相机曝光原理

2022-06-10
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如何拍摄照片

了解曝光,光圈,快门,ISO和焦距的摄影概念,这对于如何拍摄好照片很有用。

捕捉光照

当光入射到物体上时,通常会在所有方向上散射或反射。

动画显示了一个对象上的两个入射光束,有效地照亮了两个特征点。实际上,光入射到整个对象上,所有要素的光都会散射到太空中。物体前方的空间中的每个点都将接收来自其可见的所有特征点的光线-彼此重叠。因此,除了有源光源(例如灯泡,计算机显示器或太阳)外,我们所看到物体是指看到从其反射的光。

要捕获照片,需要一个对光敏感并且可以记录光的设备(光传感器)。 在数码相机中,此设备是一块矩形的硅片,上面有一个光检测器网格。每个光探测器记录入射的光量,最终形成照片中的单个像素。

如果只是把传感器放在要捕获其照片的物体旁边,并不会产生可识别的照片。因为每个像素都可以看到对象的所有特征,因此每个像素几乎看起来都是相同的。

如下图所示,相片将变为所有组合光的恒定颜色:

解析图像

要解析图像,需要场景中每个特征的光只照射到传感器的一小部分或一个像素。这可以通过在盖子上放一个小孔或光圈来实现。

如上图,传感器的每个像素都可以看到场景的不同部分,因此可以完全识别图像,不过生成的图像是倒影。

当光圈非常小时,光圈将照射到传感器的光量限制在最小的同时让相机可以聚焦捕获整个场景,因此每个像素只能看到场景中的一小部分特征。

拍照时间

如果相机或拍摄对象稍微移动一点,则特征会被传感器的多个像素捕获。 特征在多个像素上的这种分布会使图像变得模糊,因此明显的移动将会让图像变得完全无法识别。所以传感器只能在短时间内暴露在场景中。 此时间段越短,场景或相机的相对运动越少,则图像模糊的概率就越小。

在传感器和光圈之间有一个快门。 快门通常是关闭的,阻挡了所有进入传感器的光。 它将暂时打开和关闭,使传感器在短时间内暴露在场景中。

光敏材料,快门和小光圈是构成简单相机最基本的要素。

曝光

如前所述,传感器的每个像素都是一个光检测器。 像素所暴露的光越多,则所得照片中的像素将越亮。 照片太暗,表示传感器暴露在太少的光线下,通常称为曝光不足的照片。 太亮的照片通常被称为曝光过度。

曝光不足曝光良好曝光过度

清晰可见的关键之一是使曝光恰到好处。 不要太暗,不要太亮。 如果打开和关闭快门非常快,光圈很小并且场景照明不佳,则每个像素将仅暴露于少量光线下,得到的照片可能曝光不足。

曝光度通常用档位来描述,这是一种相对的测量方法,一档是指光线加倍或减半。通过让光圈加倍,可以使传感器上的光量加倍。

那么,如何改变曝光度呢?

快门

快门开启的时间可以控制有多少光可以照射到传感器上。 因此,较慢(较长)的快门速度将增加曝光,而较快(较短)的快门速度将减少曝光。

虽然较慢的快门速度会增加曝光,但要考虑的是场景或相机的移动会导致图像模糊。 下面的两张照片具有快速移动(桨叶)和慢速移动(飞机机身)的特点。 快门速度慢时,桨叶的图像模糊,快门速度快时,桨叶的图像清晰。

快门速度 1/8000s
光圈: f/8, ISO: 11400

快门速度 1/250s
光圈: f/8, ISO: 800

注意: 改变快门速度也会改变曝光。 为了使两个图像具有相同的曝光,可以用另一种曝光控制方法(ISO)进行补偿。 下一节将介绍ISO。

快门速度通常以秒为单位。 例如,DJI的Zenmuse X5open in new window相机的快门速度范围为1/8000秒(快速)至8秒(慢速)。

如果快门打开时间加倍,则曝光量也将增加一倍。 因此将快门速度加倍或减半等于增加或减少一档的曝光。

ISO

增加曝光的另一种方法是放大传感器上的感光元件读数(有效地增加感光元件的灵敏度)。 随着读数的放大,所得的像素亮度将增加,因此曝光度会增加。

然而,感光元件的读数并不完美的。 电子设备中有一些小小的噪点,会对读数造成微小的变化。 有时读数会比原有的亮一些,有时候则会更黑一些。 如果光读数远大于噪点变化,那么噪点(相邻像素之间的曝光波动很小)将不会引起注意。 但是,随着光读数变弱,则噪点波动将变得明显。

曝光增大不仅会放大光检测器的读数,还会放大读数中的噪点,从而使这些曝光波动明显。

对于光滑,简单表面的图像尤其如此。并非所有像素都具有相同的曝光,每个像素点都不一样,这将导致颗粒状效果。

像素放大称为ISO。 ISO的增加会增加曝光量,但也会使图像中的噪点更加明显,从而产生颗粒状的图像。 通常,将ISO设置得尽可能低以获取最清晰的图像,并作为增加曝光的最后手段来使用。

在下面的两张照片中(显示了快门速度差异),使用ISO补偿了快门曝光的变化。 如果放大图像,则高ISO图像中的噪点会很明显,尤其在蓝色背景上。

ISO 11400
光圈: f/8, 快门速度: 1/8000s

ISO 800
光圈: f/8, 快门速度: 1/250s

注意: 此处的所有概念都适用于灰度(单色)传感器和彩色传感器。 彩色传感器只是一个在其前面具有滤色器的灰度传感器。 彩色滤光片是具有与每个像素对齐的滤色器网格的胶片。 每个滤镜只会让一种颜色的光通过:红色,绿色或蓝色。 然后,每个滤镜后面的光检测器或像素仅检测具有特定颜色的光的强度,并且可以将其视为红色,绿色或蓝色像素。

如果拍摄的是黑色场景,则结果知会检测到一点点红色,绿色和蓝色的光。 如果使用放大ISO来增加图像的曝光,则红色,绿色和蓝色像素将全部变亮,但级别略有不同。 这意味着红色,绿色,蓝色像素的组合将不再是黑色,而是稍微有点红色,绿色或蓝色,具体取决于哪个像素具有更多的附加噪声。

DJI的Zenmuse X5open in new window的ISO范围从100(低噪点)到25600(高噪点)。 ISO数字与传感器所暴露的光量成正比。 将ISO加倍等同于将曝光量增加一档。

光圈

增加曝光的另一种方法是增加光圈。

通常使用f数(也称为f档)来描述光圈,其中f/1.4是大光圈,f/22是小光圈。

  • f值(N)的计算公式为镜头焦距 (f) 与孔径(D)的比值:N=f/D
  • 我们通常用f/N来描述镜头的直径
  • 要使光量增加一倍,必须将光圈面积增加一倍
  • 由于孔是一个圆,将孔面积加倍会使直径增加1.414(2的平方根)
  • 因此改变一档曝光,则f值的改变量为1.414
  • D与N成反比,因此,D越大N越小
  • 与f/1.4的光圈相比,f/2是其一半面积的光圈 (f/1.4*1.414),因此f/2的光圈小了一档。

但是,如解析图像所示,随着光圈的增加,每个像素将看到场景中的多个特征,从而导致照片越来越模糊, 我们可以使用镜头对场景进行重新对焦。

注意: 这是一个简化系统。现代相机系统中会有许多镜头,这些镜头位于光圈和传感器之间,会复杂很多,但是简单系统和更复杂系统的原理是一致的。

镜头可以将前面特定位置的光线聚焦到镜头后面的特定位置。当使用镜头对特征物体对焦时,距相机不同距离的特征物体将无法一起对焦。

在焦点上的特征物体可以有更多的光射入到镜头上,然后折射到光感器上。 不在焦点上的特征物体会使光线散布在不同的像素上。 因此,较大的光圈会增加相片的曝光。

当你拍摄一个照片,照片当中最近的物体和最远的物体之间,能清晰成像的部分称为景深。 景深越长(深),那么能清晰呈现的范围越大;反之,景深愈小(浅),则前景或背景会变得模糊。

下两张照片显示了由于光圈变化而引起的景深差异。M600在树前飞舞。大的f/1.4光圈产生的景深是如此之浅,与M600相比,不仅背景严重失焦,而且在M600上远离焦点平面的的特征物体也略微失焦。

较小的f/16光圈让图像背景更加清晰。

浅景深
光圈: f/1.4
快门: 1/1000s, ISO 100

深景深
光圈: f/16
快门: 1/1000s, ISO: 10000

景深可用于突出显示图像目标。 当背景不清晰时,将M600与背景区分开来会更容易。 另一方面,如果你希望使用相机来计算具有许多不同距离的特征场景的地图,则较小的光圈,更深的景深会更合适。

例如,DJI的Zenmuse X5open in new window的光圈可在f/1.7(大)至f/16(小)之间调整。

光圈、快门、ISO之间的权衡

光圈, 快门 and ISO需要平衡才能获得良好的曝光。如果用这些方法改变曝光的同时,照片中的景深,清晰度和噪点也会有相应的改变。

下图说明了改变光圈,快门和ISO的效果,以及它如何影响曝光和生成的照片。

为了更好地理解这种权衡,下面举几个示例来说明。

示例1:光线充足,静止的场景。 相机从场景中接收到很多光线,曝光不足不是问题。解决此类问题的一种方法是:

  • 光圈:可选择浅景深或深景深。由于场景是静止的,因此可以通过快门来补偿曝光的任何变化。
  • ISO:可以设置为最小。快门将完成所有曝光补偿,因此可以将噪点降至最低。
  • 快门:场景是静止的,因此无论快门快慢都将产生清晰的图像。 快门只是用来获得正确的曝光。

**示例2:光线不足且具有移动功能的场景, 对于距离相机不同距离的物体都要求清晰。**本示例需要权衡所需的景深,图像的清晰度或噪点。 “光线不足”,“运动特征”,“清晰图像”,“焦点深度不一的特征物体”这几个要求是相互排斥的。 增加曝光量可以补偿“光线不足”的问题,但是会使捕获清晰的运动特征变得更加困难。 以下方法可以解决这个问题(噪点会受到很大影响):

  • 快门:设置得足够快,以使运动功能更加清晰。
  • 光圈:尽可能小,以允许用更深的景深对焦所需的特征物体。
  • ISO:最后增加ISO以获取正确的曝光。

**示例3:光线充足的流动水场景。 希望使用通过模糊效果捕捉水运动的照片。**此示例可能很困难,因为容易使照片过度曝光。 以下是一种解决方法:

  • ISO:设置得越低越好,以减少噪点和曝光。
  • 光圈:设置得尽可能小以减少曝光。场景中所有静止的特征物体都会成为焦点。
  • 快门:通常希望使用慢速快门来模糊运动,但是由于已经设置了光圈和ISO以最大程度地减少曝光,因此只有特定快门速度可以提供正确的曝光。 如果场景的照明良好,则水的模糊可能不会很明显。

**注意:**要控制曝光并使用较慢的快门速度,可以在相机镜头上使用中性密度(ND)滤镜,该滤镜可将曝光次数减少几档。

**示例4:以正确的曝光拍摄照片,但快门太慢。**由于快门速度太慢,因此场景中的场景运动模糊。 拍摄下一张照片的方法是:

  • 快门:将快门速度减半,有效地将曝光降低一档。
  • 光圈:将光圈增加1级,以补偿曝光。
  • ISO:不变。

作为最后一个示例,以下是使用光圈,ISO和快门速度的不同组合拍摄的三张具有相似曝光的照片。

光圈 f/8 - 所有特征都是清晰的
快门 1/80s - 桨叶是模糊的
ISO 100 - 低噪点

光圈 f/2 - 有一些特征是模糊的
快门 1/8000s - 桨叶是清晰的
ISO 640 - 相对低噪点

光圈 f/8 - 所有特征都是模糊的
快门 1/8000s - 桨叶是清晰的
ISO 12800 - 高噪点

以下表格计算了三种照片的光圈,快门和ISO的曝光差异,结果表明所有图像的曝光量大致相同(第三张图像最亮)。

照片 123
光圈

f/8

增加4档
f/8->f/2

曝光无变化
f/8->f/8

快门

1/80s

减少 623
1/80s->1/8000s

减少 623
1/80s->1/8000s

ISO

100

增加 223
100->640

增加 7 档
100->12800

总变化

-

0 档

曝光量增加 13

视场和焦距

视场定义了相机可以捕获的场景范围,并以度为单位进行度量。较大的视场可以看到场景的部分较大,而狭窄的视场可以看到场景的部分较小(但更详细)。高变焦倍率的远摄镜头具有狭窄视场的镜头。

透镜中心到光聚集之焦点的距离称为焦距。 焦距与视场息息相关。 随着焦距的增加,视场会减小(缩放系数也会增加)。

在下图中,镜头从传感器移开,从而增加了焦距。当焦距较小时,两个突出显示的特征会在传感器中部附近捕获。随着焦距的增加,视野变窄,同样的两个特征在传感器中的距离会拉开,从而有效地把小场景放大。

较小的传感器将具有较窄的视场,焦距通常以全帧传感器(35mm传感器)为参考,例如,DJI的Zenmuse X3open in new window相机的对角线视野为94°,当使用35mm传感器时,相当于20mm焦距。 而X3传感器小于35mm,因此物理焦距会比20mm小。

通过使用传感器的纵横比,可以将对角线视场分解为其水平和垂直分量, X3具有4000x3000像素传感器,因此水平和垂直视场分别为84°和62°。