浅谈摄像机宽容度与光线的关系

2015-9-6  来源:中央电视台中视科华公司  作者:徐立明  有120237人阅读

 

  【摘 要】要获得高质量的电视画面,正确的曝光是必不可少的。在拍摄一些高反差的场景时,要很好地将高光区和阴影区的细节完全记录,理解宽容度和光线之间的关系是必不可少的基本知识。

  【关键词】摄像机 数码相机 宽容度 动态范围 曝光

  引 言

  不论是在演播室还是室外,我们在摄像时经常会遇到一些高反差的场景,此时我们可能希望画面能记录所有的细节,但结果往往是顾此失彼,不能很好地将高光区和阴影区的细节完全记录,这是为什么呢?这其实是摄像机宽容度不足引起的。宽容度是一个很重要的概念,理解了宽容度和光线之间的关系有助于我们在摄像中获得更精准的曝光,从而获得更好的画面。现代摄像机与数码相机的成像原理是一样的,区别在于一个动态画面一个静态画面,由于数码相机操作的灵活性,本文主要通过数码相机来介绍一些关于宽容度和光线之间的问题,当然这些问题对于摄像机来说是同样适用的。

  一、照相机的宽容度

  所谓的宽容度,简单一点的说,就是拍摄时照相机所记录画面的光最亮和最暗处细节与层次的能力。宽容度高,最亮和最暗光差的展现会比较阔,不同亮度的画面细节就会能够被完好的保留下来;而相反宽容度低,光差的展现就只能局限在一个小范围之内,在这范围之外的画面细节就不会被很好的记录下来。

  先看一个实际的情况:我们用某品牌的单反相机来拍一个人物的面部特写,用测光表测得脸部还原后的曝光参数是1/250秒,f8,我们保持f8不变,分别用1/4000,1/2000,1/1000,1/500,1/250,1/125,1/60,1/30,1/15,1/8,1/4,1/2,1秒来拍摄,这时我们会得到从全黑到全白的一系列照片。很多人认为从黑暗中刚刚有一点光影到全白前这一段是该单反相机的宽容度,但实际上这个认识是不对的。假如说我们用1/250秒去曝光的时候,会得到一张完美的脸部照片,那么在1/250秒附近的点又会怎样呢?这个附近是指的两个方向上,即过曝一点或欠曝一点。比如用1/125秒,还完美吗?还完美,那再过一档,1/60秒,细节还没损失吗?那就再过一档,直到找出开始丢失细节的那个点,在另一个欠曝方向上我们也用同样的方法找到这样一个点,宽容度指的就是这样两个点之间所包含的范围。在这个例子中,假设这段范围是从1/1000到1/30秒,我们数一下,一共5档,那我们就称这个单反相机的宽容度为5档光圈。

  我们对宽容度在理论方面的研究已经很多了,但宽容度到底意味着什么,以及我们在现场拍摄时又如何利用好宽容度来获取更好的画面,这就需要我们认真的思考了。因此,我们每次拍摄录制时都需要认真思考宽容度可能引起的一些问题。

  

图1 亮度范围宽的场景

  我们在测量一个场景时,一般会用测光表来测量画面中最低亮度值和最高亮度值,最高值和最低值分别测完之后,再对两者进行比较。现在我们来看一个场景,如图1所示。在实际中这种场景很多,天空很亮,高塔和树的阴影会很暗,这是一个具有很宽亮度范围的场景,也可以说是一个具有大光比高反差的场景。现在假设这个场景亮度值范围有11档光圈,但是我们所使用的相机宽容度只有7档光圈,那么问题就是我们能够把这种场景下的亮度值完全记录下来吗?答案是不能,我们只能记录一部分。

  至于记录哪部分亮度值,就看我们想得到什么样风格的照片了,是希望高塔要有全部的细节,云也要有大部分的细节,树影可以黑一点,还是希望重点表现蓝天白云,或者是重点表现树的阴影部分。但是无论如何,在这里我们都必须牺牲部分细节,而这就是宽容度不足引起的后果。

 

图2 亮度范围窄的场景

  我们再假设一个场景,如图2所示。现在我们来测量这个场景中的光强度,不难发现整个场景光分布是很均匀的。登山爱好者踩出的路和部分携带的物品就是这个场景中高光区,整个场景亮度范围很窄,从明亮的高光区到低照度区也就2档光圈。假如我们用具有7档光圈宽容度的相机,可以很方便将整个亮度范围记录下来。这就好比是把20个桃子装在一个可以容纳50个桃子的箱子里,没有任何的难度可言,轻轻松松的就可以做到了。

  二、宽容度与动态范围

  当我们讨论摄影器材的时候经常听到“宽容度”与“动态范围”两个词,并且出现频率颇高。很多厂家都很注重这两个概念,并且有些厂家把“宽动态范围”作为自己的优势,还有些厂家把动态范围的优化做的特别好,并且相机里有相关的图形设置项,比如尼康相机菜单里的D-Lighting,佳能的“高光色调优先”都是动态范围优化的功能。同样,宽容度和动态范围的关系对于摄像机来说也是适用的。

  “范围”是一个相对量,具有伸缩性,是最高值和最低值之间的一段范围,可以用差值来表示。从技术上来讲,“动态范围”其实就是我们所拍摄的对象从最低亮度到最高亮度的一个范围。在摄像摄影领域里,我们通常用曝光级EV(Exposure Value)来表示,每当增加或者减少一个EV就代表曝光量增加一倍或者减少一倍。这样一来,动态范围就可以用最高亮度与最低亮度的EV之差来表示大小,这里与我们用几档光圈值来表示宽容度的大小有异曲同工之妙。

  大动态范围场景里,亮暗悬殊特别大,整个画面对比度高,层次丰富;小动态范围场景里,整个画面亮度都差不多,对比度低,层次会略显平淡。这里的大动态范围场景和小动态范围场景其实就是我们工作中常说的高反差(大光比)和低反差(小光比)场景。经过分析,我们不难发现,宽容度也可以说是拍摄中机器所能记录场景的一个最大动态范围。相机所能表现的动态范围越大,则说明宽容度越高,相反,则宽容度越低。

  三、宽容度与画面曝光

  合理的曝光对于摄像机来说特别的重要,曝光的合理与否,直接决定了画面质量的好坏。宽容度这个概念很早就被提出来了,就是为了指导曝光用的。在实际拍摄中我们必须明白一个道理:宽容度不是在拍完片子后评价用的,而是在拍片前作为决定曝光的一个理论决策依据,其根本目的就是在每一次具体的曝光中,最大限度的发挥机器本身的宽容度,使记录的画面信息达到最大化,最完美化。明白还是不明白这一点,对于理解宽容度以及在此情景下合理的运用光线是非常重要的。

  宽容度在曝光控制上的应用,其实也就是三种情况,下面我们来一一介绍。

  1.大于照相机宽容度的高反差场景

  现在我们讲一个高反差的例子,如图3。我们用点测光测到波浪的最亮处和天空以及礁石的最暗处范围有7.5档光圈,水面很亮且高于天空,属于高光比(高反差)的情况,在这样的情况下我们就需要有所取舍了,这张照片我要表现什么呢?我希望天空要有全部的细节,海浪也要有大部分的细节,礁石可以黑一点,于是我对天空进行点测光,这里就要用到宽容度了。按照天空的点测值1/100秒,f8,减2档曝光,即按照1/100秒,f16来进行实际拍摄,这就是宽容度的用法。减两档光圈,天空细节几乎没丢,再看波浪的部分,以1/100s,f8为起点的7档光圈包括:

  

图3 高反差场景对比图

  1/100秒,f8-------------------0(天空测光值)

  1/100秒,f11------------------1

  1/100秒,f16------------------2(实拍)

  1/100秒,f22------------------3

  1/200秒,f22------------------4

  1/400秒,f22------------------5

  1/800秒,f22------------------6

  1/1600秒,f22-----------------7(海浪最亮处同比测光值)

  对于海浪的1/1600秒,f22的实测,到1/100秒,f16的实拍,刚好相当于过了5档光圈,根据宽容度分析,海浪仅仅损失了一点细节,只是礁石的最黑处黑了一点,但对整体没有太大影响。

  这就是宽容度在指导曝光上的应用,如果我们直接用实测值1/100秒,f8对天空曝光而不是减2档光圈,那么就会造成海浪过曝7档,海浪的细节就要丢失一大部分,也就是说我们只用了7档宽容度中的5档,有2档被浪费了。图3下半部分就是用对天空的实际测量值拍摄的,很明显存在高光溢出和暗部缺失的问题。还有一个类似的例子就是我们逆光拍摄人像时,要用反光板对人脸进行补光,如果直接按人脸曝光,天空很容易曝了。当我们明白宽容度的使用后,会让我们在面对高反差场景时更加的从容,拍出我们想要的结果,但是这时候总会有牺牲,亮部、暗部不可能都要。

  2.小于照相机宽容度的低反差场景

  按照《美国纽约摄影学院摄影教材》的定义,低反差场景是指从最明亮的强光区到黑暗的阴影区的亮度值范围不超过三档光圈的场景,而高反差场景是不低于7档光圈。很明显,图2是低反差的场景,图3是高反差场景。

  低反差场景的拍摄是很容易的,此时一支入射式测光表或灰板测光就可以获得理想的曝光,基本不需要太多的操作,曝光即使有点偏也没有太大关系。

  3.等于照相机宽容度的反差场景

  在这里,理论上我们可以把亮部和暗部的细节全都记录下来,如果我们认为暗部比较重要,那么就不做任何调整直接对暗部曝光,但这样就浪费了属于这个数码相机宽容度的一部分,导致高光部分细节的丢失,同样反过来会导致暗部细节的丢失。因此这个时候我们也就只能根据个人的侧重点来进行曝光。

  我们还必须明白的一个道理就是无论是数码相机还是摄像机的宽容度是具有不对称性的,并且经过研究发现大部分机器有一个特性就是允许过曝的能力大于允许欠曝的能力,但并不是宽容度越大越好,宽容度太大就会导致拍出了来的照片显得平淡,层次不鲜明;宽容度过小,又会使得拍出来的照片过渡生硬,层次缺乏。

  四、宽容度的测试

  讨论了这么多,如何来测试摄像机的宽容度到底有多大呢?这里借助一个著名的软件Imatest来进行分析,这个软件可以测试出机器在一定信噪比下的成像宽容度。这里我们依旧用数码相机来代替摄像机进行测试。

  这里我们需要采用一个间接的方式来进行测试,因为要想设置一个动态范围超过数码相机宽容度的渐变对象可不是件特别容易的事情。我们在演播室里布置了一个均匀光环境,使用柯达灰阶板作为拍摄对象,采用多次包围曝光的方式来相对扩展拍摄对象的动态范围,直至灰阶板出现高光溢出和暗部缺失的现象,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。单从技术上来讲,数码相机的宽容度主要跟图像传感器上单个像素的感光面积有关。这里选择了最新的全画幅数码单反相机佳能EOS 5D Mark II、小画幅的消费型数码单反相机佳能600D作为测试对象,以下是测试结果,见图4,图5(引于百度文库)。

  

图4 佳能EOS 5D Mark II的测试结果

  

图5 佳能EOS 600D的测试结果

  从测试结果来看,在信噪比相同的情况下,佳能EOS 5D Mark II、佳能600D的宽容度分别为7.95EV、5.24EV,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是可以超过10EV的。 另外,如果数码相机支持更高的采样率,使用RAW文件在每个通道16位的工作空间下进行宽容度测试,可能会获得更高的测试结果。这种测试方法同样适用于摄像机。

  五、宽容度的优化与Gamma曲线

  前面我们讲过,尼康相机菜单里的D-Lighting,佳能的“高光色调优先”,都是动态范围优化的功能,其实这也是宽容度的优化功能。在说它之前,让我们先了解一些关于Gamma曲线的知识。

  人类对外界的刺激会产生反应,比如声音大小,但是人类对这些外界刺激所做出的反应却是非线性的,换种说法就是,人类感知刺激变化的比例与实际刺激变化的比例不一样。举个例子,一杯水了放了一勺盐,我们会觉得咸,再放一勺盐,我们并不会觉得有2倍咸,顶多会觉得又咸了一点,但如果我们用仪器去测量,那么咸度肯定会是原先的2倍,这是因为实际的物理变化是线性的,而人类的感知却是非线性的,你要再加几勺盐,人类才有可能觉得2倍咸,这就是人类对外界刺激所作出的非线性反应。同样,人眼对外界光线明亮程度的感知也是非线性的,当外界光线强了2倍的时候,我们并不会觉得亮了2倍,而是感觉亮了一点。正是由于人类的这种特性,我们才能分辨亮度差别范围很大的物体。比如,在一个黑夜里面,有一点光亮出现的时候,我们会觉得够亮,但是当光强继续增加到很亮的时候,你会发现人眼会变得很迟钝,再增加亮度,也不会觉得亮了很多。其实,人眼对这种光线变化的反应曲线就是人眼的Gamma曲线。说到底Gamma就是一个成像物件对入射光线做出的反应,而根据不同亮度下的不同反应值所获得的曲线就是Gamma曲线。人眼作为一个成像物件,它的Gamma曲线不是一条直线,也就说明了人眼对光线的反应是非线性的。

  现代摄像机或者数码相机里的成像元件大部分是CCD或者CMOS,它们对光线的反应又如何呢,跟人眼一样也是非线性的吗?答案是否定的。CCD、CMOS成像方式是通过像点中的“硅”来感受光线的强弱而获得画面,而硅感光是物理成像,它会真实地反应光线强度的变化,输入多少就输出多少,因此它对光线的反应是线性的。在这里我们可以看到,它的Gamma曲线与人眼的Gamma曲线是冲突的。但是我们不难理解的是摄像机的成像可能更真实的反应现实,比如在一个光线不强的环境下,由于人眼的特性可能很清楚地看清一切,而摄像机就不能做到,但是他们所获得光线是一样的,只是反应不同,也就是说人眼获得画面其实摄像机也获得了。那么如何解决上面提到的这个冲突,让摄像机也输出“人眼看到的画面”呢?答案就是调整“对光线的反应”,也就是调整摄像机的Gamma曲线达到类似人眼的效果。大部分机器里都带有这种功能,但是在中低端摄像机里基本上都是自动完成的,只有在部分高级摄像机里才可以手动调制。

  前面提到的宽容度的优化功能,便是通过调整Gamma曲线的状态,来改变画面的反差。如果曲线比较陡,则输出的画面反差比较高,如果曲线比较缓,则输出的画面反差比较低。但是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上,不会提升相机的成像总体宽容度。

  结束语

  要获得高质量的电视画面,正确的曝光是必不可少的。宽容度作为一个重要的曝光理论依据,对摄像机来说有着不可替代的作用,理解运用好宽容度与光线以及动态范围的关系,获得合理的曝光,会更容易拍出好的作品。而且正是由于人眼的生物独特性,也让我们认识到了人眼与摄像机的不同之处,从而更好的运用Gamma曲线来进行宽容度优化以达到摄像机成像适应人眼的目的。随着对摄像机宽容度和光线之间的认识,我们有理由相信将来一定能拍出更高质量的电视画面。

 

  参考文献

  [1] 美国纽约摄影学院著:《美国纽约摄影学院摄影教材》,中国摄影出版社,2009.08。

  [2] K.G.杰克逊、G.B.汤森主编: 《电视与视频工程师手册》,中国电影出版社,1997.10。

  [3] 王京池著: 《电视灯光技术与应用》,中国广播电视出版社,2010.06。

  [4] www.wenku.baidu.com

  [5] www.107cine.com

  [6] www.52dengguang.com

  [7] www.camera-man.cn

 

  作者简介:

  徐立明,毕业后进入中央电视台中视科华公司从事灯光技术工作,现服务于中央电视台新台址E01群,主要是提供技术保障工作,协助完成各个节目的录制。工作期间,还参加了部分节目的现场布光工作,比如央视社会与法频道的《热线》、《夜线》、《法律讲堂》,央视财经频道的《消费主张》、《中国财经报道》等。

 

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