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数码相机是如何测光成像的

 秋风为伊 2024-03-01 发布于福建


       数码相机,成像原理是被摄体的光线通过镜头,在底片(CMOS)曝光形成的。

      大自然的光线是有颜色的(光的三原色是红、绿、蓝),但是数码相机识别不了颜色,只能根据光线的强弱来采样,然后经过计算成像。

      也就是说,数码相机的传感器是不能对颜色进行采样的。

      相机是如何把光的三原色进行采样的呢? 

      科学家把底片(CMOS)前面加了红、绿、蓝三个滤镜。形成红、绿、蓝三个通道,红通道只允许红光通过,绿通道只允许绿光通过,蓝通道只允许蓝光通过。

      CMOS是根据被摄体的红、绿、蓝光的强度来采样,分别得到三个通道,存储为三张黑白图片,代表三原色的光线强度,然后根据光线的强度,计算合成得到一张彩色图像。通道就是相机在采样的时候,同一个像素对三原色颜色光的强度进行采样。

下面这张彩色照片,红通道的灯笼光线强是白色的,在绿、蓝通道灯笼是黑色的说明光线比较弱。

看蓝天,在蓝通道是白色的,在红、绿通道基本是黑色的,说明这两个通道并不含有太多的蓝光。

看紫色的花,我们知道紫色是红色和蓝色混合得到的,在红、蓝通道花瓣亮度都是比较高的,在绿色通道花瓣就亮度没有那么高,但是在绿通道叶片是比较亮的,在红、蓝通道叶片就没有那么亮。

反过来根据下面通道的颜色,来分析彩色照片的模样。

看看头发和衣服分别是什么颜色的。

头发颜色明度不变是黑色的,所以头发是黑色的。

在红通道衣服的颜色是最亮的,在绿、蓝通道衣服的颜色没有变化,说明衣服是红色的。

下面再看一个复杂一点的照片,看一下头发和衣服的颜色。

头发在红通道是最亮的,在绿通道比较亮,蓝通道比较暗,蓝色的补色是黄色,头发应该是黄色为主偏一点红色。

衣服在红通道是最暗的,蓝通道是最亮的,衣服应该是比较深的蓝色略带一点绿色。

由此推断原图是这样的:

下面这张,不知道是哪个通道,来分析通道的颜色。

先借助人物的肤色来分析通道。

人的肤色有红色、白色、黑色、黄色,但是没有蓝色和绿色的,所以中间最亮的是红通道,一般在蓝色通道包含的肤色很少,即最暗,所以右边的是蓝通道;剩下的左边的就是绿通道了。

由此通道显示如下图:

再分析衣服的颜色,衣服绿通道最亮,红通道最暗,蓝通道次之,所以可以推断衣服是绿色偏蓝的,是青色偏绿的。

原图如下:

      在相机的“眼”中,所有的被摄体都是灰色的,相机在测光过程中,物体反射率为18%的灰色,作为测光的基准。

      曝光的目的为了正确还原这种灰色。

世间万物,是因为光线照射到物体之后反射到人的眼睛中成了像。极白是反射了100%的光线,极黑是完全吸收了光线,反射了0%。在极白和极黑中间的灰色却并非反射了50%的光,经过科学家精确测量,实际上处于最中间的灰色的反射率是18%。所以中间的亮度又称为18度灰或中性灰。(大自然最黑的物质如锅底灰的反射率是3%,最亮的物质如雪的反射率是96%,从最黑的3%、6%、12%、24%、48%、96%,亮度是二倍的关系。18%正好处于12%和24%的中间。因为18%正好处于中间值位置,所以把反射率18%称为中性灰)。
      拍摄测光时,要看被摄体的反射率是否为18%,如果反射率是18%,那它测量出来的数值就十分准确,按此数值曝光,被摄体的影调就会得以真实地还原;如果被摄体的反射率不是18%,那么相机测量出来的数值就不准确,若按此数值曝光,画面的影调就会失真。像拍摄白茫茫的雪原、黑漆漆的煤田,直接对着它们测光,相机把它们当作灰色来还原,往往会拍出灰色的雪和煤。
      在生活中接近18°灰的物体是非常多的,比如人(黄种人)的皮肤,当你在一个复杂的光线环境不知以什么为参考时,可以对自己的手背测光,然后锁定曝光,重新对被摄对象进行对焦,完成拍摄,曝光一般是准确的。
      另外还有很多接近18°灰的物体,比如干枯的树叶、灰色的墙体,蓝色的天空等等……

测光是相机衡量测光区域亮度的一个功能。知道了测光区域的亮度,才能为曝光提供参考。 

     目前,相机的测光系统没有完全智能化,不能自动分辨出被摄体的反射率为18%的光,因此,需要人为设置,现在相机的测光模式有3—4种。

      只有测光正确,曝光才能准确。曝光过程是当光线反射到相机的传感器上,相机传感器可以把光线的强度转换为电子信号,形成一张黑白的照片。

      如果我们在光路当中,插入红色、绿色、蓝色的滤镜,传感器就可以分别获得红、绿、蓝光的强度,并且通过后期合成,获得一张彩色的照片。RAW格式的图片,其实就存储了最原始的红、绿、蓝光的强度:

无论是相机内形成JPG,还是后期使用软件形成的,一旦从RAW文件变成JPG文件,我们的存储的光线颜色强度就变成了颜色编号:

需要注意的是,这种转换是不可逆的,不能从某个颜色编号,反推回原有的红、绿、蓝光强度。

上面所说的不可逆转,对于照片的白平衡来说,更加能说明问题。我们来看张图片:从图片中可以看到,左侧产生了色偏的RAW照片,通过ACR一键白平衡工具,可以很轻易得到正确的色温。而右边同样是产生了色偏,但图片格式是JPG,即便使用完全一样的方法,也只能得到一张色彩失真的图片。对比两张照片的校正结果,很明显,左侧的RAW照片所显示的色温更加准确。

上例说明,一旦照片格式从RAW变成JPG,很多调整,就变得不可逆转。换句话说,要想从一张偏色的JPG图片中,获取完全准确的色温,是有难度的。

      在RGB色彩模式下,照片中的每一个像素点中,都有RGB信息,同时,它们每一个像素,都是一个三维向量,里面都包含着色相、饱和度、亮度。色彩三要素中的HSL,只通过色相(Hue)和饱和度(Saturation)来描述颜色,而亮度(Lightness)则是用来描述明暗的。

      在ACR中,是使用四个参数控制颜色。分别就是'色温'、'色调'、自然饱和度和饱和度。'色温'、'色调'是改变照片的颜色,自然饱和度、饱和度是调整照片的颜色。

调节'色温'滑块,颜色可以在蓝色和黄色之间变化。

调整'色调'滑块,颜色可以在绿色和洋红之间发生变化。这些颜色,本身就是补色的关系。

如果把颜色比喻为一个二维平面的话,色温和色调,就相当于这个平面中的两个坐标。调整不同的色温和色调,其实就是可以调整这个平面中的任意一点,也就是任意的一个颜色。

自然饱和度:对蓝色力度大,对红色的饱和增加力度稍弱。

饱和度:对红色强度大,对蓝色的饱和增加力度稍弱。

(注明:参阅巫师讲座)

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