【硬核攝影】鍵攝讓你重新認(rèn)識(shí)曝光三要素
本文共5300+1800字 .
可能是全網(wǎng)最詳細(xì)的曝光三要素講解?? .?
包括曝光的本質(zhì)、等效光圈、如何設(shè)定ISO等?? . ? ?
簡(jiǎn)要介紹（知道是啥可以直接跳過此部分）：
曝光時(shí)間：傳感器曝光的時(shí)間。越長則畫面越亮，但同時(shí)拍攝運(yùn)動(dòng)物體時(shí)模糊的程度更大；反之則越暗，越能捕捉瞬間。
光圈：通光直徑與鏡頭焦距的比值。對(duì)于焦距為100mm的鏡頭，F(xiàn)/4表示其通光口徑是25mm。當(dāng)光圈增大時(shí)，光圈數(shù)（即倒數(shù)，對(duì)于F/4來說光圈數(shù)就是4）減小，畫面越亮，焦外虛化更明顯；反之越暗，虛化越輕微。
ISO：ISO越高畫面越亮，反之越暗，相較于前兩者在前端調(diào)整亮度，ISO是對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益，在后端調(diào)整亮度。ISO過高會(huì)導(dǎo)致噪點(diǎn)較多，畫面質(zhì)量差。
三者對(duì)畫面亮度的影響：
當(dāng)曝光時(shí)間 * ISO * 光圈平方 為定值時(shí)，畫面亮度不變。
詳細(xì)：
????????首先了解相機(jī)成像的大致原理：鏡頭將物成倒像在傳感器上（這與用凸透鏡往紙上墻上等等成像是一樣的，只是把紙換成了傳感器），在傳感器上成像，照出一幅畫面，傳感器將此畫面記錄下來。
曝光時(shí)間：
????????前提條件：不考慮濾光片，無解馬賽克過程。
????????傳感器曝光是一個(gè)積分的過程。傳感器上的畫面是會(huì)隨時(shí)間變化的，它需要選取一段時(shí)間的畫面記錄，這段時(shí)間的長度就是曝光時(shí)間。對(duì)于某個(gè)像素而言，它的照度是時(shí)間的函數(shù)，記為E(t)。若曝光時(shí)間為Δt，則在最終的成片中，這個(gè)像素位置的亮度就是E(t)從t0到t0+Δt的積分的K倍（K由ISO等其它因素決定），其中t0取決于快門摁下的時(shí)刻。
????????例如，面對(duì)以50Hz頻閃的光源時(shí)，曝光時(shí)間需要為1/50的整數(shù)倍（雖然實(shí)際是每秒亮100次，但很少有燈能保證相鄰峰值是一樣的）。這是因?yàn)橹挥挟?dāng)積分長度是最小正周期的整數(shù)倍時(shí)，才能使得無論積分起點(diǎn)在何位置，積分結(jié)果都不變，對(duì)于畫面來說也就沒有閃爍。
????????當(dāng)考慮整幅畫面時(shí)，就相當(dāng)于把t0到t0+Δt內(nèi)傳感器上每一瞬間的畫面相加，這也是為什么曝光時(shí)間越長運(yùn)動(dòng)模糊越明顯。
????????雖然其本質(zhì)是積分或累加，但我們通常都會(huì)考慮相同的最終畫面整體亮度，這時(shí)曝光的作用就變成了“取平均”。
????????如果在一段長曝光內(nèi)用燈光掃過一片區(qū)域，那么照明效果就相當(dāng)于用一個(gè)面積更大（燈的軌跡就是“新燈”的形狀）但亮度較低的燈進(jìn)行短曝光。
?????????考慮拍車軌的場(chǎng)景，假設(shè)車輛勻速行駛。在畫面整體亮度不變的前提下，顯然增加曝光時(shí)間可以延長車軌的長度。那么如何增加車軌的亮度呢？
????????將畫面分為兩部分，一個(gè)是運(yùn)動(dòng)的車燈，另一個(gè)是靜止的地景。在相同的時(shí)間內(nèi)，傳感器接收到的來自它們的總能量的比值不會(huì)改變?，F(xiàn)在已有最終畫面整體亮度不變的前提條件，這就說明，將最終畫面中車軌的亮度與曝光時(shí)間相乘是一個(gè)定值。因此，減小曝光時(shí)間才能提高車軌的亮度。
????????從另一個(gè)角度說，在曝光時(shí)間長于一定值之后，由于車燈在每個(gè)像素上作用的時(shí)間是固定的，因此車軌的亮度實(shí)際上是由光圈和ISO決定的。而“曝光時(shí)間越長，車軌越暗”則是因?yàn)槠毓鈺r(shí)間增加后，必須要降低光圈或ISO來保證最終畫面亮度不變，從而導(dǎo)致了車軌亮度的降低。
????????拍星軌、螢火蟲等等時(shí)，都是與車軌相同的道理，當(dāng)ISO和光圈固定后，星軌的亮度就已經(jīng)確定了，提高曝光時(shí)間只會(huì)導(dǎo)致星軌、螢火蟲亮光的長度增加以及背景天空的亮度增加（降低了光軌與背景的對(duì)比度）。
????????在這一點(diǎn)上，也是不乏有專業(yè)攝影師翻車的。圖為某提問靈谷寺螢火蟲應(yīng)當(dāng)如何設(shè)置參數(shù)拍攝的回答：
????????如果使用如此長的曝光時(shí)間，最后就會(huì)得到一張幾乎看不到螢火蟲的純凈地景。至于如何獲得又亮又長的光軌，就只能通過后期進(jìn)行最大值堆棧了。
????????再比如拍攝閃電的情景。雖然閃電是一瞬間的事件，但卻需要使用長曝光來拍攝。由于其瞬間的亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周邊環(huán)境，因此如果在短曝光時(shí)間下使閃電正常曝光時(shí)，周邊物體就會(huì)幾乎不可見。但可以利用曝光的“平均”作用，將閃電的亮度分?jǐn)?/strong>?；蛘哒f是通過減小光圈和ISO來降低閃電的亮度。
????????類似地，還有閃光燈的使用。閃光燈的一次發(fā)光對(duì)于傳感器來說就像是一個(gè)極其短暫的峰值（接近沖激函數(shù)），如果其余時(shí)間的環(huán)境和主體都是全黑的，在某瞬間對(duì)主體進(jìn)行了一次閃光，而背景由于距離較遠(yuǎn)，亮度相比主體來說很低?？梢岳眠@一特性，在單次拍攝中使同一主體多次出現(xiàn)，或給黑暗中運(yùn)動(dòng)的主體留下清晰的像。例如物理實(shí)驗(yàn)中記錄物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、銀河下的人物、黑夜中的雪花等等。下圖為頻閃光源下的飛蟲，可以通過等時(shí)間間隔的亮點(diǎn)粗略看出其軌跡和速度變化。
??????? 事實(shí)上，相機(jī)的機(jī)械快門也是類似的原理，先開始曝光，抬起前簾，關(guān)閉后簾，結(jié)束曝光，具體不再贅述。
????????長曝光的缺點(diǎn)：因?yàn)閭鞲衅鏖L時(shí)間工作，會(huì)增加熱噪聲，影響畫質(zhì)。
????????使用連拍照片序列后平均值堆棧可以獲得模擬長曝光的效果，這種方法相比使用ND鏡有何優(yōu)劣？以下只寫優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)就是另一個(gè)的缺點(diǎn)。
????????ND：后期壓力小且簡(jiǎn)單，效果更加連續(xù)絲滑不會(huì)出現(xiàn)間隔
????????堆棧：不需要額外濾鏡，可以不使用三腳架，畫質(zhì)更好（更高的信噪比，更少的熱噪聲，少一層濾鏡影響），中途出現(xiàn)意外可以單張?zhí)蕹?/p>
?光圈：
????????光圈是鏡頭的孔徑光闌，控制的是鏡頭的通光孔（入瞳），限制了進(jìn)入鏡頭光束的寬度。當(dāng)我們站在鏡頭所對(duì)焦的位置，從正前方（光軸）看向鏡頭時(shí)，看到的光圈機(jī)構(gòu)開口的大小就是鏡頭此時(shí)的通光孔徑。下圖中的葉片就是光圈機(jī)構(gòu)。
????????當(dāng)從軸外觀察時(shí)，由于鏡頭的口徑有限，或者說各鏡片的尺寸是有限的，因此鏡片框也會(huì)對(duì)入射光線有遮擋作用，這個(gè)框就是鏡頭的漸暈光闌，是照片產(chǎn)生暗角和口徑蝕的原因。如下圖1中，透過鏡頭能看到背景白色的部分就對(duì)應(yīng)鏡頭的通光孔，下圖2展示的是鏡頭的口徑蝕。
????????實(shí)際上，在遠(yuǎn)距離、不考慮像差和衍射的情況下，彌散斑的形狀就是通光孔的形狀。上圖口徑蝕的棗核形，大致就是由兩個(gè)半徑不同的圓弧所夾而成，一個(gè)圓弧是鏡框，另一半是孔徑光闌。具有柔焦功能的鏡頭也是基于此原理，在光圈處放置一個(gè)外遮光內(nèi)透光的徑向漸變的濾鏡，使彌散斑輪廓變得不清晰，顯得更加柔和。對(duì)于部分鏡頭，可以在鏡頭前放置特定形狀的透光孔來形成特殊形狀的彌散斑：
????????當(dāng)光圈擴(kuò)大，相同位置的彌散斑也隨之等倍數(shù)擴(kuò)大，由于容許彌散圓直徑不會(huì)變，而若想要相同的彌散圓大小，大孔徑的成像面需要比小孔徑更靠近匯聚點(diǎn)，那么匯聚點(diǎn)前后兩個(gè)相同大小的彌散圓的距離就要比小孔徑更小，景深就變小了。
? ? ? ? 下圖中藍(lán)色光束對(duì)應(yīng)小孔徑，紅色則對(duì)應(yīng)大孔徑，彌散斑的亮度相同，只是大小不同。當(dāng)成像平面位置向匯聚點(diǎn)靠近，彌散斑也線性縮小，最終變?yōu)橐粋€(gè)點(diǎn)。先前更大的彌散斑具有更高的能量，變成點(diǎn)后也更亮，像面的照度也就更大。也就是說，當(dāng)縮小光圈時(shí)，畫面整體觀感會(huì)變暗，但是彌散斑并不會(huì)變暗，只是變小了。
??????? 具體內(nèi)容已在先前文章中列舉過，詳見
????????這里再進(jìn)行一些補(bǔ)充：
????????當(dāng)入射光線離光軸一定距離時(shí)，相當(dāng)于原先的通光孔徑被鏡框（漸暈光闌）切掉了一部分，也就是像面對(duì)應(yīng)位置的通光量變小了，照度就會(huì)變小，于是產(chǎn)生了暗角。當(dāng)通光孔完全被漸暈光闌切掉后，就會(huì)完全黑暗，恰好沒變?yōu)橥耆诎档呐R界位置以內(nèi)的部分就是鏡頭的像場(chǎng)，此時(shí)的漸暈光闌也是視場(chǎng)光闌。
????????鏡頭標(biāo)定的光圈大小是針對(duì)無窮遠(yuǎn)而言，當(dāng)進(jìn)行近距離拍攝時(shí)，由于鏡頭尺寸限制，很多鏡頭的光圈都會(huì)略小于標(biāo)定值（如F/1.4變?yōu)镕/1.5），這會(huì)影響曝光和景深。但由于近攝形成的倒易率失效并不會(huì)影響景深。浮動(dòng)光圈的鏡頭的光圈變化是連續(xù)的，只是在機(jī)身上顯示離散的近似值。
????????縮光圈的過程中，會(huì)減小多數(shù)像差而提升畫質(zhì)，但同時(shí)也會(huì)因增加衍射而損失畫質(zhì)。因此當(dāng)鏡頭從最大光圈縮至最小光圈時(shí)，畫質(zhì)一般都是先增加后降低，這當(dāng)中畫質(zhì)最好的光圈稱為最佳光圈（畫面不同部分的最佳光圈可能不相同，但十分接近）。
????????對(duì)于多數(shù)中端以上鏡頭，F/4是整體畫質(zhì)最佳的光圈，即便是尼康的58mm F/0.95也需要F/2.8才能使中心畫質(zhì)達(dá)到峰值，F(xiàn)/4時(shí)邊緣畫質(zhì)達(dá)到峰值。對(duì)于普通的鏡頭，一般F/8也足夠達(dá)到最佳畫質(zhì)。
????????因此在拍攝時(shí)，即使為了保證景深，大多數(shù)情況下也沒有必要縮到F/11級(jí)別，F(xiàn)/8就已經(jīng)足夠，F(xiàn)/11反而會(huì)影響畫質(zhì)，如果不放心景深問題也可以進(jìn)行計(jì)算。
????????小光圈帶來的衍射也并不一定只有缺點(diǎn)。對(duì)于無低通相機(jī)來說，在拍攝具有高頻細(xì)節(jié)的物體時(shí)會(huì)發(fā)生頻譜混疊出現(xiàn)摩爾紋，這時(shí)可以通過縮小光圈，讓鏡頭充當(dāng)?shù)屯V鏡，消除摩爾紋。由于拜爾排列，相機(jī)色彩分辨率低于明度分辨率，因此彩色摩爾紋占據(jù)主導(dǎo)。
ISO：
????????相機(jī)的ISO分為三種：
基準(zhǔn)ISO（Base ISO）：由電荷轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)引入的增益，按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定對(duì)應(yīng)的ISO。基準(zhǔn)ISO是最低的原生ISO，可以直接稱為原生ISO（雖然其實(shí)它不是）
原生ISO（Native ISO）：轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后在模擬信號(hào)階段引入的增益與基準(zhǔn)ISO的乘積
擴(kuò)展ISO（Expanded ISO）：在ADC之后進(jìn)行的增益與原生ISO的乘積
以上三條是我自己的描述，不是定義
????????在三種ISO中，基準(zhǔn)ISO和原生ISO對(duì)于畫質(zhì)有正面影響，其它條件不變時(shí)，這兩種ISO越高，傳感器的讀取噪聲越低，暗光下畫質(zhì)越好，但同時(shí)由于增益提高，傳感器飽和時(shí)的值有所下降，即便噪聲降低了，但總體上動(dòng)態(tài)范圍依然是下降的。而擴(kuò)展ISO對(duì)畫質(zhì)只有負(fù)面影響。提高基準(zhǔn)ISO對(duì)于畫質(zhì)的提升幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生ISO，但一個(gè)傳感器一般只能有一個(gè)基準(zhǔn)ISO。
????????可能讀者在閱讀時(shí)有疑惑，平常使用相機(jī)時(shí)明明是ISO越高畫質(zhì)越差，為什么理論上卻是越好呢？這是因?yàn)镮SO升高的本質(zhì)原因是曝光時(shí)間不足或光圈較小，導(dǎo)致進(jìn)光量不夠。由于散粒噪聲強(qiáng)度是信號(hào)的平方根，因此信號(hào)強(qiáng)度越低則信噪比越低。進(jìn)光量不夠，信噪比就低，畫質(zhì)就差。網(wǎng)上有些人說，如果環(huán)境夠亮，即使ISO高也看不到噪點(diǎn)，這顯然是錯(cuò)誤的，其只跟傳感器接收到的光量有關(guān)，跟環(huán)境無關(guān)。
????????目前隨著技術(shù)的更新，大約從幾年前開始，索尼、佳能等廠家推出了雙增益技術(shù)，使傳感器擁有兩個(gè)基準(zhǔn)ISO。其中索尼為代表的雙轉(zhuǎn)換增益通過改變阱容來實(shí)現(xiàn)，佳能為代表的雙電路增益（也稱雙原生ISO）通過設(shè)置兩路放大器來實(shí)現(xiàn)。在佳能的部分電影機(jī)中，配備了DGO（Dual Gain Output）技術(shù)，使兩路增益信號(hào)同時(shí)輸出和合成，輸出具有更高動(dòng)態(tài)范圍的畫面。
????????而原生ISO的提高雖然也能壓低讀取噪聲，但效果較小，尤其是對(duì)于使用索尼傳感器的機(jī)型，因?yàn)槠渥x取噪聲本身已經(jīng)被壓低到極低的水平（如α7m3代表的imx410傳感器的動(dòng)態(tài)范圍表現(xiàn)已經(jīng)非常接近物理上限）。對(duì)于佳能多數(shù)機(jī)型，此過程壓低的讀取噪聲雖然不多，但不能忽略。
?????? 介紹了這么多，在實(shí)際拍攝時(shí)應(yīng)當(dāng)如何設(shè)定ISO呢？
????????首先，對(duì)于所有有損壓縮的圖像格式，都應(yīng)當(dāng)保證正確曝光。（即拍攝時(shí)就將曝光調(diào)整好，到不再需要后期調(diào)整的程度）。
????????對(duì)于無損raw格式的照片，則遵循以下規(guī)則：
光線充足時(shí)，ISO使用最低原生ISO（一般為100，a7s3為80，尼康為代表的部分機(jī)型為64），調(diào)整曝光時(shí)間使得直方圖恰好不溢出（或僅有不重要的元素溢出，如大白天的太陽）。切記不要使用擴(kuò)展ISO（如ISO50）
光線不足時(shí)，確保曝光時(shí)間和光圈已經(jīng)設(shè)置成可以容許的最大值（不會(huì)糊片，景深足夠，像差可接受等等）
對(duì)于索尼傳感器，將ISO從最低開始逐漸上升，直到重要元素的直方圖恰好不溢出（夜晚的燈泡溢出就溢出了）。如果此時(shí)的ISO距離下一個(gè)基準(zhǔn)ISO僅有一級(jí)的差距（如第二檔ISO為640，而此時(shí)為500），則將ISO調(diào)整到第二檔基準(zhǔn)ISO，并將光圈或曝光時(shí)間縮小。對(duì)于非索尼傳感器，則按以上步驟調(diào)整好后，如畫面整體欠曝過于嚴(yán)重，則酌情繼續(xù)提高ISO（要是高光細(xì)節(jié)極其重要不能損失，還是包圍曝光吧）。
????????之所以索尼傳感器不必為了照顧暗部而繼續(xù)提高ISO犧牲亮部，是因?yàn)槠渥x取噪聲已經(jīng)極低，提高原生ISO與后期提亮對(duì)于暗部畫質(zhì)幾乎無差別（但是依然有），此特性稱為ISO不變性（ISO Invariance或ISOless）。攝影機(jī)中的EI模式就是基于此特性。
????????下圖為a7R4拍攝的照片從中心截取的一小部分。各照片曝光時(shí)間與光圈相同，環(huán)境亮度不變，ISO大小如右下角所示，拍攝后使用軟件后期提亮到相同亮度。相機(jī)第二檔基準(zhǔn)ISO為320，可以看出ISO100、200噪點(diǎn)較多，而400以后則是基本不變，并且明顯比100、200更純凈。
????????對(duì)于Log模式，其本質(zhì)是一種對(duì)于亮度的映射，因此導(dǎo)致ISO在標(biāo)定上與普通模式有區(qū)別，一般都是普通模式的固定倍數(shù)。如a7s3的基準(zhǔn)ISO為80和1600，其在slog3下的基準(zhǔn)ISO則為640和12800，是8倍的關(guān)系，因此只要知道普通模式下的基準(zhǔn)ISO以及Log模式下的第一檔基準(zhǔn)ISO，就可以知道相應(yīng)的跳變點(diǎn)位置（第二檔基準(zhǔn)ISO大?。?。不同的Log模式的映射關(guān)系不同，某Log模式的ISO800在傳感器層面的增益很有可能比另一Log模式的ISO1000還要高，也就是說此時(shí)的ISO參考價(jià)值不大。
????????至于如何判斷基準(zhǔn)ISO，索尼的機(jī)型會(huì)在使用擴(kuò)展ISO時(shí)給顯示的ISO數(shù)值加橫線（我沒用過其它品牌，所以不了解），最低的不是擴(kuò)展的ISO就是第一檔基準(zhǔn)ISO。第二檔可以上網(wǎng)搜索，但可能搜不到或搜到錯(cuò)誤的數(shù)值（如a7s3經(jīng)常被說第二檔是12800），因此也可以自己進(jìn)行測(cè)試：固定曝光時(shí)間和光圈以及環(huán)境，令第一檔基準(zhǔn)ISO時(shí)欠曝6檔以上，而后逐級(jí)向上調(diào)整ISO，使用無損raw格式拍攝（一般來說ISO增加到800就可以停了，目前在相機(jī)中應(yīng)該只有a7s3的跳變點(diǎn)在800以上），然后將所拍攝的照片拖入后期軟件提亮到相同亮度。則畫面突然變純凈很多的照片的ISO就是第二檔基準(zhǔn)ISO。
????????值得注意的是，相機(jī)高感的好壞與像素?cái)?shù)幾乎沒有關(guān)系，影響微乎其微，真正起影響作用的是基準(zhǔn)ISO的大小。即便如此，像素?cái)?shù)高也在高感下具有絕對(duì)的分辨率優(yōu)勢(shì)。
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