基礎(chǔ)篇(一)

　　作為一名老師，多年來(lái)，為了完成好教學(xué)工作，我廣泛地涉獵各種攝影專題與相關(guān)的攝影理論，并抓住一切機(jī)會(huì)將理論付諸實(shí)踐，這樣做給我?guī)?lái)三大好處：有助于個(gè)人業(yè)務(wù)與知識(shí)面的提高，對(duì)豐富教學(xué)內(nèi)容提高教學(xué)質(zhì)量大有好處；能跟上飛速發(fā)展的時(shí)代與現(xiàn)代教學(xué)方式，配合學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提供給他們更多的技術(shù)與科技信息；適應(yīng)當(dāng)代人才必須擁有多種技能的時(shí)代要求，尤其在藝術(shù)領(lǐng)域里，更需要自身的全面發(fā)展去適應(yīng)社會(huì)的需要。希望我的攝影體會(huì)以及使用數(shù)碼相機(jī)的心得，對(duì)大家有所啟發(fā)。
　　
　　數(shù)碼攝影基礎(chǔ)知識(shí)
　　(以135小型相機(jī)為例)
　　
　　攝影發(fā)展至今，傳統(tǒng)相機(jī)的生產(chǎn)和操作模式已發(fā)生了實(shí)質(zhì)性的變化，一度諸侯爭(zhēng)霸的混亂局面已經(jīng)結(jié)束，新的格局基本定型，數(shù)字影像替代傳統(tǒng)膠片已成定局。170多年的攝影演變過(guò)程，驗(yàn)證了近代歷史的發(fā)展，給予人類巨大的貢獻(xiàn)。20世紀(jì)末，數(shù)字影像給傳統(tǒng)攝影帶來(lái)不小的沖擊。進(jìn)入21世紀(jì)，它以摧枯拉朽之勢(shì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)攝影。數(shù)字影像的成熟，是攝影事業(yè)的一次徹底革命，它將攝影分為兩大階段，第一階段是傳統(tǒng)影像（膠片）時(shí)代；第二階段是數(shù)字影像時(shí)代。數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，打破了照相機(jī)的傳統(tǒng)構(gòu)架，給攝影帶來(lái)了新的生氣。如今的數(shù)碼攝影，在產(chǎn)品功能和攝影質(zhì)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)膠片，它迅猛的發(fā)展速度導(dǎo)致生產(chǎn)成本大幅度降低，促使市場(chǎng)銷售價(jià)格不斷下降，吸引了更多的攝影愛好者參與其中，既豐富了人們的業(yè)余生活，又壯大了攝影事業(yè)的發(fā)展，將攝影推向一個(gè)史無(wú)前例的新高度，最終將以數(shù)字影像替代傳統(tǒng)膠片，進(jìn)入電子時(shí)代。應(yīng)該說(shuō)，從傳統(tǒng)膠片到數(shù)字時(shí)代，其變革的核心就是感光材料的革命。
　　
　　影像傳感器（俗稱芯片）的種類
　　影像傳感器，俗稱數(shù)字芯片，是一種取代傳統(tǒng)膠片記錄被攝景物的新型電子感光材料，是記錄影像的核心。在應(yīng)用中，數(shù)字芯片被永久固定在照相機(jī)的聚焦平面上（原來(lái)傳統(tǒng)膠片所在的位置)，一般情況下不能更換。與膠片不同的是，芯片不是采用鹵化銀顆粒進(jìn)行物理感光，而是依靠獨(dú)立的像素進(jìn)行電子感光，比膠片對(duì)光的靈敏性強(qiáng)很多，對(duì)攝影來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)徹頭徹尾的影像革命。
　　芯片分CCD和CMOS兩類，區(qū)別在于面積大小和像素多少，屬于不同性質(zhì)的兩種材料，在記錄圖像方面也存在兩種不同的處理方式。照相機(jī)廠家都有各自的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)照相機(jī)的使用者來(lái)說(shuō)的確比較麻煩。在選購(gòu)數(shù)碼照相機(jī)的時(shí)候，一定要根據(jù)自身的經(jīng)濟(jì)條件和工作性質(zhì)慎重選擇，避免造成不必要的損失（圖1）。
　　
　　[CCD]
　　CCD 電荷耦合元件 （Charge——Couplep Device）研發(fā)于20世紀(jì)60年代末（美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室），90年代后期得到迅猛發(fā)展。它的排列結(jié)構(gòu)呈矩陣式，每一個(gè)感光單元由一個(gè)光電二極管和一組相鄰的電荷存儲(chǔ)區(qū)組成。光電二極管負(fù)責(zé)收集從鏡頭進(jìn)來(lái)的光線生成電子荷，同時(shí)存入電荷存儲(chǔ)區(qū)。它的工作方法是第一排存儲(chǔ)區(qū)的電信號(hào)集中后，傳遞給第二排，以此類推，最后集中傳遞給數(shù)字影像處理器。這種工作方式能耗高（芯片面積越大耗電越高），體積大，讀取速度慢、很難形成高速化。CCD 是第一代數(shù)字影像傳感器，科技含量高，技術(shù)相當(dāng)成熟，但是由于制作工藝的局限，在生產(chǎn)大尺寸芯片時(shí)，成品率低，使得銷售價(jià)格成倍上升，不易普及（如專業(yè)數(shù)碼后背）。在芯片集成化方面，CCD 很難在外圍電路上形成集成電路，在豐富數(shù)碼相機(jī)的功能上局限性較大(圖2、圖3)。
　　
　　[CMOS]
　　CMOS 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（ Complementary Metal Oxide Semiconductor) 研發(fā)于20世紀(jì)80年代（日本佳能公司），是一種新型傳感器。它的結(jié)構(gòu)由獨(dú)立的感光單元組成，每一個(gè)感光單元由一個(gè)光電二極管、一個(gè)轉(zhuǎn)換區(qū)和一個(gè)放大器組成。每一個(gè)感光單元都能獨(dú)立工作并相互連接，這種結(jié)構(gòu)可以全部、部分，甚至可以通過(guò)每個(gè)像素單獨(dú)讀取信息，所以能夠多通道完成信息傳輸任務(wù)，這一點(diǎn)對(duì)快速解讀影像信息十分有利。這種設(shè)計(jì)原理使芯片體積減小，能耗大大降低，讀取信息速度極快，很容易實(shí)現(xiàn)高速化。由于采用多通道數(shù)據(jù)讀取方式，因此實(shí)現(xiàn)高速連拍非常輕松，并且能耗很低。CMOS 芯片整體面積小而且薄，很容易在芯片上做集成化處理，豐富了數(shù)碼相機(jī)上的功能。加工工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)大尺寸芯片時(shí)，成功率高，成本和銷售價(jià)格更低，易于普及(圖4、圖5)。
　　
　　CCD與CMOS讀取速度的比較
　　我們?cè)谟妹娣e與像素一樣大的兩種芯片進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，CCD只能兩通道讀取，讀取速度慢；而CMOS可以多通道讀取，讀取速度極高，在實(shí)際工作中CMOS在高速連拍的功能中顯示出強(qiáng)大威力，是未來(lái)數(shù)碼發(fā)展的方向(圖6)。
　　
　　傳統(tǒng)膠片與數(shù)碼芯片的成像比較
　　用數(shù)碼相機(jī)和傳統(tǒng)相機(jī)拍攝同一畫面比較它們的影像區(qū)別時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)：由于膠片記錄影像依靠鹵化銀顆粒完成，因此，把圖像放大到極限時(shí)，影像會(huì)呈現(xiàn)出不規(guī)則的銀鹽顆粒狀，這種狀態(tài)是膠片成像的基本元素。由于數(shù)碼芯片記錄影像依靠像素來(lái)完成，所以當(dāng)圖像放大到極限時(shí)，呈現(xiàn)出有規(guī)則的馬賽克狀態(tài)，這種狀態(tài)是數(shù)碼成像的基本元素(圖7)。
　　
　　像素的概念
　　像素是記錄影像的基本單位，是組成數(shù)碼芯片的核心。它與膠片中的鹵化銀顆粒共同具有記錄影像的功能，不同之處在于像素的數(shù)量是可以被計(jì)算出來(lái)，而鹵化銀顆粒是無(wú)法統(tǒng)一計(jì)算的，只能用“細(xì)膩或極細(xì)”來(lái)說(shuō)明?！靶酒邢袼?cái)?shù)量的多少”是評(píng)價(jià)數(shù)碼相機(jī)成像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，但不是決定性因素。
　　1、總像素：是指芯片上所有像素的總數(shù)量（以萬(wàn)為單位）。比如5700×3800=2166萬(wàn)像素。5700代表長(zhǎng)邊數(shù)量，3800代表短邊數(shù)量，兩者的乘積就是某部數(shù)碼相機(jī)芯片的總像素?cái)?shù)，
　　2、有效像素：指每個(gè)芯片除去成像較差的邊緣部分外，質(zhì)量?jī)?yōu)異的中間部分的像素?cái)?shù)值。芯片在生產(chǎn)過(guò)程中，邊緣部分往往影像質(zhì)量較差，如同鏡頭的像場(chǎng)劃分，總像場(chǎng)是這支鏡頭的取景總視角，邊緣部分的畫質(zhì)較差，中間部分畫質(zhì)最好。鏡頭的有效影像圈，被稱為鏡頭的有效視角。芯片也是如此，中心部分影像質(zhì)量最好，為了獲得高質(zhì)量的影像，經(jīng)儀器測(cè)試后，去掉較少的邊緣部分，被保留的中間部分叫做有效像素。
　　3、并不是像素?cái)?shù)量越高就說(shuō)明照相機(jī)的質(zhì)量越好，區(qū)分相機(jī)檔次高低的決定因素是芯片面積的大小，在像素?cái)?shù)量一樣多的時(shí)候芯片面積越大，每個(gè)獨(dú)立像素的體積就越大，所獲得的影像效果越好，數(shù)碼相機(jī)的質(zhì)量與檔次越高。相反，檔次就越低(圖8)。
　　
　　像素的工作狀態(tài)
　　每一個(gè)像素都是容納光影信息的陷阱，收集從鏡頭射入到芯片上的所有光影信息。如果把它的工作狀態(tài)加以表述，可以歸納為三種情況。
　　1、曝光過(guò)度：像素容納不下多余的光影信息，使多余信息溢出（高光部分），溢出的信息很難恢復(fù)成影像，造成畫面亮部細(xì)節(jié)損失嚴(yán)重。
　　
　　2、曝光不足：像素會(huì)留下多余空間，造成畫面明度過(guò)低，暗部細(xì)節(jié)損失。但是，由于像素是電子感光，動(dòng)態(tài)范圍大，只要鏡頭能捕捉到的影像，如暗部細(xì)節(jié)，像素都能記錄下來(lái)，并保留在每一個(gè)像素中不會(huì)丟失。通過(guò)電腦后期調(diào)整就可以還原成影像，這是數(shù)碼影像的特點(diǎn)（為了求得最好畫質(zhì)，建議使用RAW格式），這與膠片有著本質(zhì)的不同，膠片未被曝光的鹵化銀，如暗部細(xì)節(jié)，會(huì)被定影液一起沖刷掉而無(wú)法生成影像。
　　3、曝光準(zhǔn)確：像素達(dá)到最佳的飽和狀態(tài)，將亮部與暗部所有細(xì)節(jié)都記錄在案，使影像達(dá)到最佳。如果選擇RAW存儲(chǔ)格式拍攝，影像會(huì)達(dá)到極致。使用者在后期處理時(shí)會(huì)得到未經(jīng)壓縮的全部原始影像資料。可以這樣說(shuō)，人眼能看到的物體，數(shù)碼相機(jī)都能記錄下來(lái)，并能生成影像（圖9）。
　　
　　
　　像素的結(jié)構(gòu)與排列方式
　　從形狀上看，像素的形狀一般都是正方形的，只有富士公司采用 Super CCD 多邊形像素（圖10、圖11、圖12）。
　　從排列方式上看，大部分為平行排列，只有日本適馬公司選擇了美國(guó) Foveon 公司的 X3 CMOS 技術(shù)，最大特點(diǎn)是，采用類似膠片的縱向三層彩色排列法，可以在不同的深度獲得 RGB 三原色光。由于這種技術(shù)含量還不完善，成本高昂，普及率很低。
　　
　　不同像素?cái)?shù)量的數(shù)碼相機(jī)拍攝比較
　　像素?cái)?shù)量多少是衡量數(shù)碼相機(jī)質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，但不是決定因素。決定數(shù)碼相機(jī)檔次與質(zhì)量的關(guān)鍵因素是芯片面積的大小。正確的理解應(yīng)當(dāng)是，在面積一樣大的芯片中，有效像素越多，相機(jī)的分辨能力越高。圖像質(zhì)量越好。
　　實(shí)例：
　　1、用不同像素?cái)?shù)量的兩臺(tái)相機(jī)拍攝蟾蜍，像素?cái)?shù)量高，畫面表現(xiàn)的清晰度好、解像力高；像素?cái)?shù)量低，則畫面質(zhì)量差，明顯出現(xiàn)馬賽克（圖13）。
　　2、用不同像素?cái)?shù)量的兩臺(tái)相機(jī)拍攝漸變灰級(jí)，像素?cái)?shù)量高，畫面表現(xiàn)的灰級(jí)過(guò)渡均勻細(xì)膩，像素?cái)?shù)量低，則呈現(xiàn)出階梯狀態(tài)（圖14）。
　　
　　芯片面積的比較
　　數(shù)碼照相機(jī)的芯片尺寸有很多種，主流產(chǎn)品有： ① APS-C型（約 22×15毫米）鏡頭成像轉(zhuǎn)換系數(shù)為1:1.6左右。目前業(yè)余級(jí)數(shù)碼單反相機(jī)均以APS-C型為主。② APS-H型（約28×19毫米）鏡頭成像轉(zhuǎn)換系數(shù)為1:1.3。用于專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)。③ 全畫幅型（24×36毫米）鏡頭成像轉(zhuǎn)換系數(shù)為1:1，用于專業(yè)數(shù)碼單反相機(jī)和高級(jí)發(fā)燒級(jí)單反相機(jī)。
　　芯片的面積大小，決定著相機(jī)檔次的高低和影像質(zhì)量的好壞，全畫幅是數(shù)碼單反相機(jī)的最高標(biāo)準(zhǔn)，它完全可以展現(xiàn)出單反相機(jī)的所有技術(shù)要求和藝術(shù)創(chuàng)作效果。隨著國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展與生產(chǎn)成本的降低，預(yù)計(jì)數(shù)碼單反相機(jī)將以全畫幅為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（圖15）。
　　
　　芯片面積大小與像素的關(guān)系
　　數(shù)碼相機(jī)的像素多固然很重要，但決不是關(guān)鍵因素。決定數(shù)碼相機(jī)檔次高低的關(guān)鍵因素是芯片面積大小，比如，兩臺(tái)數(shù)碼相機(jī)都是1000萬(wàn)像素，一臺(tái)是數(shù)碼單反相機(jī)，另一臺(tái)是卡片機(jī)，由于兩臺(tái)機(jī)器的芯片面積相差很大，因此，芯片上每個(gè)獨(dú)立像素的體積，就相差很遠(yuǎn)（5倍以上)，由此帶來(lái)的影像差異就很大。比如：靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、景深大小等等，這些問題會(huì)嚴(yán)重影響所拍攝畫面的藝術(shù)效果?？梢缘玫降慕Y(jié)論是：當(dāng)像素一樣多時(shí)，芯片面積大的好；芯片面積一樣大時(shí)，像素多的好。單反相機(jī)優(yōu)于卡片機(jī)；全畫幅相機(jī)優(yōu)于APS-C型相機(jī)。
　　
　　畫幅比例與鏡頭轉(zhuǎn)換系數(shù)的概念
　　芯片面積大小與鏡頭成像有直接關(guān)系，同時(shí)影響到圖片的藝術(shù)效果，只有全畫幅芯片，才能體現(xiàn)出135相機(jī)的真正魅力。小于全畫幅芯片的相機(jī)對(duì)影像的質(zhì)量影響很大。
　　
　　轉(zhuǎn)換系數(shù)的通俗解釋（以APS-C型1:1.6為例）
　　全畫幅是指芯片面積與135傳統(tǒng)膠片面積的大小相等(36毫米×24毫米)，135單反相機(jī)的所有鏡頭全畫幅數(shù)碼相機(jī)都可以正常使用，畫面藝術(shù)效果也不受影響。而APS-C型芯片比全畫幅芯片的面積小，因此圖像質(zhì)量會(huì)受到很大的影響，如：視角的差別、放大率的差別、感光度的差異、噪音的差別、景深的差異等等。
　　鏡頭轉(zhuǎn)換系數(shù)的主要原因是芯片大小與鏡頭視角的比例關(guān)系，由于APS-C型芯片的面積只用了全畫幅芯片中間的一部分，畫面所呈現(xiàn)的視角比全畫幅窄，兩者的比例正好是1.6左右的倍數(shù)關(guān)系。因此，在使用所有鏡頭時(shí)，鏡頭的實(shí)際焦距值必須乘以這