曝光,提升你的光影把控能力

瘋攝     2021年08月12日

前言

一張照片的明與暗不僅可以影響我們的視覺敏感度,而且還能左右我們的心理導向。

一張曝光正常的照片能讓我們感覺舒適自然,而一張欠曝或過曝的照片不僅令美感打了折扣,而且還會損失大量的畫面細節。

曝光是一個比構圖還基礎、更值得入門攝影愛好者認真學習的重要概念。

那麼,曝光到底是什麼?如何界定過曝或欠曝?曝光值是如何測量的?

今天,小編和大家一起來聊聊攝影中的「曝光」。

一、幾個相關概念

為了弄清楚「曝光」的具體定義,我們必須先要理解幾個與之相關的基礎概念。

1.1 發光強度

概念的描述與定義往往都需要建立在一些具體的測量模型之上,很多相關、相近的概念都是在此基礎上不斷地疊加、嵌套,因此,理解模型是打通認知的起點。

桌上有一支蠟燭,它的火苗視為一個「點光源」,我們假定蠟燭是以火苗為中心、以球體形狀向四周散發所有光線(包括人眼可見光和不可見光),如圖1-1所示。將球體以球心為中心分為若干份,其中一份則稱為「球面度」(steradian,又稱「立體角」)。蠟燭在單位球面度所散發的所有能量,稱為「輻射強度」,單位為瓦特/球面度(W/sc);而其中可見光的能量則稱為「發光強度」(luminance intensity),用單位坎德拉(Candela)表示,簡寫為cd。Candela一詞源自拉丁文,意為candle(蠟燭)。

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圖1-1,Photo by John P. Hess.

發光強度與光源距離的平方成反比,亦即光的強度隨距離的增加而指數級遞減。如圖1-2所示:

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圖1-2,Photo by John P. Hess.

1坎德拉的發光強度具體是這樣定義的[1]:

將一個1平方釐米的黑體加熱至鉑的熔點,其發光強度的1/60即為1cd。

我們在談論攝影時,在無特別說明的情況下,默認都是在「可見光」的討論範疇,因此,我們只需要記住「發光強度」這個術語即可。而對於這個概念,我們可以抓住兩個要點:一是光源;二是可見光。

1.2 光通量

假設有一個發光強度為1坎德拉的點光源,它在單位球面度每秒鐘所發出的可見光的總量,定義為「流明」(lumen),單位簡寫為lm。如圖1-2所示:

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圖1-2,Photo by John P. Hess.

可見流明是一個非常小的單位。那它有什麼作用呢?

點光源在單位時間內在所有方向上發出的所有可見光的能量總和,稱為「光通量」,亦稱「光流量」(luminous flux),用單位流明表示。

光通量和發光強度描述的都是有關光源所發出的可見光,其區別在於:

前者描述的是所有方向,而後者則是指某個具體方向(單位球面度)。對於一個恆定的光源而言,其單位時間的光通量是不變的;而不同的距離和角度,測到的發光強度則是不同的。

1.3 照度

1流明的光源全部照射在1平方米的介面上,其介面上所有的入射光通量定義為光源的「照度」(illuminance),用單位勒克斯(lux)表示,簡稱為勒。1 lux = 1 lumen/m²。如圖1-3所示。

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圖1-3

可以認為,照度是將光通量從三維曲面轉換至二維平面。它為定義曝光奠定了測量基礎。

1.4 亮度

「亮度」(Luminance/Brightness)可能是我們日常生活中接觸得最多、使用最頻繁的光學概念之一。那到底什麼是亮度呢?

光測量學上定義,每平方米物體在某一方向上所反射的可見光的光線強度,即為「亮度」,用單位坎德拉每平方米(Candelas/m²)表示。

亮度和照度是兩個非常相似而且經常被混淆的概念,想要正確地區分兩者,必須要抓住以下幾個要點:

(1)亮度是描述人眼感知到的光線強度,而照度則是描述光源的物理屬性;

(2)人眼感知到的亮度跟物體表面的質地、對光的反射效率有關,而照度僅與光源有關;相同的光源,入射介面若粗糙,則易發生「漫反射」(多方向反射);若光滑,則易發生鏡面反射(單方向反射),此時,人眼在出射光的角度上感知到的亮度最高,這也符合我們的生活經驗。

(3)亮度是反射光在某個具體方向上的強度,而照度則是所有方向。

圖1-4可以更簡明易懂地表示以上4個概念之間的關係:

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圖1-4

二、曝光的定義

我們平時所說的「曝光」(exposure),嚴格而言可分兩種情況:

(1)當「曝光」作動詞用時,它指的是光線與一些光敏介質(如感光膠片、傳感器等)發生光電效應,使其感光;

(2)當「曝光」作名詞用時,它實際上指的是「曝光量」,而後者便是本文重點探討的概念。在無特別說明的情況下,本文所說的曝光都是指曝光量。

那什麼是曝光量呢?

2.1 曝光量

光敏介質在光線照射期間所累積的照度總量,定義為「曝光量」(lumious exposure),單位「勒秒」(lx-s),用公式表示即:

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其中E為可光見的照度(lux),t為時間(秒)。

對應到攝影中,光敏介質即為膠片或電子傳感器,入射光的照度由控制通光孔徑大小的光圈(詳見文章《關於光圈,這是我為你整理的最詳盡的乾貨,值得攝影愛好者們收藏》)決定,照射時間(即曝光時間)由相機快門(詳見文章《攝影知識科普 | 你最熟悉的「快門」,卻藏有這些你最陌生的認知》)決定。也就是說,相機的光圈和快門共同決定了感光介質的曝光量。

看到這裡有人可能就會問:

我曾聽說過一個什麼「曝光三角」,不是應該三個參數共同決定曝光量嗎?

2.2 曝光三角

談到攝影中的曝光,似乎很難不提「曝光三角」。所謂的「曝光三角」(exposure triangle),是指以感光度(ISO)、快門、光圈三個參數組成一個三角形(如圖2-1所示),只要其中一個變量改變,其餘至少有一個也要隨之改變,方能獲得「曝光最優」的圖像。

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圖2-1

曝光三角概念的流行,令很多人以為這三個參數共同決定了圖像的曝光量,這其實是錯誤的!

感光度雖然能使最終的圖像看起來更亮或更暗,但它並不能決定曝光量,很多人都是被曝光三角誤導了。本質原因如下:

對於膠片攝影而言,感光度(也叫「膠片速度」)描述的是底片對光的敏感程度,並無控制入射光數量的功能。感光度越高,意味著膠片中的溴化銀(光敏物質)的顆粒越大,越粗糙,與光子發生「光電效應」的效率也越高;

對於數碼攝影而言,感光度(ISO)實際上是指對電子傳感器所捕獲的電信號進行後期放大的程度,它是在影像曝光之後執行的,並不能左右前期光線(或光子)進入鏡頭的總量。因此,ISO本質上並不能決定曝光量。關於感光度ISO,小編以後會專門為此寫一篇文章詳細介紹。

事實上,還有一些變量可以影響最終的曝光量,比如場景亮度(對於影棚攝影而言,它是可控的)、中灰濾鏡(控制通光率)等。

故,我們必須明白:這個所謂的曝光三角並非是一個嚴謹的科學模型或光學定理,而只是為了讓大家便於理解三個參數與亮度之間的關係。如果你願意,還可以加入其它相關參數,變成「曝光四角」「曝光五角」等。

瞭解了曝光的定義,我們便知道了曝光究竟指的是什麼。那麼,問題來了:

曝光究竟是如何測量的呢?

三、曝光測量

我們平時拍照時想必已聽過不少這樣的「行話」:

這張過曝了、那張欠曝了、曝光要正確才行……

當你聽到這些,你是否思考過:何為「過曝」?何為「欠曝」?「曝光正確」又是什麼?

要回答這些問題,還得先理解曝光是如何測量的。

3.1 曝光值

先來瞭解一個新的相機參數。

1950年代,為了更好地表示相機快門與光圈組合對曝光的影響,來自德國的一位快門製造商Friedrich Deckel提出了「曝光值」(Exposure Value)這個概念,簡稱EV。它代表的是相機快門與光圈組合的一個數值,因此也稱為「相機曝光」(Camera exposure)。

EV系統定義了與快門、光圈之間的關係:

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其中:EV為曝光值(四捨五入後取整數),N為光圈f值,t為快門(秒)。

1個EV表示一個曝光「檔位」,每增加或減少一個曝光檔,光線數量相應便以2的指數相應增加或減少。

由於光圈和快門共同決定EV,因此,同一個曝光值(即相同曝光量),可以有不同的光圈和快門組合,如圖3-1的EV表所示:

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圖3-1

除了快門和光圈,場景中的亮度和感光度也能影響曝光值,它們之間的關係是:

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其中,L為平均場景亮度,S為感光度(ISO值),K為反射光測量常數(通常取12.5)。

因此,通過測量平均場景亮度並給定一個感光度,便可計算出相應的EV值。

於是,可以通過一幅升級版的EV圖將曝光值、快門、光圈和ISO、場景亮度之間的關係對應起來[2],如圖3-2所示:

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圖3-2

上面的坐標系,斜線表示EV值,連接的是一對光圈(縱坐標)與快門值(橫坐標);下面的坐標,斜線連接的是感光度(縱坐標)和場景亮度(橫坐標)。通過這張圖,我們不僅可以看到EV與光圈、快門之間的關係,還能比較不同程序曝光模式(如快門優先、光圈優先等)下的曝光情況。另外,通過參考第二個坐標系,我們還能查看相機在最暗處和最亮處的影像捕捉能力。

那麼,曝光值在攝影中如何應用呢?

這便涉及到測光的概念了。

3.2 EV與測光

攝影中所謂的「測光」,其實是「測量曝光」(exposure-meter)的簡稱,具體指測量拍攝主體在場景中所反射的光線亮度,以便獲得最優曝光。

所謂「最優曝光」,也叫正確曝光,是指高光區域不會因過度曝光而出現一片慘白(過曝),暗部區域不會出現一片漆黑而細節丟失(欠曝)。在攝影中,以18%灰度卡(即「中度灰」)所反射的光線亮度定義為EV0,即為相機認為的正確曝光。

圖3-3為單反相機中顯示屏中的EV參考標尺:

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圖3-3

這個EV曝光標尺表示的曝光範圍為-3EV~3EV,共有6檔的明暗範圍。當半按快門時,白色光標會顯示相機當前參數組合下的曝光值,位於0則表示曝光正常,向右移動表示過曝,向左移動表示欠曝。

EV標尺除了供設置參考,還能用於「曝光補償」,即人為修正所需的曝光水平。此外,還能用於「包圍曝光」,即設置3個檔位的EV值(如-1,0,1),用相同參數拍攝,得到分別是欠曝、正常和過曝光的三張相片,最後通過後期軟體合成,即得到一張高光不溢出、暗部有細節的高動態範圍的相片,這便是HDR(High Dynamic Range)。

其實,並不存在「正確曝光」的統一標準,因為拍攝者可以根據各自的創作和表現需求而刻意地過曝或欠曝,相機裡的EV0未必就是你要的正確曝光。

攝影中的測光方式有很多,比如使用手持測光表,它主要是測量主體所在場景中的入射光。多用於商業攝影(如人像攝影),普通攝影愛好者會比較少用到。

沒有測光表不要緊,我們還可以直接使用數位相機的內置測光系統——後者便為我們重點介紹的部分。

四、 相機內置測光系統

為了便了拍攝者能得到理想曝光的相片,如今的數位相機都有搭載測光系統。它主要測量的是經主體反射而進入鏡頭的光線。相機內置測光系統一般由若干組矽基感光元件(SPC)構成,主要位於取景器側邊和反光鏡底部(如圖4-1所示)。一些高端相機還會在傳感器前下方內置多個矩陣感光元件,利用反射光線測量傳感器中不同區域的曝光水平。

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圖4-1

數位相機通常內置幾種測光模式,以Canon品牌為例,主要有:點測光、部分測光、中心偏重測光和評價測光等4種。

4.1 點測光

點測光(Spot metering),只測量來自場景中非常小的一部分光線,通過測量畫面2~4%的區域,計算後得出平均值。測量點通常位於取景器的中心位置,一些中高端單反則可以隨焦點移動而改變測光點。

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圖4-1,Photo via Digital photo magazine.

點測光是一種比較精確的測光模式,用可於一些光線反差較大的場景。

4.2 部分測光

部分測光(Partial metering),測量區域比點測光更大一些,基於取景器的中心圓略向外擴展,約佔畫面8~13%的比例。

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圖4-2,Photo via Digital photo magazine.

4.3 中心偏重測光

中心偏重平均測光(Centre-weighted average metering),顧名思義,這種測光基於畫面的全部區域,但側重於取景器的中心區域,並且不隨焦點位置而轉移,亦即每一次拍攝都使用相同的平均模式。

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圖4-3,Photo via Digital photo magazine.

這種測光模式可用於靜物、寵物、戶外人像等主體多居於中心的拍攝場景。

4.4 評價測光

評價測光(Evaluative metering),也叫「矩陣測光」,同樣是基於畫面全區域的測光,但是它會偏重於當前自動對焦點所在的區域,比其它模式要相對智能一些。因此,如果你不知道如何選擇測光模式或者嫌麻煩,或許評價測光就是你的最佳選擇。

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圖4-4,Photo via Digital photo magazine.

結語

這篇文章有點長,我們來簡單回顧一下。

開篇,我們從發光強度這個基本概念講起,隨後介紹了與之相關的光通量和照度,進而引出了「亮度」這個底層的概念。理解了亮度,才能更好地把握「曝光」的基本涵義。接著繼續深入介紹了曝光值,並詳解了測光和相機內置測光模式等,它們都包含了與「曝光」相關的重要知識。

攝影是光影的藝術,而曝光則是光影的歸宿。理解曝光有助於提升對光影的認知,亦有助於提升攝影的光影把控能力。

參考文獻

[1]Nanette Salvaggio,Basic Photographic Materials and Processes,2009,Focal press.

[2] Ralph E Jacobson,The manual of photography,9th edtion. Focal Press.

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