| 去年，也就是2025年的首篇文章是長篇幅的《微單時代的鏡頭轉(zhuǎn)接》，有興趣的讀者直接向前翻看本公眾號即可找到。2026年的首篇從最基礎(chǔ)的攝影成像科學(xué)常識說起，而寫于多年前的本文永不過時。如果嘗試幾次，最終發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)知識類文章的閱讀量太少，將會終止基礎(chǔ)知識類文章的繼續(xù)撰寫。 今天的攝影領(lǐng)域普遍已被數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)占領(lǐng)，而圖像的數(shù)字化，最初是因?yàn)?0世紀(jì)20年代，歐洲戰(zhàn)爭期間，為了快速實(shí)現(xiàn)如何通過海底電纜從歐洲向美國傳輸一戰(zhàn)戰(zhàn)況的照片而想象出來的對照片進(jìn)行編譯碼傳輸?shù)耐ㄓ嵽k法，由此拉開了圖像數(shù)字化的序幕，并為后來的數(shù)字化圖像技術(shù)提供了技術(shù)和理論基礎(chǔ)。 使用數(shù)字相機(jī)或者可拍照手機(jī)拍攝，已經(jīng)成為人們普遍的攝影行為。數(shù)字相機(jī)和手機(jī)拍攝后獲得的是一個數(shù)字電子文件，文件大小的單位是比特值。高端專業(yè)數(shù)字相機(jī)譬如哈蘇H6D-400M所拍攝的一幅照片的文件量就能高達(dá)2.4G（TIFF 16BIT），但我們通過觀察終端看到的依然是一幅被顯示的真實(shí)圖像或者打印出來的精美照片。數(shù)字文件和數(shù)字化過程對于絕大多數(shù)人其實(shí)是完全可以視而不見和忽略其過程的，盡管這個過程確實(shí)存在且不可或缺。對于絕大多數(shù)的普通消費(fèi)者而言，可以不必了解其中原委，但對于廣大深度攝影參與者，則有必要了解其中最起碼的基礎(chǔ)知識，以便有針對性地提高攝影技能和獲得更理想的最終圖片。 鑒于我不會計(jì)算機(jī)繪圖，無法用插圖表達(dá)，只能盡可能的用淺顯易懂的語言表述極為專業(yè)的數(shù)字圖像概念，但必要的抽象專業(yè)語言也必不可少。 先從最簡單的黑白照片說起，用數(shù)字來表達(dá)一幅黑白照片的方式，就是把一個平面的黑白照片進(jìn)行數(shù)字化采樣，譬如一幅2400萬像素的數(shù)字化的照片或者一個照片的數(shù)字化文件，由6000個橫向陣列單元和4000個豎向陣列單元構(gòu)成。每個單元對應(yīng)著的就是一個像素，其中的任何一個像素都對應(yīng)著一個X橫坐標(biāo)參數(shù)和一個Y豎坐標(biāo)參數(shù)，則每個像素用對應(yīng)著一個確定的（x，y）來記錄或者表達(dá)這個像素的空間位置，而在這個位置上的影像高度則用一個叫做灰度值的概念表達(dá)，由此構(gòu)成一個像素的三維信息量，即像素位置和圖像強(qiáng)度。對于彩色攝影或者彩色圖片，則還要加上每個像素對應(yīng)著的色彩代碼，由此再增加一個顏色標(biāo)示，由此，每個像素分別由位置、顏色和顏色深度（對應(yīng)灰度值）來表示。這一標(biāo)示用一串?dāng)?shù)字編碼實(shí)現(xiàn)，形成一個電子化的數(shù)字文件，經(jīng)過命名后存儲在電子儲存器的文件倉庫中。最終再由一個叫做圖像復(fù)原的技術(shù)過程，也叫譯碼和顯示技術(shù)過程來實(shí)現(xiàn)對圖片的觀察和輸出。譬如打印機(jī)就是對照片數(shù)字文件的譯碼的具體顯示和輸出過程，在電腦顯示器和手機(jī)屏幕上看到的圖像也是譯碼顯示的具體體現(xiàn)。這個顯示和輸出過程就是數(shù)字圖像的圖像復(fù)原。 每個像素的灰度值越高，細(xì)節(jié)越豐富?；叶瓤缍仍酱螅叶鹊奶蓦A就要越多，圖像密度也越高。當(dāng)一幅圖片有2的N次方個灰度級時，就稱該圖像為一幅N比特（位）的圖像。譬如一個最大可有256個離散灰度值的圖像被稱為8位，而一個最大可有4096個離散灰度值的圖像被稱為12位，一個最大可有16384個離散灰度值的圖像被稱為14位，一個最大可有65536個離散灰度值的圖像被稱為16位。當(dāng)前，最高級的專業(yè)相機(jī)擁有可以分辨65536個離散灰度值的圖像的能力。而一般用于電腦顯示的文件和所有照相機(jī)生成的JPG格式壓縮文件都只有最高分辨256個離散灰度值的圖像，這些圖像只具有8位灰階的圖像素質(zhì)。 一個像素能記錄和承載65536個灰度的圖像信息與一個像素僅能記錄和承載256個灰度的圖像信息相比，圖像的真實(shí)再現(xiàn)能力差距之懸殊，通過數(shù)字的對比，可以一目了然了吧。由此，在選購數(shù)字相機(jī)時，要明白一點(diǎn)，最大可生成14位RAW格式文件的相機(jī)具有比僅能生成12位RAW格式文件的相機(jī)要好的多，圖像細(xì)節(jié)的豐富程度要優(yōu)越得多。 對于數(shù)字圖像或者數(shù)字照相機(jī)而言，能實(shí)現(xiàn)的最大可度量（可辨識）灰度值和最小可度量灰度之間的比值（最小可度量灰度以下再小就是噪聲了），被稱為動態(tài)范圍。與此緊密相連的概念就是對比度，也就是一幅圖像中最高灰度和最低灰度的灰度差。空間分別率是圖像中可辨別的最小細(xì)節(jié)的度量，而灰度分辨率是指灰度中可分辨的最小變化。在數(shù)字?jǐn)z影時代，空間分辨率由像素?cái)?shù)量決定，灰度分辨率由色彩深度或者影像高度決定，也就是上一段表述的離散灰度的可分辨最大值決定。譬如當(dāng)前最高端的能記錄16位數(shù)字圖像的數(shù)字相機(jī)基本都是中畫幅數(shù)字相機(jī)。 拍完一幅照片，受被拍攝物的反射光作用，圖像傳感器CCD或CMOS的每一個像素接收光量子信號的多寡不同，對應(yīng)著誕生的空穴電子對的數(shù)量不等，最終能形成光電子信號的圖像信息量也就不同。一個八位的數(shù)字圖像，每個像素最少要有從0到255個電子之間的某個數(shù)量來表達(dá)其位置所獲得的離散信號，而對于一個16位的數(shù)字圖像，每個像素需要最少要有從0到65535個電子之間的某個數(shù)量表達(dá)其位置所獲得的離散信號。所有的離散信號疊加后的集合共同形成一幅完整的數(shù)字圖像信號，經(jīng)過編碼運(yùn)算后儲存為一個完整的數(shù)字圖像電子信號文件，也就是最終構(gòu)成一幅完整的數(shù)字圖像。 直方圖的橫坐標(biāo)從左到右代表像素的曝光量的從零到峰值，豎坐標(biāo)則代表同一曝光量的像素的數(shù)量。每個像素接收到的離散信號不同，從0到255亦或從0到65535的離散數(shù)字在每個像素上的分布也就不同。不同的離散值對應(yīng)著不同的灰度級，不同的灰度代表不同的影像高度。不同的灰度級在所有像素上出現(xiàn)的概率經(jīng)過歸一化處理后形成的曲線就是數(shù)碼影像的直方圖。 以最高階的16位數(shù)字圖像為例，直方圖的橫坐標(biāo)的最右端是接收滿65535個電子信號的最高灰度級，直方圖最左端的起點(diǎn)是沒有灰度級反應(yīng)的零個電子信號。從最左側(cè)的0到最右側(cè)的65535形成直方圖的橫坐標(biāo)，豎坐標(biāo)則由共同獲得這個灰度級的像素總數(shù)構(gòu)成，每個灰度級上分布著曝光量一致的不等數(shù)量的像素。譬如，所有獲得30000個電子信號的像素都在橫坐標(biāo)為30000的位置上疊加形成豎坐標(biāo)，所有獲得1000個電子信號的像素都在橫坐標(biāo)為1000的位置疊加，由此來分析這幅圖像的像素曝光量分布圖。這就是直方圖傳達(dá)的信息。 根據(jù)直方圖的形狀，可以獲知該圖屬于暗圖像、亮圖像、低反差圖像還是高反差圖像。暗圖像也叫低調(diào)圖像的直方圖分布體現(xiàn)出多數(shù)像素的曝光量偏低，也就是所有像素向低灰度級區(qū)域的左側(cè)聚集。但同時也提示你，這個圖像或許是曝光不足，你也許需要增加曝光量。亮圖像的直方圖分布體現(xiàn)出多數(shù)像素的曝光量偏高，也就是所有像素向高灰度級區(qū)域的右側(cè)聚集。但同時也提醒你，這個圖像或許是曝光過度，你也許需要減少曝光量。低反差圖像的直方圖分布凸現(xiàn)出向中間密度區(qū)域集中，低密度區(qū)和高密度區(qū)的像素分布較少。高反差圖像的直方圖分布凸現(xiàn)出低密度區(qū)的左側(cè)和高密度區(qū)的右側(cè)像素聚集量偏多，甚至直方圖曲線是拉平形狀，也就是不同灰度區(qū)的像素布局趨于均化。 簡而言之，直方圖就是數(shù)字圖像的隨機(jī)變量的積累分布函數(shù)。一幅曝光量適當(dāng)、反差適度的照片，直方圖分布是中間影調(diào)的直方圖中間位置偏高，兩側(cè)逐漸走低的曲線。這個曲線略向右隆起表明該照片趨于高調(diào)照片，這個曲線略向左隆起表明該照片趨于低調(diào)照片。由此作參考，既可以通過增減曝光量獲得不一樣的拍攝效果，也可以通過后期處理改變照片風(fēng)格。 光的特性是光學(xué)科學(xué)的核心，也是影像科學(xué)的理論和科學(xué)基礎(chǔ)。彩色光大約覆蓋電磁波譜400-700納米的范圍，用來描述彩色光源質(zhì)量的3個基本參數(shù)是輻射、光強(qiáng)和亮度。輻射代表著光照射的能量，用瓦特來度量，光強(qiáng)用流明計(jì)量。亮度是觀察者的主觀感覺。而區(qū)別光的顏色特性恰恰是亮度、色調(diào)和飽和度。色彩的純度決定飽和度，構(gòu)成色度的色調(diào)和飽和度的認(rèn)知大多由創(chuàng)作者主觀確定。CIE（國際照明委員會）共同確定435.8納米的藍(lán)色、646.1納米的綠色和700納米的紅色為三原色的標(biāo)準(zhǔn)光譜頻率。建立標(biāo)準(zhǔn)彩色模型的色度圖表表達(dá)了可見光從380納米到780納米的色譜分布圖，由此構(gòu)建出理解紅綠藍(lán)三原色之間你強(qiáng)我弱的關(guān)系的認(rèn)識基準(zhǔn)。由于在互聯(lián)網(wǎng)時代，對圖像的彩色處理和色彩校正是在地球各地的數(shù)臺計(jì)算機(jī)上完成和實(shí)現(xiàn)的。最終輸出給具有統(tǒng)一采樣識別標(biāo)準(zhǔn)的打印機(jī)，如何才能打印出效果一致的圖片樣張呢？這就是色彩的標(biāo)準(zhǔn)化，CIE制定了標(biāo)準(zhǔn)D65照度下的一種完美漫反射白色光的色度由x=0.3127的紅色和y=0.3290的綠色，以及由1.0000減去x和Y后自然剩下的藍(lán)色比例構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)三原色比例關(guān)系，作為全球一致的顯示較色基準(zhǔn)。所有參與者依此基準(zhǔn)完成色彩校正后的最終文件作為該作者的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)予以采樣。
我之所以能寫此文，必須閱讀鉆研的部分參考書
數(shù)字圖像的獲得和輸出，中間過程是一個看不見的數(shù)字編碼和譯碼過程，圖像由一連串的0和1的排列構(gòu)成。但是在實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像由電子信號采樣誕生的過程，會有異常噪音干擾的出現(xiàn)，也就是正常的傅立葉波譜函數(shù)曲線上會突然出現(xiàn)的強(qiáng)烈波峰和強(qiáng)烈波谷，這都會經(jīng)過計(jì)算方法把這個波峰和波谷去除，讓波譜恢復(fù)圓滑過渡。這個過程對于數(shù)字圖像就是復(fù)原和重建過程中的自動修復(fù)和優(yōu)化。譬如對摩爾紋的修復(fù)，對于紫邊現(xiàn)象的修復(fù)，都基于一個叫做傅立葉光學(xué)函數(shù)模型的高等數(shù)學(xué)方程式。這里面對鏡頭光學(xué)校正還要用到高斯光學(xué)方程式和弗雷德霍姆積分等各種和使用者看不見摸不著的相關(guān)理論模型。對此的具體和深度的應(yīng)用則是由此設(shè)計(jì)出的開放給攝影參與者的一些用于對數(shù)字照片進(jìn)行后期處理的軟件，譬如PHOTOSHOP等?？傊?，一句話，就是我們今天方便快捷的數(shù)字拍攝和后期數(shù)字處理技術(shù)是建立在無數(shù)前人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)奉獻(xiàn)的基礎(chǔ)上的。 數(shù)字?jǐn)z影中那些和膠片攝影相關(guān)的一致性的概念，曾經(jīng)專門撰寫過刊登在攝影期刊上的理論文章，我就不再在本文闡述了。至于還沒有觸及的概念，待日后想起來，再撰文闡述吧。希望今天的短文對于數(shù)字?jǐn)z影參與者深入的了解數(shù)字影像本身，能有些許的助益。 于2026年1月7日 星期三 本文作者是中國攝影家協(xié)會會員，曾為第七屆中國攝影理論研討會和首屆中國國際攝影理論高級論壇撰寫過專題文章。過去的20多年里陸陸續(xù)續(xù)為《中國攝影》、《大眾攝影》、《中國攝影報》、《人民攝影報》、《中國攝影家》、《攝影之友》、《照相機(jī)》、《感光材料》等攝影期刊撰寫攝影專欄文章幾十萬字。 |
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