先看懂这些才能真正读懂相机评测 | 键摄者说⑦

更新时间:2017-09-30 阅读:476 评论:0

键摄是门基于物理的学问,自然对于物理量的讨论就是个离不开的话题。其实之前在微博上对于这些东西的讨论已经有不少,今天趁着国庆之前仓库里东西都发货发完了没得测试,就整理一下,说说在讨论键摄问题的时候经常被混为一谈甚至两个人吵架吵完到最后都不知道对方跟自己提到的都不是一回事的物理量吧。诸如类似“动态范围和宽容度是一回事”啊,“锐度高的镜头分辨率一定很棒”啊之类的误解,太多了……


宽容度与动态范围


首先上物理定义:


动态范围(传感器科学概念):系统的最大不失真输出与系统本底噪声的比值


宽容度(摄影术概念):输出图像画质可接受的前提下输入信号(光照强度)的最大与最小值之比


说到不失真,就得先说说什么叫失真。


其实动态范围最早是音频系统里的概念,常看耳机音响这类产品评测的同学一定或多或少的注意过标称的参数里面都会有一个“动态范围”。对于耳机来说,最大不失真输出功率这个概念很简单,把输入信号的音量强度一直放大,放大到听起来破音/声音不对……之类的,就叫失真了。而对于相机来说,一直放大输入信号,到最后只会有一种结果:过曝。


那么不失真就是不过曝。


所以对于相机系统的动态范围,可以理解为:图像传感器的最大满阱容量(刚好不过曝时的输出)和本底噪声的比值。


本底噪声就是图像传感器的零输入响应,盖上镜头盖,全黑状况下拍摄一张照片,得到的就是零输入响应。由于满阱电子数基本只有造传感器的人才知道,所以一般采用外特性测量的方式来测动态范围,RAW文件最大的亮度(14bitADC满载的16384-各个厂商给出的黑位Black Level)除以本底噪声(全黑图像各个像素亮度的标准差)就是相机图像传感器的动态范围。


需要注意的是,在各家相机都采用14bit ADC,黑位相差也不大的现状下,动态范围几乎唯一性的取决于本底噪声:


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都是盖上机身盖,ISO100、1/60s拍摄之后提亮5EV,可以清楚的看到动态范围的巨大差距产生的原因——D850的本底噪声几乎不可见,而6D2的本底噪声非常明显。



说完动态范围再来说说宽容度


宽容度其实是个主观量首先我们有一个显而易见的事实:在ISO不变的前提下,输出同样亮度的照片(靠后期提亮得到相同亮度)时曝光越充分的照片画质越好,曝光越不足的照片画质越差,也就是说实际得到的画质y相对于曝光量x的函数y(x)是单调递增的。


所以我们一定可以找到y值(画质)的下限所对应的x值(曝光强度),也就是说低于这个曝光强度,提亮回正常水平之后的画质你是忍不了的。这个y值所对应的x,到x的最大值(就是上面说的满阱容量,即刚好不过曝时的输入光强)之间的距离就是你能接受的“宽容度”——你会在这个范围内使用相机来保证你得到的画质是你自己能忍受的。也就是说,即使是同款相机,你是写轮眼那么它的宽容度就低,你天天念诗“又不是不能用”的话,它的宽容度就高,所以说它是个主观量。但是对于一个没有品牌或者机型信仰的人,不同的机器基于同一个人同一个看图标准的宽容度排序依然是唯一的。


那么,动态范围能否唯一的决定宽容度呢?答案是:不行。


原因是:动态范围只能体现出本底噪声的噪声强度,而实际影响我们所看到画质的是总信噪比——输入信号的强度,以及光子散粒噪声(其强度正比于入射光强度的平方根)的强度,也是影响暗部提亮之后画质的关键因素。


换句大白话就是:即使是暗部提亮,更大画幅的实际宽容度完全可以碾压高动态范围的小底。——因为输入信号强度高的时候散粒噪声的提高不如输入信号强度提高快,而更高的输入信号强度完全可以使得高本底噪声下同样拥有更高的实际信噪比:(下图两部机身索尼RX100M4动态范围13.0EV,佳能5DSR动态范围12.3EV,都是各自的基准ISO下测得,所以基准ISO的不同在这里不是影响因素)

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如果上面的你都看不懂,记住结论就好了:

动态范围是本底噪声的量度,是决定宽容度的一个重要因素。但是宽容度不只取决于本底噪声,同样的本底噪声强度下,高感光性能和更大的CMOS对于宽容度也有增益。


最后一个问题:动态范围、宽容度的单位都是什么?


肯定有人不假思索说是EV(档)。但是实际上EV和dB(分贝,以10为底的常用对数)、Np(奈培,以e为底的自然对数)一样,都只是个对数记号,实际参与运算的量纲是1。不信你看看,得到动态范围/宽容度的运算,要么是亮度除以亮度,要么是电子数除以电子数,最后除出来的单位必然只能是1。


动态范围用对数表示只是出于一种习惯,音频上是因为数值都比较大用dB会比较方便,相机这边还有一个原因就是2倍作一档的一个习惯流传,实际上在图像传感器厂商那边的动态范围标识也是用dB的——比如索尼IMX251的官方动态范围标识就是85dB。

实际上以dB、Np结尾的物理量单位也都是1,这几个看似是单位的东西并不是物理上讲的单位,切记。




分辨率和锐度



还是先上物理定义:


锐度:表示图像边缘的对比度,在数学上可以表示为黑白边界的亮度变化对空间位置的一阶导数。


分辨率:表示系统的空间频率响应特性,MTF xx分辨率的含义是当还原度(对比度)下降到50%时的空间频率,也即截止频率。


锐度这个非常好理解,假设一张图片的黑白边缘从全黑(0亮度)到全白(255亮度)跨度用了2个像素,那么锐度就是127.5。再举个例子方便理解,之所以过度锐化会产生白边,是因为显然把边缘搞成下面这个样子,根据定义锐度指标可以获得显著的提升:

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这样产生的结果就是明显的过锐化黑白边,由于减暗的部分看起来不如加亮的明显,于是就变成“白边”了,如图所示:

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仔细看就会发现暴力锐化不只会产生白边,还会在亮区产生黑边,原理就是上面讲的这个。


分辨率讲起来就复杂一些,首先得知道什么叫空间频率——想详细了解的可以看【反老法师通俗演义】图像质量评价标准基础科普(1)。简单来说就是,声音信号的频率对应的是振动周期,也就是强度对时间变化的密集幅度。空间信号也一样,黑白线条越密集,空间频率也就越高。把从左到右的空间类比时间,黑色白色类比成声音信号的强度,就可以明白这一点。


而常识告诉我们,黑白的线条越密集,镜头对它们的解析能力就越差:

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明显越稀疏(频率越低)的线条越清晰。所以我们就可以找出一个截止频率,此时的线条对比度降低到50%,人眼看上去观感开始变差,这个截止频率就是“MTF50分辨率”,表示的是光学系统对于高频信号的识别能力,跟耳机参数当中的“频率响应”有点类似,只不过光学系统不会有耳机那么均一稳定的响应。


不过真正测量的时候不会用这种连续的频线,一个是精度不够一个是做连续谱很麻烦,都是采用傅里叶分析的方法间接得到这种周期信号,实际输入的是一个方波,参见:【反老法师通俗演义】图像质量评价标准基础科普(2)


所以实际上这两个概念并不是一回事,如果大家看上面的文字云里雾里,这里有一个直观的图:

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不过,要图像有好的观感,高锐度和高分辨率都是必要的。只不过锐度想后期获取非常容易,分辨率则是光学系统的硬参数所以一般我们只关注后者。实际上,现在高分辨率光学系统的锐度表现一般也不差,直出也有比较不错的观感。


最后一个问题,为什么缩图可以提高(100%看图时的)锐度?


其实跟锐化原理近似,参见本节的第一张图,锐化是放大y轴方向的值(亮度对比)而x轴方向(空间距离)不变,缩图则是收缩x轴方向(空间距离)而y轴方向(亮度对比)不变,显然都可以提高视在锐度。



色域覆盖与色域容积


这个话题就离开相机,转到我们平时修图常用的显示器上了。

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这是ET大佬对小米笔记本Pro的屏幕色域测试结果,可以看到出现了两个值——一个是79.1% sRGB,一个是92.6% sRGB。那么到底哪个才是我们常看到的色域结果呢?

实际上,这块屏幕的色域表现是这样的:

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外面的大圆表示NTSC色域,而小米笔记本Pro的色域标识是72% NTSC,表示红圈的面积和外面大黑圈的面积比是0.72:1,同时红圈全部落在黑圈内,这个标识没有问题,然而如果具体到修图常用的sRGB,就开始出现偏差了——红圈和小黑圈仅仅是面积相同,实际上并不完全重合。所以实际上,上面色域测试结果当中79.1%的“Gamut Coverage(色域覆盖)”表示的就是阴影部分的面积与sRGB(小黑圈)的面积比,而Gamut Volume(色域容积)表达的是整个红圈的面积与sRGB(小黑圈)的面积比。


所以实际上如果我们用这块屏幕修/看sRGB的图,实际的有效色域也只有红色阴影部分(79.1%),多出来的那一块在sRGB色域之外,不能算作sRGB色域标准。

由于要精确的把屏幕色域控制在sRGB范围内有点麻烦,现在很多鸡贼的屏幕和笔记本厂商都开始只标“72%NTSC”了,只要红圈的面积达到了大黑圈的72%而且全包含于大黑圈,就可以叫72%NTSC,然而具体红圈位置相对于sRGB在哪那就说不清了。所以,不要看到“72%NTSC色域屏”就觉得可以换算成100%sRGB,100%sRGB只是72%NTSC里的一种特殊情况,实际屏幕能覆盖多少的sRGB区域,还是需要实际测试才能知道。


当然这个问题其实也不严重,从我画的示意图和数据来看有点惊悚,但是色域实测图是这样的:

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虽然有点偏离,但也不是说影响很大。甚至如果不精确修图,只是上网打游戏看照片的话根本发现不了有什么问题(色域歪跟偏色完全是两码事,单纯的色域轻微偏差只是会表现为有些颜色的饱和度略微降低,有些颜色的饱和度略微提高),从整体观感来说依然可以胜任日常使用,说这个只是提醒一些有特别的高色准需求的用户。