数字图像

数字摄影基础

1.3摄影和影像 #

数字摄影(Digital photography),也可称为数字影像、图像(Digital imaging)。虽然相似,但两者表述的意义有一些不同。

数字摄影更倾向于将传统的摄影数字化。也就是说,“数字摄影”这一概念所表述的是一个替代化学摄影流程的数字化整体方案,在本书的第二章,我们会系统的讲述从相机选型到输出作品这个完整的流程。

“数字影像”则包容更广的内容,在本书中主要出现在第三章,数字影像更为重视影像拍摄后在计算机中所做的“后期”工作,这一部分也真正体现了数字摄影的优越性。

在获取图像方式上,数字摄影以直接经由数字相机或数字拍摄器材所捕获的影像为主。而数字影像包括扫描,手绘等其他采集影像方式,而文字等设计元素也介入影像的创作。

本章接下来的内容无法避免显得技术化。为了方便使用,文中对最常使用的选项做了推荐,如果没有深入了解的兴趣,请直接按照推荐的选项进行设置。

1.4数字和化学图像比较 #

在传统摄影中,镜头的光学信息和胶片中卤化银反应形成潜影,经过冲洗过程形成卤化银颗粒构成的影像,这种由小颗粒记录影像的方式和数字图像具有相同的工作原理。

数字图像又称点阵图像、像素图像。图像由密集规则分布的图像单位以指定的单元密度构成,每个最小图像单位具有不同的色彩信息,这一信息可被图像处理软件解释并在显示器或打印机中以不同的方式再现。

基于这种数字化的特征,使得图像的各种信息可以被计算机精密的控制,可以在人的控制下增加或删除,变更像素的排列位置和顺序,调整颜色,从而形成新的排列顺序,达到对画面精确控制的目的。

随机分布的胶片颗粒

与数字图像的矩阵规则像素不同,传统的卤化银颗粒非常多变,排列密度和单体颗粒的形态都非常的不同。

数字成像和胶片成像都具有的特征是在受光后形成反应。常见的数字成像元件CCD是由密集排列的像素构成的,这和胶片由散布在明胶中密集排列的卤化银颗粒近似,因此可以认为,在技术上,数字相机是在传统相机的基础上更换了记录介质为CCD,并增加相应的处理信息组件来完成信息记录的。

之前有许多关于数字成像和胶片成像谁的像素更多的说法,现在看来已意义不大。在公开的实际测试中,业界假定135规格的ISO400专业负片理论成像颗粒像素约为2400万,而当前最高规格的135规格数字单反相机CCD像素为1670万。

但由于记录方式的不同,两者数值不具备可比性,CCD的单层结构使得它具有较高的成像效率,而胶片则因为三个主要感光层的因素而形成信息损失,虽然可生成较多的有效像素,除动态范围等因素的差异,我们认为近乎理想状态的良好曝光处理的胶片像素数至少应除以3或4后,约等于相同像素的专业级CCD成像效率,即约等于600-800万像素,实际使用中,经过冲洗、扫描等各环节的损失,在数字平台中很难达到较好的效果。

我国传统的公众胶片冲洗设施长期受设备和操作人员素质的限制,一直未能达到西方国家的水平。胶片对后期冲洗处理较为敏感,在冲洗环境、水温控制、成像品质都无法得到有效保证的前提下,数字相机规范化、标准化的成像特性使得使用相同器材的拍摄者不再过多的受到地域冲洗水准的限制。

换句话说,在数字摄影时代,大多数国内用户所可能捕获的影像品质才真正和西方发达国家站在平等的地位上,摄影的竞争才刚刚开始。

1.5图像处理引擎 #

每台数字相机都具有自己的图像处理引擎,它的主要工作是完成相机控制和图片影像信息的处理。无论数字相机采用何种成像元件,图像处理引擎才是实际上区分相机品质的重点,也最终影响相机的画质表现。除了控制相机外,图像处理引擎的另一个主要工作是对数字成像元件所捕获的影像进行解释。数字成像元件是数字相机内重要的物理组件,可以将它理解为数字化的胶片。

与传统相机中可更换的胶卷不同,在多数数字机型中,它们通常被固化在相机内部为不可更换组件。数字成像元件目前有多家厂商在进行研究和发展,现在主流的成像元件为CCD和CMOS。(注:本书在后续章节中将用CCD或传感器来指代两者。)

成像元件的工作原理

CCD和CMOS各有不同的特性和缺陷,通常认为CCD具有较好的图像质量但成本较高,而依托计算机处理器芯片技术所发展起来的CMOS则具有较低的成本和低功耗的优点。

CMOS最大的优点是较高的集成度,CMOS可使用一块控制芯片有效的完成多数相机功能,而CCD则需要许多独立的处理芯片来完成。即使如此,CMOS在感光度和信噪比等指标上先天的存有缺陷,所以在当前高端专业数字相机或大型数字机背上还多数采用CCD技术。但业界多数认为发展迅速的CMOS技术终将替代CCD成为主流。

随着技术进步,无论是CCD或CMOS芯片的发展都能满足大多数用户的需求。对其评价应依据实际产品在图像品质上的整体表现,而不是鲁莽的按照成像元件来区分。

不同的图像引擎还具有不同的属性,这些属性通常属于成像元件和图像引擎的固定特性而无法被用户设置。较常见的有:

1.5.1 色彩位深 #

色彩位深用于标示像素中每种颜色所能达到的灰度信息数值,色彩深度一般用bit为单位,可以理解为动态范围。bit是数字信息的基本单位。在数字图像中,1bit表示非黑即白两种可能,2bit为2的二次方4,即表示除了纯黑和纯白外另加入两种不同程度的灰可供选择,由此可见,越高位深的图像具有越多的灰度层次变化,8bit是最常见的色彩位深。通常我们工作的数字图像都是基于8bit的。数字相机一般使用RGB加色法处理图像,每个像素由RGB三种灰度构成,色彩位深通常标示其中某色所能达到的灰度值——这是极易混淆的概念。

灰度位深示意图

通常标准的标注方法应标注单色(灰度)位深和三色位深,但有些产品只单纯标注RGB三色相加的位深,造成了一定认识上的错误,多数产品现在采用同时标注的方法,前一数值标示单色位深,后一数值标示三色位深。

通常一个8bit位深具有256(2的8次方)个灰度级别,RGB三者相加后为24bit(真彩色)。即每个像素具有2的24次方约1677万种可能性,已超出了人眼约可辨识的700万种色彩。目前高级别的民用相机最高达到16bit/48bit位深,每个像素有281万亿种色彩可能,一般高级单反相机的位深是12bit/36bit,单像素有680亿种色彩可能。

位深受限于图像引擎本身的特性,较高的位深带来了丰富的影调和色调变化,但同时也带来了数据爆炸式的增长。现行多数软件和设备也无法支持8bit以上的高位深的工作,虽然最新版本的Photoshop已可以支持16bit和32bit位深,并可在16bit下使用较多的命令和功能,但高位深在高质量、并支持高位深的显卡上才能被正常转换并显示在高位深的显示器上。

在输入和冲印环节,当前甚至还无法较好支持8bit影像,所以也无需片面的追求高位深,但高位深确实带来了更丰富和更高质量的图像信息,有助于数字后期处理过程中有选择的取舍。

1.5.2 成像元件面积和像素面积 #

普通用户评价数码相机的指标一般是像素级别。即画面可生成的像素数。一般称为四百万像素、八百万像素等,但这个像素并非数码相机最重要的成像质量依据。如果镜头品质不够或算法低劣,那么一台高像素相机可能用200个像素去记录一个应该用20个像素去记录的信息变化,而相对于另一台搭载高分辨率镜头的低像素相机,则可以用20个像素去记录这一细节变化,在最终影像上表现出更多的细节。由此可见,一台数码相机更重要的是图像处理引擎(算法)以及镜头品质,而绝非标称像素数。同时,成像元件大小和单个像素的面积也对画面品质有决定性的影响。

成像传感器(CCD/Cmos)

成像元件面积用于表示成像元件传感器的表面面积,常见的有135规格全尺寸24X36毫米、APS-C画幅23.7X15.7毫米,4/3英寸18X13.5mm,2/3英寸9.74X7.96mm尺寸等。一般认为,APS-C幅面即可提供接近专业胶片135幅面的画面生成效率,而更大的135规格全幅成像元件甚至可提供高于胶片120片幅的画面生成效率。近年由奥林巴斯(OLYMPUS)所倡导的4/3英寸规格是专门针对数字相机特性全新开发的系统,经过几年的培养已占据不小的市场份额,具有很大的发展潜力。

同样面积大小的成像元件可能具有不同的像素密度。单个像素体积越小,一个成像元件便可以容纳更多的像素数,提高成像元件密度比提高成像元件面积所需的成本要小许多,因此深受厂家的欢迎。单体像素越小,受到的光也就越少,图像品质基本就越低,像素之间的干扰增大也让图像更容易出现噪点。如果搭配上比较小的镜头,基本上光线稍暗一些就要加上闪灯以弥补成像元件受光的不足,使用较小原件和廉价镜头也是一些高像素的迷你廉价机型实际成像效果差强人意的主要原因。

通常消费级一体机都使用较小的成像元件,单体像素面积约在3-4平方微米左右,而高级别的大型单反相机,单体像素面积可达到8-10平方微米。抛开生产问题,如果按照小型相机的密度来生产,理论上135全画幅数字单反相机应可以实现1亿像素以上的分辨率。像素的增大换来的是影像品质的提升,单体像素受到更饱满的光照,同时像素间干扰减少,可以实现更高的感光度。相比较于单纯无用像素的提升,像素质量的提升更容易受到专业用户的青睐。

Powered by BetterDocs

Leave a Reply

Your email address will not be published.