18%灰板与曝光原理

摄影是光的艺术，能否把眼见的美妙光影记录下来，就是曝光的技术了。在本系列的（二）里曾经讨论过曝光与影调的关系，现在我们再来说说曝光的基本原理。要说清楚曝光的原理就首先要说人眼的视觉，人眼对观察到的亮度变化是一种对数压缩规律。比如亮度为1000烛光/平方米的一个东西，和亮度为500烛光/平方米的一个东西，虽然他们亮度相差500，人眼认为他们亮度差一倍。比如亮度为10烛光/平方米的一个东西，和亮度为5烛光/平方米的一个东西，虽然他们亮度相差只有5，人眼认为他们亮度也差一倍。这种对数压缩使我们既能看清楚亮度极高的蓝天白云，又能看清楚烛光下的生日蛋糕。明白了人眼的对数特性，再来看看18%的灰板。很多人用过灰板，灰色的一面是18%，白色的一面是90%，这个18%、90%是灰板的反光率。可是为什么是18%，而不用50%或者其他，我初学拍照片也不明白，过了很久才清楚，原来18%灰在人眼看来，做过对数压缩后，正好是100%的中间，所以用18%反光率的灰板作为中级灰（中间调、中度灰）是非常科学的。18%灰.JPG-2.47=log2 0.18用一束光照向灰板，此时灰板的亮度就与它的反光率成正比，当反光率从18%变化到36%时，亮度增加一倍，当反光率从18%变化到9%时，亮度减少一半，而人眼的观察结果是相同效果的一级，9%比18%暗一级，36%比18%亮一级。当灰板的反光率从3.6%（基本就是0）变到90%（基本就是100%）时，人眼观察到的亮度变化，18%灰正好是中心，所以把它作为标准。一般来说，自然界不主动发光，只是反射光线的物体，其反光率都在3.6%到90%之间，所以用反光率18%的灰板来作为标准也是比较符合实际情况的。曝光量定义为H=ET，H是曝光量，E是像场的照度，T是曝光时间。像场就是CCD、CMOS平面成像圈内的区域。像场照度是景物通过镜头照亮像场的程度，景物越亮，光圈孔径越大，像场照度越强。像场照度的计算公式为：E=（k1）B/（A的平方）。k1是单位转换的比例常数，B是景物亮度，A是光圈系数（定义为：镜头焦距/光圈孔径，就是常说的光圈F系数，比如F5.6、F8）。胶片时代，每个胶片厂商生产的胶片都有自己的最佳曝光量，所谓最佳曝光量就是用它曝光，生成的胶片密度正好位于密度-曝光曲线的中心位置，为了方便使用者计算，厂商不直接提供最佳曝光量，而是用感光度替代。数码照相机延续了这一标准，最佳曝光量会使JPG照片的R、G、B都是128（相当于胶片的最佳密度），也用ISO来代表最佳曝光量。最佳曝光量的计算公式为：Hg=k2/S。k2是比例常数，S是ISO标准的感光度。18%灰板能基本反映出现实景物的平均亮度（中间亮度），让18%灰板的曝光量吻合最佳曝光量就很合理。所以正确的曝光就是满足：18%灰板的曝光量=最佳曝光量，即H=Hg。曝光公式.JPG把曝光计算转换成EV（AV、TV、BV、SV）的计算就很方便了，AV、TV、BV、SV每加、减1，就对应光圈、快门速度、ISO和亮度变化的一级，计算曝光只需要对它们进行加减运算。按照上面的公式，可以计算出AV、TV、BV、SV与光圈系数、快门速度、感光度和景物亮度的对应数据，如下表所示。EV.JPG有了曝光公式，EV=AV+TV=BV+SV，对曝光的规律就一目了然了。拍片前要首先确定SV（就是ISO），这对胶片摄影是不言而喻的，因为每一卷胶卷都有固定的ISO，然后根据现场光线测量出BV（景物亮度），由BV+SV=EV就得到了曝光数据EV，每个相同的EV对应一系列AV和TV的组合，选用什么样的光圈和快门可以任意，但是必须保证AV+TV=EV。比如，我们用ISO100（SV=5）的感光度拍摄，拍摄对象是18%灰板，可以测量出灰板的亮度，假定测量出BV=10，可以算出EV=BV+SV=15，用F5.6（AV=5）、1/1000（TV=10）拍摄，18%灰板在胶片上会产生标准密度值，对数码照相机JPG照片的R、G、B的值应该都是128，标准的中级灰。如果用F4（AV=4）、1/2000（TV=11）拍摄，用F8（AV=6）、1/500（TV=9）拍摄，用F11（AV=7）、1/250（TV=8）拍摄，也都会得到标准的中级灰，因为它们的EV值都相同。如果改用ISO200（SV=6）拍摄，此时EV=16，要拍出中级灰，就要用F4（AV=4）、1/4000（TV=12），或者F5.6（AV=5）、1/2000（TV=11），或者F8（AV=6）、1/1000（TV=10）。显然曝光公式中BV是决定其他变量的关键，BV是景物亮度决定的，所以照相机的测光就是要解决BV测量的问题。前面说过曝光的标准是18%灰板的亮度BV正好在照片上产生中级灰（R、G、B都是128），所以测光也是针对18%灰板为标准。测光有两种方式，一是测量照度，就是直接测光源的强度，光源的强度一定，照射到18%灰板后反射的亮度也一定，所以乘上一个转换系数就是18%灰板的亮度BV，影棚摄影师常用这种方式，但前提是要用测光表，一般照相机没有照度测光。另一种则是现在照相机都有的测量亮度，就是直接对景物测量其亮度。E-510有三种测光方式，点测光、中央重点平均测光、ESP测光。点测光就是只有取景器最中间的一小点是测光有效的区域，用这个点测出BV，照相机再根据SV计算出EV，点测光能保证被测点的亮度在照片中正好是中级灰。换句话说，点测光把测光点的东西统统当成18%灰板对待，如果测光点的东西不是18%灰板，曝光就必须要修正（修正的方法可以参考本系列二曝光与影调）。再换句话说，点测光只负责把测光点的东西还原成中级灰，而完全不管其它地方的情况，比如天空是否过曝、阴影能否保留层次。中央重点平均测光和ESP测光都是对取景器的多个测光点的测光值加权平均直接得到曝光数据EV。这是一种相对智能化的测光方式，它牺牲了与18%灰板的严格对应关系，但保证了高光、阴影的较大的记录范围，能保证照片的影调基本合适，但没有某个景物的亮度与中级灰的确切对应关系。熟悉EV的人比较多，听说过BV的就少一些，因为当ISO确定后，SV就是固定常数，经常用EV来代替BV，所以BV就不太常用。比如E-510的说明书提到测光范围时，给出EV1-EV20，同时说明是ISO100条件下，实际说的是测光范围BV-4到BV15。而自动对焦AF时，给出的工作范围是EV0-EV19，没有指定ISO，这是明显的错误。E-520的说明书就改正这个错误。E-510说明书截图。E-510的测光-EV.JPGE-510的AF-EV.JPGE-520说明书截图。E-520说明书的EV.JPG最后，再说说18%灰，对于18%灰板，正确曝光后的JPG数码照片，R、G、B值都应该是128，不同厂商、不同型号的数码照相机的R、G、B数值可能略有差别，但至少应该都在128附近，这一点可以用Photoshop的吸管工具或选区直方图测量。JPG照片R、G、B的128正好处于8bit的256的中间，即50%处，所以对数码照片，有的人习惯把R、G、B的128叫做“50%灰”。这和灰板的18%灰是一回事，千万不要理解成是某种反光率50%灰板。所以，反光率18%的灰板，拍成数码照片后，变成“50%灰”（R、G、B都是128），如果打印输出，就又变回到反光率18%的灰纸。