光子晶體之光學傳輸與量子光學現象
Professor retired, Department of Photonics, National Chiao Tung University 交通大學光電系退休教授
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光子晶體之光學傳輸與量子光學現象
2021年5月26日 星期三
第六章 掌控您的相機(五)
ISO與曝光的關係
在數位攝影中,術語「ISO」與放大有關,它是調節光量以記錄可接受的影像的手段。數位ISO相對於底片的優勢在於可以為每張單張底片更改ISO值(一捲底片一般可拍攝36張照片,但都是固定的ISO),這是以前僅對單張底片(即大幅面攝影)用戶開放的優勢。這意味著,如果在設定的ISO值下無法實現所需的光圈/快門速度組合,則可以在不影響以前或以後的曝光的情況下增大或減小訊號放大率(ISO)。
例如,假設您正在拍攝瀑布,目的是使水的運動模糊以產生空靈的效果,但是將相機設置為ISO400時,因為照明太亮而無法實現足夠慢的快門速度。通過將ISO等級降低到100,放大倍數減少了四分之一,要求快門保持四倍的打開時間,這可能足以實現所需的效果。
相反地,想像一下嘗試拍攝快速移動的物體,例如飛行中的猛禽。凍結高速運動需要超過1/1,000秒的快門速度,這可能需要將ISO值設置為非常高,例如800,特別是在光線不足的情況下。每次拍攝更改ISO的能力讓數位相機提供靈活性。但是,沒有免費的午餐之類的東西,而這種靈活性是有代價的。
重要的是要認識到數位ISO與底片不同。對於底片,ISO等級與感光度有關,感光度主要由其製造中使用的滷化銀晶體的大小和數量決定。在數位攝影中,ISO與訊號放大有關,也就是說,電荷耦合元件(CCD)根據電容器(像素)中的電荷或互補金屬氧化物半導體(CMOS)根據電流(CMOS)計算出的電壓測量值「乘上」或「調高」的程度,與您調高電視機或收音機的音量的方式幾乎相同。
這兩種上調或下調光記錄程度的方法之間差異,對影像的品質有潛在的影響。在數位攝影中,影像品質受到稱為雜訊或噪音(Noise,隨機產生的錯誤像素)的影響。設定的ISO值越高,雜訊對影像品質的不利影響就越大。因此,儘管數位相機確實增加了曝光設置的靈活性,但是如果要保持影像品質,則這種靈活性的真實程度會降低。
雜訊污染
各種訊號產生器和電子電路的雜訊主要來自所謂的「散粒雜訊(Shot noise)」和熱雜訊(Thermal noise)。光源本身存在著雜訊(散粒雜訊),相機使用的感測器— CCD或CMOS,以及信號放大器都會產生散粒雜訊和熱雜訊。散粒雜訊是固有的雜訊是無法避免和消除的,而我們可以盡量降低系統操作溫度來避免熱雜訊,因為系統操作溫度越高熱雜訊就越大。
感測器吸收光子轉換成電子後電子電路將其轉換成電壓,這個電壓再由訊號放大器將其放大,放大的電壓訊號再經數位化後輸出到相機內建計算機處理並儲存。感測器將光子轉換成電子的效率並非百分之百,部份損失產生熱量。產生的熱量越多熱雜訊就越大。因此使用長時間的快門速度時,會產生熱量導致熱雜訊增加。快門速度的實際時間取決於相機,但是通常曝光持續幾秒鐘或幾分鐘可能會導致明顯的噪點。目前的大多數數位單反相機設定快門打開時間最長為30秒意味著它是避免熱雜訊的最大極限。
產生曝光所需的光訊號降低將導致訊噪比(訊號除以噪音)降低,從而增加了可見的雜訊,所以需要在控制最低熱雜訊的情況下,訊號的放大率大於雜訊的放大率。放大器對訊號的放大率定義為輸出訊號功率除以輸入訊號功率。
目前的數位相機都是使用低雜訊放大器。低雜訊放大器將訊號放大100倍時,對應的雜訊只會放大2倍,因此,假設數位放大前訊噪比為1:1,放大後的訊噪比變成50:1,沒有到100倍。那是為什麼現今數位相機的最高ISO定為6400的原因。標準ISO為100,放大100倍的ISO為10000,而ISO的等級以二進位標示,因此最高ISO定為6400。另外,如果低雜訊放大器只放大10倍的話,雜訊相對小很多,只有增加約25%,即噪音放大率為1.25倍。因此,解決雜訊的方法是始終使用低值ISO等級(例如ISO等級低於1000)拍攝,並避免長時間曝光。當然,這使得某些攝影應用比底片更適合,例如夜間攝影。您可能已經有經驗,在低ISO時,ISO可以與光圈f-數擋和快門速度滿足倒數和線性的關係,然而隨著ISO增加,電子熱雜訊(ISO>1000)起了關鍵的作用,讓信號和雜訊被同時放大。這樣不但影像品質沒改善(訊噪比沒增加)存在的雜訊還變得更加明顯。所以我強烈建議您使用ISO等級低於800或1600(考慮2的次方)拍攝,並以不同的ISO值和較長的快門速度測試相機,以真正了解相機在雜訊上的局限性。在JPEG壓縮可能會引入類似雜訊的偽像,並且可能會加劇雜訊的出現。
降噪軟體
可以應用降噪軟體解決方案來克服或最小化雜訊的影響。其中一些解決方案可通過選單選項在相機內使用,並作為一個選項(降噪)或有時作為兩個單獨的選項(降噪-高ISO或降噪-時間)。當選項分開時,它們以不同的方式工作。高ISO降噪使用邊緣柔化隱藏噪點,導致影像清晰度下降。另一方面,長時間曝光降噪通過相機產生「暗影像」來進行。有效地,在初次曝光後,照相機記錄了相同曝光時間但關閉了快門簾幕的第二張影像,從而生成了與原始影像相匹配的雜訊模式,從而將雜訊像素內插到影像像素中。以我的經驗,它在低雜訊下有效,但在存在大量雜訊時效果不佳。這也大大增加了相機內的影像處理時間,並增加了電池消耗。
使用電腦的降噪軟體的解決方案比相機內解決方案更為複雜,但是它們共同存在一個問題,即它們都在邊緣柔化的基礎上工作,因此當需要降低雜訊時,影像品質將會受到影響。
為藝術效果使用白平衡
我解釋了當太陽全天升起時光的色溫發生了什麼變化。白平衡(WB)的目的是抵消所產生的偏色,以記錄我們看到的中性白光。當白平衡設置為自動時,相機將始終嘗試消除由當前照明造成的任何色偏條件。但是,這通常會對影像的外觀產生負面影響,例如拍攝美麗的金色日出只是發現相機已有效濾除橙/黃光。
出於速度和簡便性的考慮,我幾乎總是將相機上的白平衡設置為自動,然後在RAW轉換過程中進行任何調整。由於可以在RAW狀態下更改WB,就像在拍攝時已在相機上對其進行更改一樣,因此我不會損失任何影像品質,但可以在現場獲得寶貴的時間。當然,如果要以JPEG模式拍攝,則必須改變WB設置。我測試過我的相機的自動白平衡設置,對於環境光改變的反應還相當精準。您可以在各種照明的情形下,相機設定手動對焦,設置正確曝光(曝光指示器對齊零位置)拍攝一張灰卡或描圖紙。無論照明為何,您都可以得到RGB直方圖和亮度直方圖都重疊(且峰值位置都落在正中央)。
選擇合適的鏡頭焦距
讓我描述一個熟悉的場景。攝影師出現在一個場景中,環顧四周,俯伏在三腳架上,安裝相機(配有變焦鏡頭),然後放大和縮小以達到最佳構圖。當然,有時在無法更改相機位置的情況下不可避免地採用這種構圖方法。但是,這種情況很少見。
這種方法的問題根源可以在光學定律中找到。通過放大或縮小或通過在主鏡頭之間移動來更改鏡頭的焦距時,不僅會改變視角(鏡頭涵蓋了多少場景),而且空間關係也會改變。「空間關係」是指場景中距離不同的拍攝對象在影像框中如何相互關聯。例如,前景中的物體可能會出現在遠離背景的位置,或與背景在同一平面上,這取決於它們的拍攝方式。就空間關係而言,焦距是控制因素。
使用標準焦距鏡頭(相當於50毫米左右),拍攝出來的空間關係就像在人類視覺下看到的那樣。這是因為人眼的彩色視覺的視角類似於50毫米鏡頭(35毫米/全畫幅數位格式)的視角。當焦距朝較長的望遠端(70毫米及以上)改變時,物體之間的空間會縮小,從而使物體看起來比彼此更近。下圖在飛行大白鷺的影像中清楚地顯示了這種效果。在這張照片中,大白鷺的翅膀似乎接觸到水面。實際上,它離水面還有數公尺的距離。使用一個較長的長焦鏡頭(120毫米)導致它們之間的視覺空間接近,從而使場景更加平坦。
相反地,當焦距朝鏡頭的廣角端減小(35mm及以下)時,鏡頭中物體之間的視相空間會伸展,從而提供更大的空間感。這是廣角鏡適合風景攝影的原因之一,在這種攝影中,通常要營造一種空間感。
因此,鏡頭的選擇應確定相機的位置,而不是相反。也就是說,在選擇用於任何給定場景的鏡頭時,選擇應取決於您如何描繪場景中的拍攝對象之間的關係—彼此靠近、相距很遠或介於兩者之間。
有效使用自動對焦
儘管自動對焦在現代是一種有用的攝影工具,它有可能加劇攝影師的懶惰。毫無疑問地,在某些攝影領域,自動對焦是一種神奇的工具,例如,拍攝一些野生動物影像,如果沒有它,這些影像很難拍攝到。例如有老花又有近視和散光,手動對焦幾乎是一件不可能的任務,尤其是使用長焦距鏡頭,因此,我時常使用自動對焦和有時加上自動對焦鎖定按鈕的功能(此功能很有用,並將詳述於後)。對其他的人或別的方面,自動對焦可能是多餘的,也會造成麻煩。問題是,什麼時候對您有用而不是不利於您?
追踪還是不追踪
當前大多數數位單反相機都具有兩種類型的自動對焦系統:對焦和鎖定(佳能稱為單次自動對焦,大多數其他製造商稱為單次或單次伺服自動對焦)或對焦與追踪(佳能稱之為人工智能AI伺服和其他人都稱為連續或連續伺服自動對焦。
在自動對焦模式(對焦和鎖定)下,相機會檢測到對焦點並將對焦鎖定在這個距離。當拍攝對象靜止時,這是理想的選擇,因為除非攝影師移動位置,否則相機到拍攝對象的距離(對焦距離)不可能改變。但是,如果拍攝對象靠近或遠離相機,則由於相機仍然對焦於原始(鎖定)對焦點之上,因此會失焦或散焦。這是散焦影像的最常見原因之一。
對於移動的主體,相機提供了第二個自動對焦模式的選項:對焦與追踪。在此模式下,相機會檢測到對焦點,並以這個距離對焦。但是,它不能鎖定對焦點,取而代之的是,它使用取景器中可見的AF(自動對焦)目標感測器,繼續評估拍攝對象的位置;如果檢測到拍攝對象移動,它將相應地調整對焦距離,從而保持準確的對焦。
例如,假設您正在拍攝一輛駛向您的汽車。第一次對焦在汽車上時,它的距離可能是20米,但是,當您按下快門時,它會移近例如10米的距離。將相機設置為對焦和鎖定模式後,按下快門時,對焦距離將保持在20米不變,從而導致汽車無法對焦10米。但是,在對焦與追踪模式下,相機將不斷重新評估拍攝對象的距離,調整對焦距離,以便在拍攝照片時,對焦點將設置為(在本例子中的汽車)10米。
因此,適當的自動對焦模式設置很大程度上取決於拍攝對象是靜止的還是運動的。對焦和鎖定模式非常適合靜態拍攝對象,例如風景。但是,當對象移動(例如野生動植物)時,對焦與追踪是更合適的選擇。
定位正確的區域
另一個考慮是選擇相框內的多大區域作為對焦檢測,稱為自動區域對焦模式。這個選項視相機的不同而有所差別。所有數位單反相機共有的一種選擇是單點對焦模式,在此設置下,您可以選擇自動對焦目標感測器中的一個(可以在觀景窗中看見的一個小方框)作為主動感測器,而相機將會對這個目標感測器所覆蓋區域內的任何物體進行對焦。這可為提供您一定程度的控制權,尤其常見於對焦於偏離中心位置的靜態拍攝對象(例如,在風景攝影中應用三分之一的規則時)。
此選項的局限在於相機僅使用所選的這個目標感測器提供的信息,而所有其他感測器均處於非啟動狀態。如果拍攝對象移到感測器覆蓋區域之外,則相機將重新對焦在這個覆蓋區域的物體。結果拍攝對象就離焦了。
為了克服此限制,另一個可用的自動對焦區域模式選項稱為動態區域(有時稱為廣域)。 在這裡,您可以預先選擇首選的主動感測器,但是如果拍攝對象移出最初選擇的區域,則其他已啟動的其中一個自動對焦目標感測器,將會抓到拍攝對象的動作並接管自動對焦的過程。 當拍攝對像在相框內移動時,例如在拍攝飛行中的鳥類或移動野生動物時,此選項是理想的選擇。
無論使用哪種選項,重要的是您首先要選擇最適合您的自動對焦目標感測器(通常是最接近影像空間中拍攝對象位置的感測器)。同樣重要的是決定主題是什麼。例如,在風景攝影中,它可能是一個突出特徵的物體,例如橋樑、建築物或岩層。但是,拍攝動物或人,您一定要對焦在拍攝對象的眼睛上,這需要您正確地放對目標傳感器的位置。
在某些相機上有第三個選項,那就是「最接近拍攝對象的自動對焦區域模式」。在該模式下,相機會對焦在最靠近鏡頭的物體上,並自動選擇合適的自動對焦目標測感器。通常被認為最適合傻瓜攝影,此選項也特別適合於不存在前景的不規則移動的物體,例如飛行中的鳥。
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