1.2 摄影与图像基本概念[2]

当你刚刚拿到你的第一台单反相机时，可能会无所适从，因为它有非常多的选项和按钮。本节我们介绍一些初学者必须知道的摄影与图像基本概念。

1.2.1 像素与分辨率

像素是相机传感器上的最小感光单位，像光学相机摄影胶片的银色颗粒一样，可理解为数码相机“胶片”上的感光点。

数字图像有两种分辨率：图像分辨率与输出分辨率。

图像分辨率指的是每英寸的像素数，英文全称为Pixel Per Inch，缩写为PPI，通常简写为px。我们平常描述一幅图像大小的时候使用的就是PPI。例如，使用Canon EOS M3拍摄出的最大图像高度为4000像素，宽度为6000像素，因为6000×4000=2400万，所以其PPI为2400万像素。

输出分辨率指的是设备输出图像时每英寸可产生的点数，英文全称为Dots Per Inch，简写为DPI。

这两种分辨率的区别就在于点和像素。点指的是显示器上每一个物理的点，它是物理设备可以解析的最小单位，而像素指的是屏幕分辨率中的最小单位。

相同的图像分辨率，更大的DPI表现为物理尺寸更小，因为这个时候每英寸的点数更大，每英寸的像素数更大。

图1.6（a）和图1.6（b）的图像分辨率是相等的，都是2048px×2048 px，图1.6（a）的DPI是72，图1.6（b）的DPI是300，反映出来就图像的输出尺寸不同，但是表现出了同样的清晰度。

图1.7（a）和图1.7（b）的DPI都是72，图1.7（a）的图像分辨率为2048px×2048px，但是图1.7（b）的图像分辨率只有64px×64px，每英寸的像素数变小，可以看出图像输出尺寸相等，但清晰度明显有所下降。

1.2.2 像素深度与颜色

1. 像素深度

像素深度指存储每个像素所用的位数，又被称为图像深度，表示一个像素的位数越多，就可以表示越丰富的灰度级。我们通常用8位图来表示图像，像素深度为28=256级，即0～255。其中0表示最暗，255表示最亮，亮度从0到255逐渐递增。

图1.8按照从左到右，展示了8位图（256级）从低到高的灰度渐变。

2. 灰度图与彩色图

根据图像的通道数，常见的图像分为灰度图和彩色图两种。灰度图只包括亮度信息，也可以称之为单色图。彩色图则不仅包括亮度信息还包括颜色信息，常见的彩色图为RGB图像，每个像素用R（Red，红色）、G（Green，绿色）、B（Blue，蓝色）这3个灰度分量表示。图1.9所示为灰度图与RGB彩色图。

如果每个分量用8位表示，那么一个彩色像素共用3×8=24位表示，其像素深度为24，每个像素有224种颜色。

一般我们会用彩色图，而灰度图只有单色，常用于以下场景。

（1）纪实类的作品。这一类作品重在记录，尤其是在彩色图出来之前，如今仍然为很多摄影师所爱。

（2）简化背景。彩色图杂乱的背景有时候会影响主体，此时使用单色会使得图像更加干净，主体突出。

（3）特殊题材，如黑白明度建筑等。

图1.10分别展示了若干单通道灰度图作品，相比于对应的彩色图作品，单色可以使人更关注图像中的主体，营造出更加和谐与高端的气氛。

3. 直方图

图像中的直方图被用来表示数字图像中的亮度分布，对像素灰度值进行统计就能得到直方图。直方图中，横坐标的左侧表示较暗的区域，右侧表示较亮的区域。

图1.11展示了一张彩色图和对应的R、G、B 3个通道的直方图。

我们可以看到，直方图的R通道包括左、右两个很明显的分布，它们分别对应的就是“前景”和“背景”。我们感兴趣的是图1.11中的“柿子”，它就是前景，它的R通道灰度值比较大，对应的就是直方图中的凸起区域。

4. 颜色空间

除了RGB颜色空间，常用的颜色空间还有HSV/HSB、HSL、CMYK、YUV、Lab等。图1.12从左至右分别展示了RGB颜色空间、HSV颜色空间、Lab颜色空间的图。

HSV由色相（Hue）、饱和度（Saturation）、明度（Value）组成，是一种将RGB色彩空间中的点在六角锥体中进行表示的方法。色相是色彩的基本属性，就是平常说的颜色名称，如红色、绿色等。饱和度是指色彩的纯度，饱和度越高，色彩的纯度越高，也可以理解为加入白光的分量，白光的分量越高，饱和度越低，饱和度取0%～100%。明度表示颜色明亮的程度，它取0～1，表示从黑到白的过渡。HSB由色相、饱和度、亮度（Brightness）组成，和HSV一样，只不过名称不同。

HSL由色相、饱和度、明度（Lightness）组成。HSL和HSV中的色相完全一致，但是饱和度不一样，明度也不一样。HSL和HSB两种表示方法在目的上类似，但是方法上有区别。在数学表示上两者都是圆柱，HSL表示了一个双圆锥体和圆球体（白色在上顶点，黑色在下顶点），而HSV表示了一个倒圆锥体（黑色在下顶点，白色在上底面圆心），如图1.13所示。

CMYK是彩色印刷时采用的一种套色模式。采用C（Cyan，青色）、M（Magenta，洋红色）、Y（Yellow，黄色）、K（Black，黑色）4种颜色进行混色从而达到“全彩印刷”。C、M、Y 3种颜色在理论上可以等同于R、G、B 3色的补色，但是现实中的彩色印刷材料色彩不纯，用C、M、Y 3种颜色进行叠加后的K首先不纯，其次也不易干燥，因此K被加入了CMYK中成为彩色印刷的色彩之一。

YUV是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法。在YUV颜色空间中，每一种颜色都有一个亮度信号Y和两个色度信号U、V。如果只有Y信号分量而没有U、V信号分量，那么对应的图像就是黑白灰度图像。彩色电视机采用YUV颜色空间正是为了用亮度信号Y解决彩色电视机与黑白电视机的相容问题，使黑白电视机也能接收彩色电视机信号。

Lab表示颜色-对立空间。L表示亮度，a和b表示颜色对立维度，a通道的数值变化使得最终的颜色在红色和绿色之间变化，b通道的数值变化使得最终的颜色在黄色和蓝色之间变化。Lab颜色被设计于接近人类视觉，它致力于感知均匀性，其中L分量密切匹配人类亮度感知，而a和b分量则用于控制颜色过渡。这些变换在RGB或CMYK中是不可能的，因为RGB和CMYK是基于物理设备的输出来建模的，没有与人类视觉感知相似的特性。当然Lab颜色空间中的很多“颜色”超出了人类视觉的范围，因此是非真实色彩。

1.2.3 焦距

相机镜头是一组透镜。当平行于主光轴的光通过透镜时，光会聚到一点，这一点被称为焦点。从焦点到透镜中心（即光心）的距离称为焦距。具有固定焦距的镜头称为定焦镜头，焦距可以调节的镜头称为变焦镜头。

由于拍摄时，被摄主体与相机的距离（即物距）不总相同，如给人拍摄时，拍摄全身照物距较远，拍摄半身照物距较近。当相机位置不变时，要想获得清晰照片，就必须随着物距的不同而改变焦距，这个改变过程就是我们平常所说的“调焦”。焦距越长，越能清晰拍摄远处的景物。

图1.14所示为在不同焦距下拍摄的日落图片。

在图1.14中，图1.14（a）是用Canon EOS M3的“套头”EF-M 18-55mm f/3.5-5.6 IS STM在39mm焦距拍摄的，图1.14（b）是用Canon长焦镜头EF 70-200mm f/4L USM在200mm焦距拍摄的，可以看出两者的太阳尺寸差异很大。目标越远，越需要使用焦距长的镜头。

1.2.4 光圈

光圈是镜头内控制进入机身的光量的装置，它的大小决定了通过镜头进入感光元件的光线多少。在快门速度不变的情况下，光圈越大，进光量越多，画面越亮；光圈越小，进光量越小，画面越暗。

常见的光圈大小包括f/1.0、f/1.4、f/2.0、f/2.8、f/4.0、f/5.6、f/8.0、f/11、f/16、f/22、f/32、f/44、f/64，f/后面的数值越小，光圈越大。

由于光圈可以限制由镜头进入的光量，因此它可以调节影像的亮度。图1.16所示为不同光圈大小下拍摄的太阳图像，第一行为日落图，第二行为日出图。每一行从左到右光圈值逐渐增大，可以看出主体目标太阳随着光圈值变大而变得更亮。

1.2.5 ISO感光度与噪点

ISO感光度指图像传感器CCD/CMOS或胶片对光线的敏感程度。在光圈大小固定时，更高的ISO感光度能够使用更高快门速度获得同样的曝光量。如果在固定场景中，ISO感光度等于100、快门速度为2s可获得正确曝光，那么ISO感光度等于200时只需1s快门速度，ISO感光度等于400则只需0.5s快门速度。

常用的ISO感光度从100、200、400开始倍增，某些相机可以高达25600。ISO的大小会直接影响图像亮度，图1.17所示为不同ISO下拍摄的同一时刻的太阳图像，全图的亮度随着ISO增大而不断增加。虽然高的ISO感光度可以使用较高的快门速度获取正确曝光的照片，但是图像噪声也会随之增加，因此高ISO感光度下的图像质量也成为衡量数码相机的最重要指标之一。

一般来说，我们在白天或者光线充足条件下拍摄时使用较低的ISO感光度，在晚上或者光线不足条件下拍摄时使用较高的ISO感光度。图1.18所示是在不同时间拍摄的同一建筑物的图像。

在图1.18中，图1.18（a）是低ISO感光度（200）下拍摄的，图1.18（b）是高ISO感光度（3200）下拍摄的，可以看出高ISO感光度的图噪点更加明显。

我们经常会同时调节焦距、光圈、ISO、快门，从而在不同的光照条件下获得最佳拍摄结果。图1.19展示了不同参数配置下拍摄的日落图，可以看出拍摄出了风格迥异的作品，太阳还呈现出了不同的颜色。

1.2.6 快门与慢门

快门被用来控制相机曝光时间的长短，数码相机的快门速度可达1/8000s之内。快门速度越高，曝光时间越短，反之则越长。

1. 快门

当我们想要拍摄快速运动的目标时，就需要使用高的快门速度进行快速曝光才能定格瞬间，不至于获得模糊的图像。图1.20所示为猫的各类表情和动作的抓拍。

2. 慢门

所谓“慢门”是指较低的快门速度，通常是指低于1/30s的快门速度。慢门也被称为长曝光，它通过降低快门速度“延缓”了时间的流逝，常用于拍摄车流、水流等，如图1.21所示。

1.2.7 色温与白平衡

英国著名物理学家开尔文（Kelvins）认为，假定某一黑体物质，不仅能够完全吸收落在其上的所有热量，而且能够以“光”的形式将热量生成的全部能量释放出来，它便会因热量的温度不同呈现不同的颜色。例如，当温度为500～550℃时，黑体物质呈现暗红色；当温度为1050～1150℃时，黑体物质呈现黄色；温度继续升高则黑体物质呈现蓝色。打铁过程中，黑色的铁在炼炉中逐渐变成红色，便是该理论的最好印证。

当我们以温度来区别某种色光的特性时，诞生的概念即色温。色温越高，光色越偏蓝，色调风格为冷色；色温越低，光色越偏红，色调风格为暖色。

在摄影机中依据色温的不同有各种模式，白平衡就是通过调整色温来实现的，常见的白平衡模式包括自动、日光、多云、阴天、钨丝灯（白炽灯）、闪光灯、荧光灯等，各种模式也对应不同的色温。例如，蓝天时色温约为10000 K，阴天时色温约为7000～9000 K，日光直射下的色温约为6000 K，日出或日落时色温约为2000K，烛光的色温约为1000 K。

图1.22展示了同一幅作品在不同色温下的对比，从左到右分别是高、中、低色温。

1.2.8 对比度与清晰度

1. 对比度

目前很多显示系统利用8位对图像进行显示，即最小灰度值0代表最暗，最大灰度值255代表最亮，0～255就是它的动态范围。大多数图中最小灰度值会大于0，最大灰度值会小于255，两者之差就是对比度，从视觉上来看就是画面的明暗反差程度。

增加对比度，画面中亮的地方会更亮，暗的地方会更暗，明暗反差会增强。

假如图像上明暗变化均匀，最亮处与最暗处的差值没有超过但是接近显示器的动态范围，那么可以看到图像丰富的明暗层次。

假如最亮处与最暗处的差值远小于显示器的动态范围的最小值，那么图像层次减少，会出现雾蒙蒙的感觉。

假如最亮处与最暗处的差值超过了显示器的动态范围的最大值，那么图像部分层次会丢失，出现全亮或全暗的区域。

图1.23从左到右分别展示了原图与对其降低对比度、增加对比度的结果图。

2. 清晰度

清晰度与对比度不同，它指的是被摄主体边缘附近的灰度对比。如果增加清晰度，边缘较暗的一侧会变得更暗，边缘较亮的一侧会变得更亮，轮廓会更加清晰。不过如果调节过度会使得边缘附近出现伪影。

增加清晰度可以通过锐化操作来进行，降低清晰度可以通过降低图像分辨率、增加模糊等方法来进行。图1.24所示为一张高清晰度图和低清晰度图的对比。