快门速度(从全开到全关的时间),响应速度(快门延迟时间),等效曝光时间,最高速度(多数相机有B快门,可以无限时长拍摄(按下开始,再按下结束))

ISO(感光度)

感光度,又称为ISO值,是衡量底片对于光的灵敏程度,由敏感度测量学及测量数个数值来决定,国际标准化组织标准为ISO 6。
无论是数位或是底片摄影,为了减少曝光时间相对使用较高敏感度通常会导致影像品质降低(由于较粗的底片颗粒或是较高的影像噪声或其他因素)。基本上,使用较高的感光度,照片的品质较差。

图示,控制快门时间1/50s,光圈F5.6的情况下,分别使用ISO400 和 ISO 1600拍摄的同一个画面。
(以下图片来自Wiki)


l7LIAA.jpg

以下介绍2种摄影方法中感光度带来的影响。有关数码相机传感器,会在后文中单独阐述。

胶片的感光度

底片对光线的敏感程度叫做胶卷的感光度。未经曝光的胶卷遇到光线,胶片上会起化学反应,根据进入光线的多少而在胶片的不同位置产生深浅不一的变化,从而在胶片上留下影像。

值得一提的是,尽管更换胶卷较为麻烦,但在实际拍摄中,由于各种条件的限制,有时采用高感光度胶卷会成为必须的选择。体育摄影师就常常使用较高感光度的胶卷,因为如果不采用,他们将不得不放慢快门速度以增加进光量,这样会导致照片模糊而失去利用价值。

数码相机的感光度

数码相机并不存在底片及底片上的化学反应,其感光度是一种类似于胶片感光度的一种指标,是一种等效感光度。实际上,数码相机的ISO是通过调整感光元件对光线的灵敏程度或者合并感光点来实现的,也就是说是通过提升感光元件的光线敏感度或者合并几个相邻的像素点来达到提升ISO的目的。

现在我们常用的ISO标度一般是ISO运算式标度(ASA标度),常见的取值有:

50 100 160 200 250 320 400 500 640 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 5000 6400 12800 25600 51200 115200

焦距

焦距,也称为焦长,是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中,从镜片光学中心到底片、CCD或CMOS等成像平面的距离。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。

焦距通常使用毫米(mm)来标示,相机视野的大小取决于镜头的焦距和底片/传感器尺寸大小的比例。由于最大众化的是 35mm(也就是我们常说的全画幅,135画幅) 规格,镜头的视野经常是根据这种规格标示的。

一般来说,对于同一个光学传感器来说,所接的镜头焦距越短,其视野越大,取景范围越广,画面中容纳的景物越多,但是每个物体在画面中占的面积就越小。焦距越长,与其相反。

常用镜头焦段

焦距/段 归类
<=24mm 超广角
24mm & 28mm 标准广角焦距
35mm 人文焦段
50mm 标准镜头焦段
85mm 中长焦段
>=135mm 长焦段
>=400mm 超长焦

变焦与定焦镜头

变焦镜头指焦距可以变化的镜头,如24mm-70mm,其焦距可以在24mm至70mm之间连续调节。
定焦镜头就是焦距固定,不能调整的镜头。

一般使用的话(如外出旅游),给自己的相机挂上一支变焦镜头是比较方便的。
但是定焦头也有其独特的魅力。具体体现在哪里呢?

定焦与变焦的光学结构复杂度

一般来说,使用同等光学玻璃材料,变焦镜头的光学结构更加难以设计。因为它要保证在可以达到的焦距段之内都能正确地成像,不会出现奇怪的衍射、干涉现象,镜片组之间不会有奇怪的折射光路而造成图像损坏,保证图像的畸变程度在可控范围内…等等

(不要拿上万元的变焦镜头和1千多的定焦镜头比啊…没有可比性orz 卖的贵是有道理的,设计镜头的厂商对其定位不同,所以采用了价格更高昂的光学材料和处理工艺来做这个镜头,成像质量也得到了提升,自然的价格就上去了~)

定焦镜头的魅力

首先,定焦镜头可以让你熟悉一个特定焦段的成像“感觉”。
这不是玄学!!!
这不是玄学!!!
这不是玄学!!!
比如你用50mm的定焦镜头拍摄一个月下来,之后如果你要用50mm镜头拍摄一个复杂的景物,心中有个大概的构图之后,稍微一看就能找到最合适的拍摄位置。如果不训练,你可能要为了寻找最佳拍摄位置耗费数倍的时间。

其次,定焦镜头适合练习构图。
每次拿着变焦镜头拍摄风景,到一个地方站定之后,拧来拧去,咔擦一下。
事后,你用的什么焦段? 哦豁,不知道,回去看一下元数据。。。
定焦让你的小腿动起来,不停地挪屁股,帮助你训练构图的感觉(顺便锻炼身体嘛)

为了达到这些指标,变焦镜头可能会在光学玻璃材料和结构设计上有所取舍,牺牲了一些成像性能来达到变焦的目的,所以,通常在同等价位下,变焦镜头的成像质量和定焦镜头还是有一点差别的。

网上有很多流行的说法,说35mm,50mm是“大师焦段”
在本人看来,纯粹是属于盲目追捧。
根据经典作品的统计规律来看,使用这个焦段拍摄的大师级作品的可能会占多数吧,日常拍摄,这2个焦段的镜头也最受欢迎吧。
但是每个人对美的定义与评判标准又是否相同呢?在我看来摄影是一个集科学、艺术、技术、灵感为一体的"兴趣爱好"——
同一处风景,没有"应该用xxx焦距的镜头拍"的说法。我可以拿普通广角,囊括目所能及的一切,也可以拿鱼眼,在广角的基础上施加一点“变形”,也可以拿50mm定焦,聚焦于巨幅画面的一小处,更可以拿400mm大炮(如果我有的话),打下遥远的山巅。
不要把自己拍不出好照片归罪于器材,拿几百元狗头出好照片的人也照样存在(还不少)~

龙王我BB了这么多,还是看个真东西吧

(我连任Emoe群5天的龙王(((((丢人.jpg
光说没用啊,还是看一个真镜头吧。这个镜头被称作Canon "穷人三宝"之一
最大光圈F1.8,50mm定焦自动对焦,只要不到1k的价格!
(就算你这么便宜我也没有啊哈哈哈哈哈


lHmxht.jpg

焦距 最大光圈 其他参数1 其他参数2 最近对焦距离
50mm F1.8(可变) 超声波马达自动对焦 全画幅/APS-C画幅兼容 0.35m

样片请看Kenrockwell的测评

强烈推荐这个私人网站,站长是个摄影爱好者,购置了很多相机并做了很多较为专业的评测,加他的Instagram还可以不定期看他发的国外风景照23333

CMOS vs CCD

如今,大多数数码相机采用了CCD或CMOS图像传感器。这两种类型的图像传感器都能够完成选取影像、转换电子信号的任务。

上述两种影像传感技术,在影像品质上并没有太大的优劣之分,CCD传感器在接收强光照射时,对于“纵向涂片”(vertical smear)效应过于敏感,导致信号过载;高端的CCD则通过技术手段缓解了这一问题。不过,CMOS传感器则会因为果冻效应(rolling shutter)产生一些不必要的效应。

但是由于CMOS成像技术不断提升,消费型数字相机以及数字中片幅产品都广泛采用CMOS,使CCD在市场的占有率于2010年代起不断下降,稳执CCD牛耳的索尼(大法)宣布于2017年停产CCD。
其实还有一个更重要的原因,CCD比CMOS成本高。(可是它实在是太便宜了!)

CCD(Charge-coupled Device 电荷耦合元件)

CCD是于1969年由美国贝尔实验室的威拉德·博伊尔(Willard Sterling Boyle)和乔治·史密斯(George Elwood Smith)所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式存储器。将这两种新技术结起来后,博伊尔和史密斯得出一种设备,他们命名为“电荷‘气泡’组件”(Charge "Bubble" Devices)。这种设备的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆设备,当时只能从寄存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种组件表面产生电荷,而组成数字图像。
1971年,贝尔实验室的研究员已能用简单的线性设备捕捉影像,CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明,着手进行进一步的研究,包括飞兆半导体、美国无线电公司和德州仪器。其中飞兆半导体的产品率先上市,于1974年发表500单元的线性设备和100×100像素的平面设备。
2006年元月,博伊尔和史密斯获颁电机电子工程师学会颁发的Charles Stark Draper奖章,以表彰他们对CCD发展的贡献。2009年10月两人荣获诺贝尔物理奖。


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原理

在一个用于感光的CCD中,有一个光敏区域(硅的外延层),和一个由移位寄存器制成的传感区域(狭义上的CCD)。
图像通过透镜投影在一列电容上(光敏区域),导致每一个电容都积累一定的电荷,而电荷的数量则正比于该处的入射光强。用于线扫描相机的一维电容阵列,每次可以扫描一单层的电容;而用于摄像机和一般相机的二维电容阵列,则可以扫描投射在焦平面上的图像。一旦电容阵列曝光,一个控制回路将会使每个电容把自己的电荷传给相邻的下一个电容(传感区域)。而阵列中最后一个电容里的电荷,则将传给一个电荷放大器,并被转化为电压信号。通过重复这个过程,控制回路可以把整个阵列中的电荷转化为一系列的电压信号。在数字电路中,会将这些信号采样、数字化,通常会存储起来;而在模拟电路中,会将它们处理成一个连续的模拟信号(例如把电荷放大器的输出信号输给一个低通滤波器)。

总之,CCD的数据传输过程像一个队列,每个像素点的电荷一个个排着队将电荷传给电荷放大器,再转换为电压信号,实现了逐个像素点的光-电信息转换。


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CCD的应用

含格状排列像素的CCD应用于数字相机、光学扫描仪与摄影机的感光组件。其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光),优于传统软片的2%,因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

此外,在红外成像,热成像,紫外线成像,光学频谱测量等领域,CCD仍然非常NB。

CCD在天文学有一个特殊的应用,wiki说到:

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式,能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致,速度也同步,以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差,还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,互补式金属氧化物半导体)为基础的有源像素传感器(APS)


165w0U.jpg

原理

CMOS感光元件不但造价低廉,也能将信号处理电路整合在同一部装置上。后一特性有助于滤除背景噪声,因为CMOS比CCD更容易受噪声干扰。这部分的困扰现时已渐渐解决,这要归功于使用个别像素的低阶放大器取代用于整片CCD阵列的单一高阶放大器。CMOS感光元件跟CCD相比,耗电量较低,数据传输亦较快。于高分辨率数字摄影机与数码相机,尤其是片幅规格较大的数字单反相机更常见到CMOS的应用,另外消费型数码相机以及附有照相功能的手机亦开始使用背面照射式CMOS,使成像质量得以提升。CMOS于成像的技术日趋成熟下大幅普及,使CCD的占有率从2010年代起不断下降,全球最大的CCD生产商索尼更宣布于2017年停止生产CCD,但是高级相片扫描器以及军方器材仍然为CCD所垄断。

CMOS最大的特点就是在传感器上就集成了信号处理单元,直接输出经处理过的数字信号,而不像CCD那样需要把每个像素点的数据逐个提出来再来处理。(这样可以减少一整个中间数据buffer,减小了信号噪声,也方便了后续信号采集的过程)

现在同等技术规格的CMOS比CCD便宜(很多),所以现在市面上常见的普通相机和摄影器材都是CMOS的设备。

成像原理-Bayer filter

Bayer filter的中文叫拜尔滤色镜,是一种将RGB滤色器排列在光传感组件方格之上所形成的马赛克彩色滤色阵列。
(顺便一提,拜尔滤色镜以发明者 伊士曼柯达公司(Kodak!!!!!!) 的布莱斯·拜尔命名。拜尔也以有序抖动法中使用的递归定义矩阵而闻名于世)


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这种滤色器的排列有50%是绿色,25%是红色,另外25%是蓝色,因此也称做RGBG ,GRGB ,或者RGGB

  • 布莱斯·拜尔在1976年的专利中将绿色光传感器称作光敏侦测组件,红、蓝色为色敏侦测组件,他用两倍于红色或蓝色的绿色组件来模仿人眼的生理性质。(人类视网膜白天同时使用M与L视锥细胞来感光,对绿光最为敏感)。这些组件称为感应组件、像素感应器、感应单元格(sensel)或简单像素等。

  • 被它们感应侦测到取样的数值之后,使用插值(interpolation)形成影响像素。

  • 拜尔滤色镜相机的原始图像文件称作拜尔图像影像。因为每个像素只过滤并记录RGB三种颜色的一种,这些从单个像素获取的信息并不能完整表现红、绿、蓝各色的组成数值。为了得到全色彩影像,可用不同的去马赛克算法来插值得到每个像素的红、绿、蓝色的组成数值。这些算法利用周围相同颜色的像素去估计一个特定像素的组成数值。


16507F.png

去马赛克

去马赛克有不同的实现方法,一些简单的方式是对相邻同色的像素数值进内联插。举例来说,当芯片曝光得到一张影像后,每个像素就可以读取出来。绿色过滤器的像素精确测量了绿色成分,而该像素红色和蓝色的成分则是从邻区获取。一个绿色像素的红色数值可由相邻两个红色像素内插计算出来;同样的,内插相邻两个蓝色像素也能计算出蓝色数值。

关于噪声和细节问题,请看 拜尔滤色镜wiki

简单来说,CMOS和CCD的彩色成像原理类似,使用滤色镜得到3张不同的图像(在实际的过程中并不会产生这3张图像),然后使用运行在数字影像处理器上的算法来融合这3张原始图像(拜尔图像),得到最终的图像。

除了拜尔传感器

还有:

  • Foveon X3传感器
  • 3CCD传感器
  • 专用传感器

    在热成像仪、多光谱图像(multispectral image)、喉镜(laryngoscopy)、伽马相机(gamma camera)、X射线传感器以及一些天文学的研究应用领域,还采用了专用的图像传感器。

传感器的性能参数

画幅

画幅表示(inch) 实际大小(mm) 对角线长度(mm)
1/2.3 5.38 x 4.39 7.2
1/1.8 7.17 x 5.32 8.9
1/1.7 5.6 x 7.4 9.5
1/1.63 5.9 x 7.84 9.8
2/3 8.8 x 6.6 11
1 13.2 x 8.8 16
4/3(43画幅) 18 x 13.5 22.4
1.5 18.7 x 14 23.4
APS-C 23.6 x 15.8 28.4
(全画幅) 36 x 24 43.2

还有中画幅,大画幅等等….

注:

  • APS-C = Advanced Photo System Classic(先进摄影系统C型)
  • 在过去的摄影世界,感光媒介只笼统分成135、中片幅和大片幅,并无“全片幅”类别。事实上摄影感光媒介可以小至8mm菲林、大至34×9.8m(飞机库针孔相机),技术上感光媒介的片幅可以无穷无尽。由于全片幅的“全(Full)”予人“最大”的感觉,不少数码年代才投身摄影的新用户经常误会全片幅感光范围大于中片幅,造成尴尬
  • 手机的相机一直无法超越单反的根本原因就是:你底没我大

对于同等级别的传感器,当其尺寸提高后,信噪比和动态范围一般都会得到提升

那么我们来看一张图。


16bmlj.png

现在市面上的入门单反多为APS-C画幅级别,而手机上…据说现在最高的是小米和三星联合研制的1/1.33传感器(就是前段时间小米说的那个1亿像素),换算一下可以知道它大概就是43画幅的水平。
至于其他厂手机的表现…

  • 苹果祖传 1/3英寸 1200万像素cmos…
  • 丧星多年采用的1/2.55英寸,近些年才来的1/2英寸的IMX586
  • 华为的1/1.7 IMX600

别的不说了。。
为什么手机上不了这么大画幅呢?

主要还是 体积限制 ,如果我们想在一个6英寸大小屏幕的手机背后放一块APS-C画幅的CMOS传感器,先不说镜片组得做成什么样,这手机得有多厚,后面要突几个奥利奥出来(参考Nokia Lumia 1020 奥利奥镜头),手机里那点可怜的留给电路板的空间完全没有承载一颗这么大传感器的能力。

正所谓级大一级压死人。
关于如何压死人,可以看这个评测。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/41959831

别的参数

动态范围

动态范围(英语:dynamic range)是可变化信号(例如声音或光)最大值和最小值的比值。
(也没啥好说的,只是个概念)

信噪比

信噪比(英语:Signal-to-noise ratio,缩写为SNR或S/N),又称訊噪比,是科学和工程中所用的一种度量,用于比较所需信号的强度与背景噪声的强度。其定义为信号功率与噪声功率的比率,以分贝(dB)为单位表示
同上。

<未完待续>

俺写累了,需要休息。。先把坑挖在这里,列个目录:

CCD&CMOS成像原理与区别(Rua我填上了)
单反与无反结构(我也不太懂)
大家都爱的虚化和景深
做一个考虑周全的拍摄者
特殊场景拍摄(如星空)

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