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拍照的宽容度和动态范围,到底有何区别?

之前在很多回答中我都有提到,如果我们严肃地讨论成像这件事,那么最好还是区分一下宽容度和动态范围这俩词儿。在一般聊天场景中,其实我觉得没必要区分这两个概念,顺嘴说了也就说了。包括普通媒体刊发的文章,宽容度和动态范围混用,我觉得也都是可以接受的。

包括你们去看 DxOMark 对动态范围(Dynamic Range)的解释也十分随意[1]

The range of luminance values between the darkest and brightest perceptible points in an image.(不严谨的翻译:一张照片中,最暗与最亮位置的亮度值区间)

问题是,DxOMark 针对 Camera 类别的动态范围测量方法明明就不是这东西。在我以往的回答中,看到好几则留言在问我,宽容度跟动态范围到底有什么差别?我都没回复:说真的,如果我们要非常准确地来讲这件事,其实难度还是颇大的,感觉我需要学两年再来回答你们这个问题。不过我们可以简单的方式,随意地聊聊。

注:本文部分参考来源无法保证可靠性


对应的英文

我们不是系统学习光学和半导体,所以获取知识都比较琐碎和片面(或者片点)的。融会贯通的同学请轻拍,这里只做一些分享。

兰拓在 2017 年 9 月发布《键摄者说》系列文章的第七篇《先看懂这些才能真正读懂相机评测》[2],各位可以去看一看,里面解释了动态范围和宽容度的概念和差别。不过我觉得仍然不够通俗。当时我在评论中询问作者,动态范围和宽容度对应的英文分别是什么。他们很热心,很快就回复了我。

动态范围的英文是 dynamic range,而宽容度是 latitude,这里也给有研究精神的同学参考,你们可以通过谷歌搜索引擎好好研究一番。


什么是动态范围(dynamic range)

比较诡异的是,即便说动态范围,我们都还是要区分一下 EDR(engineering dynamic range)和 PDR(photographic dynamic range)。或者我们可以认为,在“工程”领域以更科学的方法来说动态范围,和摄影领域谈动态范围,还是不一样的。

前述兰拓那篇文章谈的动态范围,指的很显然是 EDR,但我们日常闲谈时说的动态范围则是说的 PDR。

EDR 是明确可量化的一个概念,既然都说到“工程”了,那还不赶紧装个逼。EDR 的值是下面这样的[3]

呃...看看就好了,不需要懂。实际上光是界定这里 SNR = 1(信噪比)我们都还需要花点时间。这里我就不献丑了,不过我们还是简单地说一说,EDR 是特别针对图像传感器而言的,它可以简化为“系统的最大不失真输出与系统本底噪声的比值”。

这里的“本底噪声”,简单理解就是相机,在伸手不见六指的环境下拍一张(零输入响应的)照片,理论上照片也应该全黑。不过实际上,由于本底噪声的存在,我们很细致观察这张照片,仍然可以发现噪声的存在,尤其是尝试后期提亮时。

而所谓“最大不失真输出”,可以理解为图像传感器在刚好没有过曝时的光电子总量,或者叫最大满阱容量。

EDR 基本取决于本底噪声。而我们严肃讨论时,所说的动态范围就是指 EDR。其单位就是 stop 或者叫“档”。这个概念对我们而言有什么价值呢?价值就是了解本底噪声,以及它和我们日常所讨论的宽容度/动态范围是有关系的,但并不是全部关系。如果你关注 DxO 的相机评分,那么这个概念还是要好好去理解一下,详见文末的参考内容。


那么,什么是摄影动态范围(PDR)

PDR 其实才是普罗大众更关心的一个概念或值。实际上,兰拓那篇文章中谈到的“宽容度”正是指的 PDR,或者说 latitude 和 PDR 是存在“共轭”关系的——是不是说得特装逼?

实际上 PDR 经常与宽容度(latitude)互相混用,大概也是文章开头提到的这个状况存在的根源。我们从最简单的层面来谈一谈 PDR/latitude 究竟是什么鬼!其实也就是最暗到最亮的曝光范围。我们去查很多国外网站给 dynamic range 的定义,也是这么回事。

在国外摄影师 Alister Chapman 的文章 What's the Difference between Latitude and Dynamic Range[4]中,他认为,dynamic range 就是指一次拍照,相机能够记录的最暗到最亮区间。这其实就是我们平常理解的动态范围或宽容度概念。

反映到一张照片上,依据 stop 来拍不同亮度的灯箱,最终多少个灯箱能被记录下来。其实这个概念我看网上有明确归到宽容度(latitude),实际跟 PDR 都还有差别。

照片来源:小P说相机

去看 PDR 怎么算的时候,发现它是指最大可接受信号和最小可接受信号的比。感觉十分诡异...什么叫“可接受(acceptable)”?兰拓在这个问题上其实说得非常清楚,就是我们拍照的时候,如果曝光不足,通过后期提亮,那么画质一定是很糟糕的。针对同一个场景,曝光越不充足,则后期提亮到相同亮度时,画质越糟糕。

保护眼睛是很重要的,曝光如果太不充足,提亮后,这张照片地画质必然不忍直视:即你的“怒气值”总有一个极限,你会认为这张照片已经画质不堪到根本不能看了。那么在你发怒的这个临界值时,即可认为针对该拍摄场景的曝光达到最低下限,如果再往下,在你眼里就都是垃圾了。

那么 PDR 即是指这个下限到上限(上限就是指图像传感器刚好没有过曝时的光电子量)的距离。

值得一提的是,在 PDR 的概念中,“怒气值极限”其实是个很主观的量。可能你觉得提亮后画质已经不忍直视了,但其他人可能认为还是可以的。所以 PDR 本身就偏主观,但对于同一个人而言,他的“怒气值极限”还是一个定值,所以对于不同相机的 PDR 表现,还是可以做出谁更好谁更差的客观比较的。

那么现在其实大致可以理解 EDR 和 PDR 之间的关系,他们之间的距离其实还差了一个散粒噪声。所以 EDR 和 PDR 并不是同一个东西。不懂什么是散粒噪声的请看我的另一篇文章:欧阳洋葱:聊聊照片的“噪点”:你的快门和光圈设置不对啊

至于拍灯箱的 latitude,以及体现你“怒气值极限”的 PDR,这两者之间如何建立“共轭”关系,或者是否彻底表现同一种属性,我似乎并没有能力去解释。


再聊聊曝光宽容度(exposure latitude)

还有人可能偶尔会见到一个叫 exposure latitude 曝光宽容度的概念,说它和 latitude 也可以区分。比如说,你要拍一个场景,这个场景本身的动态范围(或者光比)是 7 stops,而你用的相机 PDR/latitude 是 12 stops。那么其实曝光方式是有一定自由度的。比如你可以向左曝光,这样拍下来的照片会暗一些;你也可以向右曝光,拍的照片会亮一些。这其中有 5 stops 的空间供你任意使用,可确保照片不会过曝也不会死黑。那么这 5 stops 就叫做曝光宽容度。[5]

在前述 What's the Difference between Latitude and Dynamic Range 一文中,作者所提的 latitude 概念会更加符合直觉,和 exposure latitude 也更接近。虽然作者并未严谨解释,但可作参考,这里和各位分享,帮助更深入理解。

“Exposure latitude 用以衡量在并未过度损失照片质量的情况下,你能接受多大程度的曝光差别。”所以才叫“宽容度”。比如说,一般我们拍照要找一个最佳曝光参数来进行。那么以此为基准,一方面过曝,一方面再欠曝,过曝到何种程度你就受不了了,以及欠曝到何种程度你就受不了了,这两者间的距离就是 expsoure latitude(或者不严谨地理解为 latitude)。

比如某家庭摄像机拍视频,我们采用合理的曝光参数,拍摄的画面都很好看;然后尝试降个 1-1.5 stops 曝光,然后经过后期提亮,你认为画质依然能够接受,那么这颗相机的欠曝 latitude 就至少有 1-1.5 stops;在完美曝光的基础上,加 1 stop 曝光,结果画面就完全不能看了,后期也救不回来,那么这个摄像机总体的 expsoure latitude 大约就在 2-2.5 stops。

其实我感觉不必去纠结 latitude 和 exposure latitude 是否真的存在差别,至少这个解释也可以用来衡量不同相机设备宽容度情况到底谁更好谁更糟,即便其量度是不一样的,但也并没有什么影响。

总的来说,日常谈论宽容度和动态范围,我们没必要去深究其内核,尤其 PDR 和 latitude 本身也是差不多的意思。不过如果看量化的数据和真正的评测,比如 DxO 和兰拓的评测,就需要关注其间的差别了。


扩展

这里再补充一下此文作者的另一个观点,就是 PDR 增大的话,是否意味着 exposure latitude 就会增加?这个问题实际上涉及到 gamma 曲线,所以答案是不一定的,这里仅作为扩展阅读。

除非是拍摄纯线性的原始图片,否则拍的照片就会应用一个 gamma 曲线。因为人眼对于亮度的感知并不呈线性,比如人眼天生对亮部更不敏感,所以亮部并不需要保留太多层次;但人眼对暗部很敏感,所以暗部要保留相对更多的细节。为了模拟人眼的这个特性,就需要对照片应用一个 gamma 曲线。

Gamma 曲线另一方面也是对数据做压缩,尤其对亮部数据做压缩。我们拍摄视频的话,就算是未压缩的视频格式通常也都要应用 gamma 曲线,将更大的动态范围挤压到一定尺寸。高亮区间的压缩就更容易造成过曝的问题,一旦我们再向右曝光一点,那么照片或视频就会因为压缩看起来很悲剧,比如中间调信息这个时候会进入到 gamma 曲线高度压缩区间。

常规的 gammar 曲线白色亮部曝光在 90~95% 区间内,而中间调介于 40~45%。在 90% 以上区间,实际上就发生高度压缩了。比如对脸部曝光,就必须要放到 90% 以下,这样看起来才会自然,如果放到 90% 以上区间内,就会感觉跟褪色了一下,对比度也低。

而 Hypergamma 或者 Cinegamma 这种都是比较大动态范围的 gamma 曲线。这类曲线的肩部会更低。这样给予向右曝光的空间更充足。但与此同时,因为曲线突然放缓的肩部位置变低了,如果我们对人脸做曝光的话,要获得理想的效果,实际相比标准 gamma 曲线的范围更小,也就是说过曝一点点,可能就会对画面产生伤害。

这也就造成了动态范围(PDR)更大的曲线,却让曝光宽容度(exposure latitude)更小了。索尼推荐用户针对此类 gamma,中间调摆在更低的 32-40% 区间内。这样的话整体曝光度更低,也就不太会过曝了——但显然这让曝光宽容度变小了。有关 Log 曲线,还可以去详细看一下作者的这篇文章。

要更细致地了解 EDR 和 PDR 的量化概念,参见参考资料中的 Engineering Dynamic Rang in Photography。

参考

  1. ^Dynamic Range - DxOMark https://www.dxomark.com/glossary/dynamic-range/
  2. ^先看懂这些才能真正读懂相机评测 - 兰拓科技 https://mp.weixin.qq.com/s/K5PX7d3V4rLLSMBcaQ4jcA
  3. ^Engineering Dynamic Range in Photography - Strolls with my Dog https://www.strollswithmydog.com/engineering-dynamic-range-photography/
  4. ^What's the Different between Latitude and Dynamic Range - Alister Chapman http://www.xdcam-user.com/2013/11/whats-the-difference-between-latitude-and-dynamic-range/
  5. ^What is the Difference between Exposure Latitude and Dynamic Range - wolfcrow https://wolfcrow.com/what-is-the-difference-between-exposure-latitude-and-dynamic-range/
编辑于 2019-06-01

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