Lecture 3: Exposure

1. Exposure

曝光 (Exposure) 是决定照片质量的主要原因之一：过度曝光 (over-exposure) 或曝光不足 (under-exposure) 都可能导致照片的细节消失：

如上图所示，曝光不足 (左上角) 、过度曝光 (左下角) 甚至二者同时出现 (右上角) 会摧毁任何场景。本节课就将向大家介绍影响照片曝光的三个因素：快门速度 (shutter speed)、感光度 (ISO)、光圈大小 (aperture)。

2. Shutter Speed

2.1 Stops & Exposure Value (EV)

其它参数保持不变，快门速度 (shutter speed) 的快慢决定照片进光量的大小，从光的粒子性方面理解就是 photons 的数量多少。举例说明：其它参数保持不变，1/100s 快门速度下照片的亮度是 1/200s 快门速度下的两倍。用摄影术语来说：前者的曝光量比后者多一个 stop 或者 EV (Exposure Value)，「one stop/EV more」指两倍亮度；「one stop/EV less」指一半亮度，举例如下：

2.2 Pinhole Camera Revisit

回到 Lecture 1 中用 pinhole camera 拍摄的照片：

它的快门速度为 23s，在曝光的这段时间内，固定光源 (灯) 发射出来的光在教室的墙上发生漫反射，变得十分柔和，打在学生的脸上、衣服上，反射到相机中。这个过程在这 23s 内持续不断地进行。人很难在 23s 内保持一动不动，因此照片的模糊有一部分是人物的晃动导致。在往年的课程中，总是会有学生左右晃动，导致脸部十分模糊，但今年除了左上角的摄像大哥，学生注意力都比较集中 (lol~)，没有看到这种现象。除此之外，也许你也观察到了：几乎完全静止桌子、椅子也同样有些模糊。因此快门速度并非是导致这张照片模糊的全部原因。

由于快门速度过慢导致的照片模糊有两种：相机不动，物体在动；相机晃动，物体不动。上面的例子就是前者，而后者可以通过三脚架来规避。

2.3 相机控制

常见的相机快门是一种机械装置，在 Lecture 1 中我们介绍过其结构，相机通过它来控制胶片或传感器暴露在光下的时间。在普通模式下，相机支持调节的最长快门时间为 30s。在一些特殊场景下，如拍摄星轨，你需要更长的相机曝光时间，这时候你需要 dSLR 的 bulb 模式。相机支持调节的最短快门时间通常在 1/8000s 到 1/4000s 之间，在一些特殊场景下，如拍摄子弹飞行的清晰照片，你需要更短的快门时间，普通 dSLR 很难做到。

2.4 (Side) Effects

通过快门速度来控制照片的曝光程度存在一个副作用：物体的移动也会被捕捉。有时候捕捉物体的运动正是你所期望的；而有时候你希望凝固运动物体的瞬时画面。

比如，1/5s 的曝光时间就可以让海浪变得柔软：

将相机与汽车相对固定，可以让周围景物变得模糊，拍出飞驰人生的效果；通过控制快门时间甚至可以刻意用光作画，即所谓光绘。

比如，低于 1/1000s 的快门时间可以让你凝固运动员奔跑、浪花四溅的画面：

要拍摄出动静结合的照片，有两种做法：保持相机静止、让相机与物体相对静止。

2.4.1 Mixing Motion With Still: Keep Camera Still

拍摄海浪的同时保证礁石清晰，靠手端相机是不靠谱的，需要依靠三脚架。有了三脚架，摄影师甚至可以使用更长的曝光时间，获得更加柔软的海水效果。也许你会有疑问，什么时候手端没问题，什么时候有问题？一条经验法则是：

仅靠人手端相机，快门时间需要小于 \(\frac{1}{focal\space length}\)

比如标准人像镜头的焦距为 50mm，那么快门时间必须低于 1/50s。恰好没有三脚架怎么办？如果有平台、桌面可以依靠它们，如果什么都没有，可以将相机架设在手臂和胸口之间，在呼气末尾的时候拍摄，避免在吸入或呼出大量空气时拍摄，减小晃动。许多镜头厂商都增加了一些防抖功能，来抵消或减小手抖导致的晃动。

2.4.2 Mixing Motion With Still: Keep Camera Relatively Still

如果你能让相机随着物体做相对运动，即「追随拍摄」，就能让主体清晰，周围景物模糊。如下图所示：

追随拍摄无他，惟手熟尔。当然，如果你能将相机固定在运动的物体上，能达到第一人称视角的类似效果，如刚才汽车飞驰的例子。

2.5 小结

随着拍摄照片的数量越来越多，摄影师就能形成一些拍摄直觉，什么样的运动该用什么样的快门时间。很多时候，精彩瞬间的出现时间很短，更熟练的技巧能够帮助摄影师更快、更好地捕捉画面。

3. ISO

为了便于理解，可以将 ISO 当作 (尽管并非完全如此) 感光元件的感光度 (sensitivity)。其它条件不变，感光度越高，曝光程度越大。但天下没有免费的午餐，提高 ISO 会使得图像中出现噪点：

在胶片相机时代，卖胶卷的人可能会问你：「要快胶卷 (fast-film) 还是慢胶卷 (slow-film)」，这里的快慢实际上就是 ISO。只不过一卷胶卷的 ISO 是固定的，而现代 dSLR 则能够让你在拍摄每张照片时都能调节 ISO。但胶片相机和 dSLR 在不同 ISO 上的表现不同，如上图所示：胶片在 ISO 为 1600 时就能看到很明显的噪点，且噪点由各种绿色、紫色的小色块构成；而 dSLR 在 ISO 为 1600 时的噪点还能够接受，近几年的相机甚至在 ISO 大于 20000 时还能保持不错的照片质量：

使得摄影师能够获得更灵活的快门速度控制。但值得注意的是，胶片的噪点更加随机、自然，dSLR 的噪点更加规律、机械，一些艺术作品会刻意追求胶片的噪点风格，因此你甚至可以根据噪点的规律性来判断一部作品是用胶片还是电子感光元件拍摄的。

风光摄影师拍摄时会使用尽量小的 ISO，尽可能地减少图片中的噪点，因此三脚架是他们的好朋友。在傍晚或夜晚拍摄风光片时，因为自然光强度较弱，在低 ISO 下需要更慢的快门速度，但快门速度降低有可能让你意外地捕捉到星轨，短小的星轨会让照片失去美感。通常，30s 的曝光时间就可能让照片中出现星轨的迹象，这可能并不是摄影师想要的。

4. Aperture

改变光圈 (aperture) 大小就像人眼扩大或缩小瞳孔，在强光下，人眼会自动缩小瞳孔，减小进光量；在弱光下，人眼则会自动扩大瞳孔，增加进光量。在相机中，通常用 F-number 衡量光圈大小。但实际上 F-number 并不是直接表示光圈大小，而是焦距 (focal length) 与有效光圈直径 (effective diameter) 的比例，即 \(F\space number = \frac{f}{D}\)，如下图所示：

在其它条件下不变 (包括焦距)，要让进入相机的光是之前的两倍，需要光圈面积扩大为原来的两倍。但光圈是圆形，面积扩大两倍并不意味着直径也扩大两倍，因此 F-number 的相邻两个 stops/EVs 之间并不是称倍数关系，而是 1.4 (即 \(\sqrt{2}\)) 倍的关系，依次是：f1、f1.4、f2.8、f4、f5.6、f8、f11、f16 等等。F-number 越小，光圈越大，景深越小，即对焦范围越小：

F-number 越大，光圈越小，景深越大，即对焦范围越大：

但当增大到一定程度时，背景会逐渐出现模糊、柔化的情况，因此通常不建议使用 f11 以上的配置。Ansel Adams 曾经发起过 f/64 小组，但当时他们使用的胶片大小较大，因此 f/64 还不会使背景出现质量问题。

在相机镜头工艺中，通常 F-number 范围越小的镜头工艺越复杂，价格越贵，但对摄影师来说使用更简单。注意，这里的 F-number 范围实际上指的是相机本身支持的最大光圈、最小 F-number，摄影师当然可以使用比最大光圈更小的设置。

5. All Together

尽管开篇的时候我们说的是曝光三要素，实际上曝光有四要素 (the big four)：

• Amount of available light (自然光或人造光)
• Shutter speed
• ISO
• Aperture

你可以通过它们之间的任意组合，去实现一张照片的合理曝光。注意好的曝光并非照片中不能存在没有细节的地方，而是摄影师以及观众希望保留的细节能被保留，如果从摄影作品的角度出发，失去部分细节能更加凸显意境，那么区域性的过度曝光或曝光不足是没有问题的，如剪影：

通常相机中会内置一些模式，如屋内、室外、阴天、风景、人像等等，这些模式实际上就是上述曝光四要素的不同组合结果。

当然，如果你想感受这些参数的权衡过程，可以尝试相机的手动模式 (M)，这意味着给定光照条件，你需要手动调整上述三个参数来取得合理的曝光水平。在大晴天下，你可以从 Sunny 16 Rule，即：

• 1/100s
• ISO 100
• f/16

开始调整参数，逐渐找到你期望的合理曝光。

References

• Lecture 3: video, slides, aperture-and-f-number