| 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年的首篇從最基礎的攝影成像科學常識說起，而寫于多年前的本文永不過時。如果嘗試幾次，最終發現基礎知識類文章的閱讀量太少，將會終止基礎知識類文章的繼續撰寫。 今天的攝影領域普遍已被數字攝影技術占領，而圖像的數字化，最初是因為20世紀20年代，歐洲戰爭期間，為了快速實現如何通過海底電纜從歐洲向美國傳輸一戰戰況的照片而想象出來的對照片進行編譯碼傳輸的通訊辦法，由此拉開了圖像數字化的序幕，并為后來的數字化圖像技術提供了技術和理論基礎。 使用數字相機或者可拍照手機拍攝，已經成為人們普遍的攝影行為。數字相機和手機拍攝后獲得的是一個數字電子文件，文件大小的單位是比特值。高端專業數字相機譬如哈蘇H6D-400M所拍攝的一幅照片的文件量就能高達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圖像或者打印出來的精美照片。數字文件和數字化過程對于絕大多數人其實是完全可以視而不見和忽略其過程的，盡管這個過程確實存在且不可或缺。對于絕大多數的普通消費者而言，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。 鑒于我不會計算機繪圖，無法用插圖表達，只能盡可能的用淺顯易懂的語言表述極為專業的數字圖像概念，但必要的抽象專業語言也必不可少。 先從最簡單的黑白照片說起，用數字來表達一幅黑白照片的方式，就是把一個平面的黑白照片進行數字化采樣，譬如一幅2400萬像素的數字化的照片或者一個照片的數字化文件，由6000個橫向陣列單元和4000個豎向陣列單元構成。每個單元對應著的就是一個像素，其中的任何一個像素都對應著一個X橫坐標參數和一個Y豎坐標參數，則每個像素用對應著一個確定的（x，y）來記錄或者表達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，由此構成一個像素的三維信息量，即像素位置和圖像強度。對于彩色攝影或者彩色圖片，則還要加上每個像素對應著的色彩代碼，由此再增加一個顏色標示，由此，每個像素分別由位置、顏色和顏色深度（對應灰度值）來表示。這一標示用一串數字編碼實現，形成一個電子化的數字文件，經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原的技術過程，也叫譯碼和顯示技術過程來實現對圖片的觀察和輸出。譬如打印機就是對照片數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屏幕上看到的圖像也是譯碼顯示的具體體現。這個顯示和輸出過程就是數字圖像的圖像復原。 每個像素的灰度值越高，細節越豐富。灰度跨度越大，灰度的梯階就要越多，圖像密度也越高。當一幅圖片有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。當前，最高級的專業相機擁有可以分辨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。 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，圖像的真實再現能力差距之懸殊，通過數字的對比，可以一目了然了吧。由此，在選購數字相機時，要明白一點，最大可生成14位RAW格式文件的相機具有比僅能生成12位RAW格式文件的相機要好的多，圖像細節的豐富程度要優越得多。 對于數字圖像或者數字照相機而言，能實現的最大可度量（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節的度量，而灰度分辨率是指灰度中可分辨的最小變化。在數字攝影時代，空間分辨率由像素數量決定，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。譬如當前最高端的能記錄16位數字圖像的數字相機基本都是中畫幅數字相機。 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，對應著誕生的空穴電子對的數量不等，最終能形成光電子信號的圖像信息量也就不同。一個八位的數字圖像，每個像素最少要有從0到255個電子之間的某個數量來表達其位置所獲得的離散信號，而對于一個16位的數字圖像，每個像素需要最少要有從0到65535個電子之間的某個數量表達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字圖像信號，經過編碼運算后儲存為一個完整的數字圖像電子信號文件，也就是最終構成一幅完整的數字圖像。 直方圖的橫坐標從左到右代表像素的曝光量的從零到峰值，豎坐標則代表同一曝光量的像素的數量。每個像素接收到的離散信號不同，從0到255亦或從0到65535的離散數字在每個像素上的分布也就不同。不同的離散值對應著不同的灰度級，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的概率經過歸一化處理后形成的曲線就是數碼影像的直方圖。 以最高階的16位數字圖像為例，直方圖的橫坐標的最右端是接收滿65535個電子信號的最高灰度級，直方圖最左端的起點是沒有灰度級反應的零個電子信號。從最左側的0到最右側的65535形成直方圖的橫坐標，豎坐標則由共同獲得這個灰度級的像素總數構成，每個灰度級上分布著曝光量一致的不等數量的像素。譬如，所有獲得30000個電子信號的像素都在橫坐標為30000的位置上疊加形成豎坐標，所有獲得1000個電子信號的像素都在橫坐標為1000的位置疊加，由此來分析這幅圖像的像素曝光量分布圖。這就是直方圖傳達的信息。 根據直方圖的形狀，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。暗圖像也叫低調圖像的直方圖分布體現出多數像素的曝光量偏低，也就是所有像素向低灰度級區域的左側聚集。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出多數像素的曝光量偏高，也就是所有像素向高灰度級區域的右側聚集。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出向中間密度區域集中，低密度區和高密度區的像素分布較少。高反差圖像的直方圖分布凸現出低密度區的左側和高密度區的右側像素聚集量偏多，甚至直方圖曲線是拉平形狀，也就是不同灰度區的像素布局趨于均化。 簡而言之，直方圖就是數字圖像的隨機變量的積累分布函數。一幅曝光量適當、反差適度的照片，直方圖分布是中間影調的直方圖中間位置偏高，兩側逐漸走低的曲線。這個曲線略向右隆起表明該照片趨于高調照片，這個曲線略向左隆起表明該照片趨于低調照片。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格。 光的特性是光學科學的核心，也是影像科學的理論和科學基礎。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量的3個基本參數是輻射、光強和亮度。輻射代表著光照射的能量，用瓦特來度量，光強用流明計量。亮度是觀察者的主觀感覺。而區別光的顏色特性恰恰是亮度、色調和飽和度。色彩的純度決定飽和度，構成色度的色調和飽和度的認知大多由創作者主觀確定。CIE（國際照明委員會）共同確定435.8納米的藍色、646.1納米的綠色和700納米的紅色為三原色的標準光譜頻率。建立標準彩色模型的色度圖表表達了可見光從380納米到780納米的色譜分布圖，由此構建出理解紅綠藍三原色之間你強我弱的關系的認識基準。由于在互聯網時代，對圖像的彩色處理和色彩校正是在地球各地的數臺計算機上完成和實現的。最終輸出給具有統一采樣識別標準的打印機，如何才能打印出效果一致的圖片樣張呢？這就是色彩的標準化，CIE制定了標準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后自然剩下的藍色比例構成標準三原色比例關系，作為全球一致的顯示較色基準。所有參與者依此基準完成色彩校正后的最終文件作為該作者的標準數據予以采樣。
我之所以能寫此文，必須閱讀鉆研的部分參考書
數字圖像的獲得和輸出，中間過程是一個看不見的數字編碼和譯碼過程，圖像由一連串的0和1的排列構成。但是在實現數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，也就是正常的傅立葉波譜函數曲線上會突然出現的強烈波峰和強烈波谷，這都會經過計算方法把這個波峰和波谷去除，讓波譜恢復圓滑過渡。這個過程對于數字圖像就是復原和重建過程中的自動修復和優化。譬如對摩爾紋的修復，對于紫邊現象的修復，都基于一個叫做傅立葉光學函數模型的高等數學方程式。這里面對鏡頭光學校正還要用到高斯光學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理論模型。對此的具體和深度的應用則是由此設計出的開放給攝影參與者的一些用于對數字照片進行后期處理的軟件，譬如PHOTOSHOP等。總之，一句話，就是我們今天方便快捷的數字拍攝和后期數字處理技術是建立在無數前人的科學發現和技術奉獻的基礎上的。 數字攝影中那些和膠片攝影相關的一致性的概念，曾經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字攝影參與者深入的了解數字影像本身，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多年里陸陸續續為《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》、《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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