正确认识数码影像的宽容度

数码影像的宽容度大于胶片

摄影中的“宽容度”是一个拟人化的词汇，它是指相机成像时对场景动态范围的容纳程度。如果相机既能表现场景中很亮的对象，又能表现场景中很暗的对象，那么我们就可以说这台相机的宽容度很大。相机的宽容度，就是指它在一次拍摄中所能表现的场景的最大动态范围。

与“宽容度”的概念相当，在数码影像领域里，出现了“动态范围” 的新概念。随着技术的进步，越来越多的相机厂商非常强调这两个概念，比如富士胶片的Super CCD系列产品就一直将“超宽动态范围”作为产品的一大特色；大多数码单反相机也都有“动态范围优化”相关的图像设置项。那么到底“动态范围”与“宽容度”这两个概念如何影响数码影像的？

动态范围（Dynamic Range），从字面上讲，指一个物理量的最高值和最低值之间的范围，是一个相对性概念，可以用差或比值来进行描述。在照相技术中，动态范围则是指拍摄对象的亮度范围，或对象中最暗点到最亮点的亮度跨度。动态范围既然是一个范围，那么就可以用比值或者差值来进行量化描述。曝光量每增加一倍或者减少一半，则被称之为增、减1EV（Exposure Value，曝光级），测光表可以测量该区域的亮度表示为n EV。动态范围则可以用场景里最高亮度与最低亮度区的EV之差来表述，比如“为了拍摄柔和的人像照片，我们可以为场景布光或者使用道具，控制其动态范围在4EV之内”，就是指布光完成后，画面里最亮（可能是白色衣物）与最暗（常常是头发）区域的测光值不超过4EV或4级光圈。

相机宽容度大小如何影响图像效果呢？我们来看一个例子（见图1、2），对于云南虎跳峡的场景，我们模拟用宽容度不同的两台相机来拍摄：宽容度大，可以在拍摄到高光水面的层次细节的同时，也能拍摄到岩石暗部的纹理，画面层次丰富；如果相机的宽容度很低，那么画面中高光和较暗的部分都记录不到层次，水面变成了全白，而岩石暗部则被全黑的区域吞没。这就是所谓的“高光溢出”和“暗部缺失”，都是画面层次不自然的表现。

上面只是我们为了演示效果而人为制作的模拟图，实际上相机宽容度相差不会这么大。上面的图像效果告诉我们：宽容度太小的相机拍摄的画面不细腻，过渡生硬、层次缺乏。而宽容度大的相机，对于正常题材拍摄可得优质效果，而对于反差小的画面，则显得反差平淡、不够鲜明。宽容度大的画面有后期调整提高反差的空间。

图3从测试结果来看，佳能EOS 5D MarkⅡ（一）、佳能EOS 50D（二）、反转片（三）、和佳能Powershot G10（四）的宽容度分别为7.99EV（8级）、7.93EV（8级）、 4.52EV（接近5级）、 和 5.25EV （稍大于5级）。可以看出数码相机的宽容度大于胶片，同时，大尺寸传感器的数码单反相机比消费型相机的宽容度也要大得多。此外，如果相机支持更高的采样率，使用RAW文件在16位通道的工作空间下进行宽容度测试，数码单反相机的成像宽容度可以超过10EV，甚至达到12EV，可能获得更高的测试结果。

黑白胶片的宽容度约在1:128（7级）左右，彩色负片的宽容度约在1:64（6级）左右，彩色反转片的宽容度仅为1:32（5级）左右，相纸的宽容度大约在1:30（5级）左右。数码单反相机的宽容度约为1:1024～2048（10-12级）左右。

高动态范围影像（HDRI）

既然数码相机的成像宽容度有限，而现实中很多场景的动态范围又非常大，所以数码照片中就会经常出现高光溢出或者暗部缺失的现象。在大动态范围环境拍摄数码照片时，我们往往需要增加曝光来保证暗部的层次，或者减少曝光来获得高光处的细节，但总是顾此失彼。

为了改善这种状况，人们发明了高动态影像（HDRI）拍摄方法。在胶片时代，人们常用减光镜来降低部分画面的亮度，从而让相机“看”到的场景动态范围减小。而在数码影像时代，我们可以用多张不同曝光度的照片来合成，就方便得多了。只要拍摄如上多张不同曝光度的照片，然后取其中各自的亮部和暗部，就可以合成一张既有亮部细节、也有暗部层次的HDR影像了。

数码影像的暗部有令人惊异的层次

数码影像与传统影像相比较，有一个特别突出的优势，那就是暗部层次大大优于胶片，通过大量的实拍检验，这一点毋庸置疑。有人不同意这种观点，在各类刊物上也常有此类文章，这些文章对人们正确认识数码不利，误导了读者。我们应该客观科学地了解数码的特点，这对于尽快掌握数码技术、用足数码优势有很大好处。

前面已经涉及宽容度的问题，数码的宽容度大于胶片，因此数码影像在高光和暗部都有不俗的表现。特别是在暗部，层次非常丰富，我们应当格外关注暗部。

数码影像在暗部的优秀素质表现，得益于数码技术很好地解决了非线性问题。我们来分析一下人眼、胶片和数码的线性和非线性的关系，理解非线性关系对分析层次表现非常有帮助。

先看人眼。人的眼睛对自然界明暗的观察，长期以来形成了独特强大的自动调节功能。用光照射某一个物体，我们借助光度测量，把光增加一二十倍，但人眼看去只是亮了一点，并没有感到亮度增加了一二十倍。这就是人眼的非线性调节机能。如果眼睛没有这个保护，要么会被灼伤，要么会对光的变化不敏感。人眼的视神经对强光压缩亮度，相反可以扩展暗部，对暗部的层次影纹非常敏感，能够捕捉更多暗部信息。非线性虽然是数学概念，但是我们又一次看到了大脑智慧的能量。非线性研究与层次、宽容度扩展息息相关，摄影要努力得到、还原肉眼看到的影像，就必须达到人眼的非线性，这可能不易达到，但又是很多人的努力方向。

胶片在100多年的发展中，在非线性方面取得了很大的成就。在科研、制备技术、应用、包括后期冲洗的过程中，应该说胶片调整非线性的手段有限，只能够有限地改变配方、修正曲线及正性材料和负性材料配合，尽量地做到保持暗部层次，保持非线性。胶片在手段有限的情况下能够做到如此成就实属不易。多年来我们已经非常习惯胶片摄影。大家喜欢用胶片的原因之一，就是胶片的非线性在高光时比较接近人眼，能够传达与人眼观察相接近的效果。

再看数码。数码的感光是线性的，它与人眼有很大的差距。首先要明确，感光元件必须是线性的，它接受到光线后，一就是一，二就是二，必须真实记录，单纯从CCD材料上看，因为它没有调节功能，光线增加一倍，它认为亮了一倍，信号的强度就增加了一倍。这就是线性，这种线性会造成一种什么情况呢？

图4所示是一个12比特连续灰度级，它反映0～4096级能够记录的影调层次，从2048以上到4096基本就是纯白，浪费了一半的明度级别。事实上肉眼所看到层次和我们所需要的影调中，最重要的记录段是64～1024之间。其次是包括10～64暗部记录影调部分。因为自然界的景物，绝大部分的层次都包含在10～1204之间。如果2048～4096这一段占了整个影纹层次一半的部分，则相机不能记录这部分层次并形成浪费、白白占用了资源，非常可惜。我们不需要这么多的没有记录的“高光明度”，而暗部层次又不够。这就是数码感光元件的线性感光特点。如图4所示。

感光元件的特性不可以改变，那数码如何完成非线性呢？数码影像的成像一方面是靠CCD和光学镜头，一方面靠影像生成器中的编程。把一个非线性运算公式加入到编程中，就可以轻松、精确地解决数码线性特性的问题。如果再测量并模拟人眼的非线性数据，完全可把它做到与人眼接近。这样，既保持了数码线性的感光精度，又把它变成富有智慧的非线性。前面说过，人眼有优良的调整功能，事实上调整不是靠眼睛，而是靠大脑皮质层来承担。这与数码“大脑”――数字影像生成器承担非线性运算的原理完全一致。

数码完成非线性很简单，这是大家了解的对数运算，数据越大，压缩越大；数据越小，扩展越大，对数1、2、3又能够再度形成完美的直线坐标关系。数学形式的非线性解决方案无论在精度还是控制效果上，都会比胶片用调整配方和正、负性材料配合解决非线性的方法好的多，成本低，层次好，易控制，曲线平滑。数码的非线性解决方案对提高数码成像质量意义重大，在后面的内容中，我们会不断看到和感受到它无可置疑的优势如图5所示。

图6所示为数码完成非线性的灰阶及数据。数码经过非线性调整以后，它的特性曲线和它拍摄的灰阶是什么样的呢？灰阶面的灰度影调得到了很大的扩展和提升，而亮部影调进行了大幅的压缩。现在我们看，从0～1024这一段，在10个级别里面它已经基本能够占到9级，就是说真正全白的地方只占了一级，白色部分压缩，而把暗部的地方扩展了。数码经过非线性调整后，非常接近人眼的视觉习惯。那么数码的非线性是不是做到完美了呢？从实际拍摄和实验的结果来看，稍微曝光过度，数码的高光压缩导致有时高光层次损失。这也是数码摄影为什么不能曝光过度的原因之一。

数码在非线性的解决上独辟蹊径，可以说彻底解决了暗部影调扩展和层次连续的问题，结果是大大增加了宽容度，对于这一点，仅靠图表似乎难以理解，我们可以通过下面的两张照片来证实和认识数码非线性的突破性优势。

图7为6×4.5反转片拍摄的落日远山，画面中间影调部分层次很好，正确地记录了远山的层次。由于反转片的反差高，宽容度窄，对高反差景物如果高光有记录时，暗部往往超出反转片的宽容度而缺少层次记录，甚至没有记录。照片下面暗部的山峰和色彩肌理都淹没在黑暗之中。后期制作无论怎么调整，都不能找到和再现层次。

图8为在同一个地方、同一个时间，我用数码相机拍摄的相同画面，画面中正确记录了远山的高光层次：中间影调部分与胶片一样层次很好；由于数码相机以低反差获取影像，宽容度大，对高反差景物的高光有记录时，暗部也同时记录到丰富的层次和色彩信息，照片下面暗部的山峰和色彩肌理都得以完美和细腻的表现。

这两张照片都进行了没有任何限制的、充分运用所有手段的软件调整，以最大限度地体现原图的素质和层次。事实上，数码照片的调整非常简单，在RAW转换解压这一环节上的调整就已经基本达到要求。在排除了软件调整不同的因素之外，我们看到的就是胶片和数码影像原始采集的不同：在对暗部的表现上，数码有明显的优势。暗部优势可以在影像信息传达、黑白照片制作、打印还原、印刷黑场扩展等方面获得更多的余地。

“又灰又软”：专业数码相机成像的特征

数码影像的非线性做得好，宽容度大，这是好事，但是凡事都是有一利必有一弊，宽容度大带来的不利就是画面“又灰又软”，反差低，色彩饱和度低。那么我们怎么认识和理解“又灰又软”的数码原片呢？

这要转一个大弯子。

先简单分析一下胶片的特性。胶片属于一镜定格的摄影方式，拍摄完成后，冲洗底片，再进入暗房制作照片，这个负－正工艺的过程要求底片必须达到反差明丽、层次丰富和色彩饱和等的要求，因为暗房再修正的余地很小，因此底片成像必须是一步到位。这是负－正工艺对底片高反差、高饱和度的要求。另外，为了满足市场竞争的需求，胶片厂力图把很多胶片制造成反差大、色彩饱和度高的“夺目”产品。厂家唯恐反差小、饱和度低被认为是“落后”，结果是近年来很多胶片的饱和度越来越高，而色彩真实、平衡度很好的胶片反而买不到。

高反差、高饱和度有什么不好呢？高反差必然过渡灰阶层次少，比如极高反差时，只有黑白两极，没有中间层次。而高饱和度一定会带来前期采集的色彩过渡缺失，造成近似的色彩没有微妙过渡而成为一个单块的危险。

图9用这个曲线投影图进一步说明，高饱和度和低饱和度的曲线斜率不同，曲线角度陡立，反差高。曲线角度相对平缓，反差低。把两条反差曲线垂直投影下来，可以看出，高饱和度的投影宽度小于低饱和度，反差曲线的投影体现能够记录层次的密度范围，此范围大，则能够记录的层次多，宽容度大。反之则宽容度小。假如进一步提高饱和度，也就是加大单色反差曲线的斜率使之变得更陡，其投影就会更窄，于是层次减少。投影证明：数码相机采取低饱和度获取影像，是非常正确和精妙的选择，在饱和度和层次之间选择，肯定应该选择后者，有了层次作为基础，可以轻易加大饱和度，达到任何效果。有了层次，就有了调整的余地和条件。相反，如果没有层次只有饱和度，那不叫摄影照片，简直应该叫色纸剪贴画。

再看数码如何对待反差和饱和度问题。数码技术的精英们认真分析了高低反差、饱和度的利弊，绕过170年追求高反差、高饱和度、高感光度“三高窄胡同”的约束，大胆独辟蹊径，在三低上尝试突破，终于绕开了负－正工艺对底片的限制，创新出“三低原则”即低饱和度、低感光度、低饱和度获取影像的方式，彻底走出了“三高”带来的一系列弊病的困境。开创了一个崭新的时代。通过几年的实践、反复实验和思考，笔者终于悟出低饱和度的高明之处：低饱和度通过后期处理，能够轻易达到艳丽，并且仍然最大限度地保留层次，绝不输于胶片。但是，胶片高饱和度造成的层次缺失，是任何数码高手都找不回来的。前者可以控制把握，而后者就只能望而兴叹没招法。如果不理解数码影像采集的革命性思路，刻意执著地非要在前期就拍摄出色彩鲜艳的照片，真是大错了一步。几年前我就感慨，数码影像是对传统摄影的革命和颠覆，仅“三高”问题的解决，就已经为我们拓展影像采集的手段开创了一片新天地。

图10上图为数码相机拍摄的照片，下图为反转片拍摄的照片，在同一光线条件下拍摄，数码原片的反差和饱和度都不如胶片。经过调整，粗看上去，与反转片的色彩、反差基本一致，没有什么区别，请注意图中标记有白色圆圈的部位。

图11为放大图10的圆圈局部，看到除了数码照片清晰度超过胶片（120反转片）之外，“奉天倡义”四个字上面的阴影中，数码照片中的石刻图案纹理细节明显多于胶片。反转片不经过调整已经达到不错的层次，这是人们看重的。而数码不经过调整时则“又灰又软”，不深刻理解数码“三低原则”获取影像的机理，肯定难以接受它，但是，当经过简单调整，数码一扫“又灰又软”的状态，出现了胶片所达不到的层次细节时，我们能否客观认识单反数码相机拍摄原片的真正实力，从而理解数码的开发思路，把握特征，走出传统的定势呢？

那么，数码相机为什么有高饱和度的设置呢？ 我们拍摄的对象题材非常广泛，有些情况下要针对不饱和的画面，就需要采用高饱和度设置。另外，某些照片并不需要后期制作，质量并不要求特别高，比如某些纪念照和工作场景，一步到位就行。这时直接选择高饱和度、高反差拍摄，也是省时省力的好办法。

某些相机没有反差和饱和度设置，而以某种定制的模式来标识。下面是一些定制的模式与饱和度之间的大致的对应关系。

风景模式即高饱和度模式；普通模式属于中饱和度；标准模式为中低饱和度；人像模式是浅灰区略微偏品红的中饱和度；真实模式为中高饱和度；鲜艳模式为高饱和度；更鲜艳模式为最高饱和度；柔化模式属低或中低饱和度。根据这些大致的对应关系，我们可以理解饱和度、反差和色彩层次有着矛盾和互相制约的关系，知道鱼和熊掌不可兼得，从而依据题材和要求，灵活选用相应的模式。

照相机的色彩模式，只能提供一个基本的近似的“色彩样式”，这个样式并不能够保证在相对应的条件下，一定能拍出最好的照片。即使对应，也存在景物与模式的差异。我们知道了模式的本意和基本技术特点，可以在实拍中灵活运用，比如在色彩饱和和光比大的风景拍摄中，如果用高饱和度的风景模式，则可能会造成“高光溢出，暗部欠层次”，而此时使用标准模式，情况则会大有改观。而面对反差小、色彩灰暗的画面，用风景模式则可能会恰到好处。这种灵活的运用方式可以有数不清的组合，至于怎么用，还是那句话：要实验，通过用心的比对试验可以获得真正实用的经验。