2014年8月4日 星期一

動態範圍與分區曝光



來談談數位攝影的動態範圍與底片攝影的分區曝光,玩銀鹽底片的人應該都清楚知道所謂的分區曝光系統,相對於數位攝影來說就是感光元件( CMOS or CCD )的動態範圍。以下分別是黑白負片的曝光區間圖與感光元件的動態範圍圖:


黑白負片的曝光區間圖



感光元件的動態範圍圖


無論是使用底片或是感光元件攝影,我們在曝光時都希望被攝影像的最亮部分與最暗的部分都會落在底片或是感光元件的可使用範圍之內,在數位攝影就是落於感光元件的動態範圍之內,在底片攝影就是落在底片的可使用分區曝光區間之內,數位攝影是用位元數代表動態範圍,而底片攝影是用分區數來代表可使用的曝光區間,而位元數其實就可類比成分區數,也就是說底片的分區數目在數位攝影時就可以看成是位元數。

底片因著種類的不同而有著不同的可使用分區數目,像是彩色正片約有10區,彩色負片有14區,黑白附片則可高達18區,當今的感光元件技術一直在進步,不只是解析度向上提升,動態範圍也跟著向上提升,現今最高動態範圍的 DSLR 數位相機要算是 Nikon 的 D810 了,其使用之感光元件的動態範圍高達15位元,就可拍攝之曝光區間來說已超越了彩色負片(14區)而漸逼近至黑白負片(18區)了,下表簡略的列舉了幾種不同的數位相機之感光元件與底片的動態範圍以玆比較:
 

以上部分數據取自DxO Mark


接著來看如何測量出手中的數位相機之感光元件的動態範圍(位元數)。首先將ISO設定到最低值並以最小光圈與最高快門速度對白色牆面曝光,此時 JPG 影像的中央區域應該已變成完全的黑色(因為完全黑色不易以肉眼觀察,到故可開啟檢視照片時的直方圖,當有區域為全黑時相機會以警示圖型告知全黑區域的位置),接著將光圈一級一級的加大並再次曝光,直到找到照片中央剛開始拖離全黑狀態時的那個光圈大小,此時感光元件中央的曝光位元數約是1位元(相當於底片曝光的第1 區),維持原臨界光圈大小並將快門速度降低至原來的一半(例如原來是1/4000秒的話就降成1/2000秒)再次曝光,此時感光元件中央的曝光位元數約是2位元(相當於底片曝光的第2 區),依此每調整一次快門速度與曝光就表示曝光位元數加1,直到 JPG 影像中央區域變成全白為止(因為完全白色不易以肉眼觀察,到故可開啟檢視照片時的直方圖,當有區域為全白時相機會以警示圖型告知全白區域的位置),這時的位元數就代表這一台數位相機感光元件的動態範圍位元數了下圖是以 Olympus E-PL6 依上述方式曝光後,剪下中央區域的橫條圖型排起來後的結果,可清楚的知道此台數位相機的動態範圍約為12位元:
 
Olympus E-PL6的動態範圍截圖


瞭解自身相機的動態範圍有什麼好處呢?那就是在拍攝光線反差比較大的畫面的時候,有助於釐清曝光深度的選用,甚至是何時應該啟動包圍曝光以便將高反差的影像完整的記錄下來。當然這也有助於將來更換機身時,讓自己清楚的知道新的機身是否提供了更廣的拍攝動態範圍,以便重新駕馭它。

下面來談個例子:比如說待攝景物中有亮度的部分與暗部的部分,一般人開始都會用平均測光來決定曝光量並拍攝之,等到預覽的時候如發現亮度的部分太亮的話就會進行減光再拍攝一次,如還是太亮就再次的進行減光並再拍攝一次,如此直到對於預覽的畫面亮度滿意為止,反之預覽時發現暗部太暗的話就會進行加光後再拍攝一次直到滿意為止,這樣子的問題是很容易讓人顧此失彼,當亮度的部分層次清楚時有可能暗部的部分已早已全黑了,而暗部的部分細節出來時有可能亮度的部分早就已全白了這是平均測光對於反差大的被攝景物所面對的困境

但是如果我們瞭解相機的曝光動態範圍的話,就可以運用點測光(非平均測光)的方式找出亮部區域與暗部區域的中庸曝光量在運用點測光拍攝之前除了要先以之前描述的相機動態範圍測試法瞭解自身相機的曝光動態範圍以外,還要先知道自身相機測光的曝光量是落於動態範圍的哪個位元處,以Olympus E-PL6為例對於上述白色牆面的測光曝光設定會落在F/4 1/13S,對比於上面的動態範圍截圖可推算約是落於8.3位元的位置,也就是說往上約還有3位元的加光空間往下約還有8位元的減光空間(1位元等同於1個stop,也就是1.414倍的光圈大小或是2倍的快門速度或是2倍的ISO數值)

測光的最簡單曝光方式就是先對高亮度區域進行測光,然後以加2級的曝光量進行曝光拍攝(以Olympus E-PL6為例,其有3位元的加光空間),當對反差不大的被攝物進行這樣的曝光時多會發現預覽的結果都過於明亮,看起來像是過曝了,其實對相機直出的JPG來說可能是過曝了,但是對於RAW檔來說我們確是運用了感光元件的最佳區域進行了被攝物的曝光,只要再進行RAW to JPG的後處理,這樣的曝光應該會擁有最佳的細節表現才是

再來就是運用測光來進行高反差被攝物的拍攝,首先對亮部區域進行測光(假設測得F/4 1/1000S),再對暗部區域進行測光(假設測得F/4 1/5S)這時我們就能估算出亮部與暗部的動態範圍位元數差(本例之位元數差約為8位元,計算方式為概略的找到2的幾次覓會是等於200(之所以為200是因為1/5S與1/1000S的倍率差)),此時如果依照亮部區的測光值進行曝光的話,則暗部區域就會落在相機的最低曝光邊緣(因為前面提到E-PL6的減光空間為8位元),這樣子有可能會失去暗部的層次感,所以建議可以以往上提高1檔或是2檔的曝光進行拍攝,這樣子暗部的層次一定會好很多,而也保持了亮部的細節,因為亮部與暗部的資訊都被完整的記錄到RAW檔上了,同樣的也許我們在預覽時會發現在這樣的曝光下亮部已經白成一片而暗部也黑成一團,看似一無是處,但是只要資訊完整的被記錄保留在RAW檔中,仔細的後處理應該是能讓現場的細節與層次再現才是,而預覽中看到的狀況僅能代表RAW檔以當時相機的設定公式下直出JPG所看到的結果

同樣是高反差的例子,如果亮部與暗部的動態範圍位元差超過12(本例Olympus E-PL6之動態範圍),就表示這一台相機已無法在一次曝光下完成被攝物之亮部與暗部的完整記錄,必須選擇要犧牲暗部的層次或是亮部的細節,亦或是改成包圍曝光的方式待完整記錄後再進行HDR的後處理事實上依據經驗亮部與暗部的點測光差異如高到8位元(8級或是8個stop)以上的話,就很難在一次曝光下用後處理的方式將亮部與暗部的細節處理出來,大部分的問題來自於暗部的雜訊會過高(儘管是使用低ISO亦然),故此時即可考慮用包圍曝光的方式記錄,然後再進行HDR的後處理。

說到影像後處理我們有時會問自己這樣子處理來處理去倒底跟現實所見的景像是拉進了距離還是背離了呢?這一直以來是很大的論戰現實所見與拍攝後所見之所以經常會有很大的差異,源自於人眼與人腦的獨特構造,以上面那個Olympus E-PL6動態範圍截圖為例,這裡再放上來一次:



你會發現我們人眼在看這一張圖的時候,對於同一輝度的橫條與上下不同輝度橫條的交界邊界,有一邊會比較暗而另一邊會比較亮,但是當你拿兩張小紙片將這一輝度橫條以上及以下的部分遮起來的時候,那這一輝度橫條的邊界處是不會較亮或是較暗的,這就是人眼與人腦玩的一個小把戲,故我們在觀看大尺度目標物的時候視神經與腦部會將畫面處理到盡量讓我們看得清楚(強化亮度差異邊界與調整感光靈敏度),但是在看小目標物像是照片的時候,大尺度的處理方式就不再適用了,所以大尺度的畫面被拍攝到小尺度的相片上之後,人眼看到的感官差異一定是很大的,這只是舉個小例子說明什麼是真實的影像端看處理者與觀賞者的自我見解了。

PS1.這裡提到的建議拍攝RAW檔後再進行後處理的建議,是因為一般相機直出的JPG是R G B各8位元的格式
並且是壓縮過後的資料,而現今的影像感測器大多是R G B各12位元以上,RAW檔是直接保存影像感測器所記錄到的資料(未進行壓縮處理),故直接對RAW檔進行處理後再出JPG會比相機直出JPG後再進行處理,更能保留原始的細節。

PS2.數位相機的動態範圍會隨ISO值的設定而變化ISO值越高動時態範圍將越低