原创 用三角形的镜头光圈会怎样?聊聊焦外的弥散圆

2021-2-20 15:51 8224 17 10 分类: 消费电子 文集: 笔记
个人专栏又很久没更文章了,去年大量坑都没填。这次就把 2019 年年初宣称要翻译,但一直都没翻译的文章翻译一下吧。
这篇文章的作者 Harold Merklinger 在光学领域是相当知名的专家,也著作不少。原文题为 The Technical View of Boke。这篇文章我个人感觉相当通俗易懂。Boke(或 Bokeh)是源自日本的一个词,描绘的是照片的焦外虚化特性,本文会将这个词统一译作虚化。某些文章也可能会将该词译作“散景”(比如 DxOMark 中文网)。
这篇文章的撰写时间是 1997 年,当时的成像介质主要是胶片(film,菲林 ;)),所以文中出现胶片,大致上可以将其对等于现在的图像传感器。这篇文章其实整体上和“电子”关系不大,不过我写专栏一直都是这么随意的嘛(下次还可以聊聊娱乐圈)......另外,这篇文章中出现“焦平面”一词时,若无特别说明,则就是指物方焦平面(像方焦平面会特别说明)。
如果你对“焦外”“对焦”“焦点”“焦平面”这些基本概念并不了解,那么建议阅读以下两篇文章(或回答)。本文面向的是成像技术爱好者。文章内容会有少量二次演绎。
正文开始:

摄影师都很清楚,区分摄影照片和画作之间的其中一个因素,就是对焦(或焦点)。我们人类看世界的时候,双眼倾向于将一切都放到焦内,人眼是能够做到自动对焦的。通常艺术家们也会以类似的方式去描绘世界。画作中的主体可能会以更明亮的色彩去描绘,也可能有更多的细节;不过画面中的次要对象通常也是很锐利的。
而镜头(也包括眼睛的“镜头”)则会对画面做一些“取舍”,近处和背景的对象会被“弱化”(原文用的词是 de-emphasis,即不强调),也就是焦外。善于观察的摄影师会发现,不同的镜头表现会有差异:大光圈镜头会呈现出较强的焦外虚化效果,而小光圈的镜头在焦外柔化方面就没有那么显著。另外即便是相同焦距、相同光圈的不同镜头,在虚化效果呈现上仍然是有差别的。日本人就将焦外虚化的呈现质量称作 boke。究竟什么是 boke,不同的镜头在这方面为什么会有不同的表现?

图 1,镜头后放置一枚三角形的光阑,投射到像方平面的光线会形成三角形的横截面。如果胶片放置到焦点的前方,则胶片上会出现朝上的三角形;而如果将胶片放置在焦点后方,则会出现倒置的三角形。(需要注意,摄影照片最终会进行倒置)
无论成像质量如何,镜头都是遵循光学原理的,所以我推测虚化应该是能够直接用技术术语去做解释的。其本质就是卷积的问题。
接下来的讨论,看起来应该首先用画画来类比。我们可以将摄影成像看做是画画的某种特殊形式。随后我们再去探讨,将镜头比作是画家的各种画笔,而镜头之间又有何区别。这样的类比当然并不严谨,画家是用颜料,从纸张或者画布上去除光和色彩的过程,而摄影师则用光去构造画面。
卷积(convolution)的概念,也就是将某个画面中的每个基本元素,替换成另一个画面的;但限定,第二幅画面每个元素的整体亮度,必须与第一个画面中的一致。然后对整个场景的整体结果,一点一点做汇总。
那么接下来,我们就用卷积的方法来画张画。想象一下,某个场景中的每个细节都要画出来。我们用的画笔多种多样,从最精细的画笔,到相当粗调的。首先我们选择场景中,最远的对象的某个点。调制一下颜料,来表现这个点的颜色和亮度。然后我们取 1/100 克重的颜料,均匀地蘸到笔刷上——总之就是极少量。
因为我们是在模拟摄影,镜头会对焦到画面中的某个对象。那么我们选择的首个笔刷,大约是 1/4 英寸直径——这个尺寸通常是较远的光点在画面中呈现的弥散圆尺寸。将这枚笔刷放到画布上方,精准定位到场景远处对象所在位置。将笔刷轻轻点到画布上,1/4 英寸直径晕染的圆就出现在了画布上。然后我们将这个操作重复再重复,逐一进行。
首先是远处的这些细节,然后渐渐转到越来越近位置的细节,随着这种方式的画画持续,我们用的笔刷也越来越细。当进行到焦点位置的对象时(比如说某个人),用极细的笔触即可,也用同样 0.01g 的颜料量。再然后就是画近处(前景)的对象了,用的画笔则又开始逐渐越来越大。
整个画作过程中,我们是一点一点地画的;只有笔刷的尺寸,以及颜料的颜色在换。如果全过程都采用固定的极细笔触,那么就能画出整幅画都很锐利、细节丰富的图了。不过因为我们选择了各种尺寸的笔刷,所以背景对象,以及很近的近景就会显得比较模糊——这就跟相机拍的照片一样。
相机的工作过程,与前面所述的这种画画方式(采用各种尺寸的圆形笔刷)很相似。相机能够根据画面中对象所在的位置、对焦点的位置,以及镜头光圈,来选择笔刷的尺寸。随后相机就能完成一整副画了。而光的量,则与画作中每处细节一致,弥散圆尺寸也对应于每处细节。
画作中虚化的质量,是由笔刷设置决定的:也就是镜头的弥散圆特性、其光圈以及焦外离得有多远。

图 2,上面这张图是采用三角形的光阑-即光圈,从画面中其实很容易看出来。观察前景高光位置朝下的三角形,以及背景中朝上的三角形。这种弥散圆(弥散三角...)看起来其实很不自然,但实际上这张照片可是 100% 纯天然的。这个例子也表明,不应该采用三角形的光圈。
要理解虚化,我们需要简单地来了解一下弥散圆。
理想情况下,一枚镜头呈现的弥散圆应该是亮度一致的,且形状与光圈形状一致。弥散圆的尺寸(直径)取决于胶片与画面中的对焦点所在位置有多远。图 1 呈现了这一原则,不过那张图中的光圈是三角形的。像这样三角形的光圈,那就不是弥散圆了,而是“弥散三角”。
图 2 呈现的照片,用的就是三角形光阑(光圈)的镜头。注意其中焦外的高光区域,看起来就是三角形的。在这一例中,靠近相机的高光(焦平面前方)表现为向下的三角形,而背景位置(焦平面后方)的高光就是方向向上的三角形。(在此例中,镜头中的光圈本身是方向朝上的三角形)
所以,虚化很大程度取决于光圈的形状。应该较大程度地避免采用三角形光圈。

图 3,上图是黑底白图测试图案,可用于理解光圈形状对于焦外的影响

图 4,方向朝上的三角形为光圈的镜头,胶片与镜头很靠近的情况下,拍下的照片
(译者注:图 4 和图 3 貌似并不是同一张测试图)
我尝试拍摄图 3 的测试图案,其中包含了各种形状,且以故意将这些图案放到焦外。图 4 则展示了三角形光圈拍下的其中一张样张。注意右上角焦外的三角形图案:与“弥散三角”本身朝向方向一致的那个三角形,呈现得比较锐利,虽然整体亮度不均匀。
而图 4 右上角朝向方向相反的那个三角形图案,看起来就比较有趣了。整体看起来这是个六边形,而且有三条比较明显的亮线贯穿。实际上这三条亮线并不真正存在于原图案中,这只是视觉错误。
(译者注:在我翻译的另一篇文章中有提到过这种视觉错误:《聊聊照片的背景虚化,和二线性!》)
图 5 放大了这两个图案,注意这个三角形靠近下方位置多加了一条白线,下方的曲线则是该白线所在不同位置的亮度变化。这条亮度曲线并没有在某处发生陡升或陡降,其实也能够说明视觉上的那几条“亮线”并不真正存在,只是我们的错觉。
这个错觉也表明,虚化的细节呈现不仅关乎光学特性,也一定程度和“生理效应”有关(原用词是 physiological effects,我想此处表达的意思就是虚化表现,其实和我们的眼睛特性也有关)。虽然可能是错觉,但对人眼而言,起码看起来是存在的——这种错觉也就实实在在地影响到了画面的呈现,即便它们事实上并不真实存在。

图 5,这是图 4 的一部分。下面那个六边形图案看起来有三条亮线贯穿。图案靠近下方的位置,人为添加了一条白线,用于作为下面亮度曲线的采样位置。亮度曲线在最下面,这条曲线表明图片仅有亮度的渐进式变化,以及一个稳定区。并不存在能够反映错觉中“贯穿图案亮线”的尖峰位置。所以三条亮线只是错觉。
图 4 还出现了另一个现象,某个形状图案如果其边,与镜头光圈的边(此处应该是指三角形光圈的三边)方向一致,则图案更能分辨得清。图 4 中可以看到,画面下方的扇形条纹图案,水平方向的线条,以及与水平方向呈大约 30° 角的线条都能分辨得清,而其他角度的线就不大能够分辨了。所以镜头光圈的理想形状应该是什么样呢?这就取决于拍摄对象本身了。完美的圆形,可能是我们能够采用的比较折中的选择:它在所有角度都会表现出一定程度的伪分辨率。不过圆形光圈不会存在太大的偏向。
(译者注:spurious resolution,伪分辨率,这其实是个挺反直觉的概念。比如像下面这种典型的放射状分辨率测试图案,越往中心位置每毫米线对数量越多。将其故意放到焦外拍摄,整体画面虚化。从拍摄结果来看,从外围到中心,原本每毫米线对稳定增加,但随后线对分辨率会降至 0,随后又增加了,但在逐渐增加一段过后又降至 0。

放大图片可见,中心位置最密集的线对其实都可以分辨得出,即便这些线条的密度程度,本身可能比失焦后的弥散圆尺寸还要小。这是题外话了,不再做扩展。来源:DPReview
不过摄影师通常也都知道,不同镜头设计,也会带来不同的虚化特性,即便光圈形状相似也是如此。以 Leitz 35/2 Summicron 为例,这枚镜头一直被人们认为有比较好的虚化表现;还有一些镜头设计经常被说存在“二线性”,或者其他形式的虚化表现不佳。其区别在哪儿呢?
拍摄图 2 和图 4 这两张照片所用的镜头(150/6.3 Rodenstock Geronar)在虚化表现上就相当中性。弥散圆(从毛玻璃取景屏上)看起来就是简单的一致亮度的形状(从后方照亮一个小针孔,在画面中令其处于焦外),外圈可能会有不是很明显的、较亮的勾边。无论是在对焦点之前还是之后,弥散圆都基本上一样。那一圈亮边,我感觉有可能是视觉错误。虽说这种亮边可能是菲涅尔衍射造成的,不过如果的确如此的话,应该会看到有色光晕才对。而这张图上的亮边基本就是白色的。

图 6,这几张小针孔影像,是采用 Rodenstock Imagon 镜头拍摄,在四种不同距离下的弥散圆。从左到右,分别是影像位于焦平面前方 4cm、焦平面前方 2cm、焦平面内,以及焦平面后方 2cm。影像下方展示的是这些弥散圆从左到右(直径)的亮度变化曲线。
我测试的比较反常的镜头是 Rodenstock Imagon。图 6 展示了几个弥散圆,分别是在距离镜头不同位置下拍摄的。在焦平面前方的弥散圆,会出现周围的一圈亮边。弥散圆的实际尺寸也比预期得更小——当然这一点需要经过仔细测量才会发现。而在焦平面后方的弥散圆,则出现了相反的情况。弥散圆中心位置比较亮,且弥散圆的整体尺寸也比预期(原应有的)尺寸更大。这是由球面像差造成的。镜头光圈外围的光,对焦距离比应有的镜头焦距更近。
Imagon 镜头有相当特殊的滤光镜(水槽滤网式...原文是 sink-strainer),将这种滤光镜放到镜头前方,光圈外围的这种光线收敛会更为明显。图 7 就有所表现。左侧我们能够看到这种独特的水槽滤网式的图案。而第二张图,两排小孔已经聚合成了一排。图 8 则对这两个图案进行了放大。图 7 最右边的影像展现的是,“水槽滤网”小孔在画面中形成的点呈现出了放射状。

图 7,这张图是 Imagon 镜头加上其滤光镜之后,拍下的弥散圆

图 8,放大图 7 的前两个弥散圆。注意围绕中心的两圈圆点,右边那张影像的两圈已经汇聚成了一圈,这也是球面像差存在的证据。(这些影像中出现的条纹,可能是镜头被手指弄脏所致)
(译者注:罗敦斯特 Imagon 所谓的“可控柔焦镜头”,带有一组特殊的滤光镜,不止一种。原文称其为水槽滤网,其实也可以说是花洒或者莲藕,或者蓬蓬乳嘛......

通过不同数量、不同规格的这种小孔,就能达成所谓的柔光效果。画面中高光部分因此会有一种晕开的感觉。)

图 9,上面这些弥散圆,则是用 Nikkor-W 镜头拍摄的,同样是不同距离下的小针孔影像。影像下方的亮度曲线表明,焦平面后方的影像会表现出亮边,而靠近镜头侧(即焦平面前方)的弥散圆亮度曲线,两侧就没有尖峰,也就是说焦外影像就比较柔和。
图 9 展示的是 Nikkor-W 180/5.6 镜头所摄的一组弥散圆。相比 Imagon,其带“亮边”的弥散圆出现在焦平面的另一侧。我觉得,这应该是球差修正过度所致。
这种“亮边”效应,也被认为是虚化表现不好,甚至是“二线性”。带亮边的弥散圆,会让场景中的焦外区域出现某种程度的细节,甚至可能会有重影。其实带这种亮边特性弥散圆最典型的,就是折返镜头了。图 10 由 Kevin Hawk 拍摄,背景焦外就有独特的重影。
而中心位置更亮的弥散圆,则出现在 35/2 Summicron 镜头上,焦点前后方的弥散圆都如此。我觉得,只要弥散圆中心不是太亮,那么这种弥散圆应该能够表现出比较讨喜的焦外影像。如果中心较亮的区域所占尺寸太小,则影像焦外区域又有可能出现一些细节信息,虽然这种情况下是不会出现重影的。
需要注意的是,很多镜头在所有情况下,都不会表现出“好的虚化”或者“坏的虚化”。Imagon 的这种“亮边”现象,藉由水槽滤网式的光圈是可以做到某种程度的控制的。不过即便如此,这种镜头仍然能够对背景(焦平面后方)表现出平滑的焦外虚化。焦外近处(焦平面前方)的对象则可能会表现得相对生硬。而像 180/5.6 Nikkor 这样的镜头,则正好相反,在靠近相机的近处(焦平面前方)表现出更平滑的焦外影像,背景虚化会相对生硬。Summicron 的出色,就在于拍摄主体前后的焦外影像都比较平滑。
(过于)简单地说,一般的球面像差(如 Imagon)能够产生“好的虚化”,而过度修正球差则会导致“坏的虚化”。而且实际上,背景部分的虚化(焦平面后方)更重要一些,也会比前景更令人在意。
镜头呈现出的弥散圆是表现出“亮边”还是“中心部位比较亮”,主要取决于镜头的球差修正情况。而且会随实际所用的光圈,发生变化。此外,也可取决于镜头对于轴外像差(off-axis)的修正(译者注:彗差、像散、场曲、畸变都属于轴外像差;球差属于轴上像差)。在我的测试中,180/5.6 Nikkor 镜头在轴外的亮边现象,会比轴上略严重一点。
另一个观察所得是,为了表现出真正均匀的虚化(中性的虚化表现,即弥散圆亮度均匀),像差一定程度的权衡是有必要的,用于抑制弥散圆的亮边现象,达成理想的一致亮度的圆形。

图 10,这张图和图 2 拍摄的场景一样,不过这次所用的是 180/5.6 Nikkor-W,光圈全开。前景有比较出色的很柔和的高光表现,背景部分的弥散圆略带亮边。

图 11,这张图采用 250 Imagon 镜头拍摄,光圈 H=7.7,将“水槽滤网”式光圈外围的小孔关闭,不过从实际样张来看,仍有一排小孔没有关严实。不过无论如何,样张的前景高光部分会带亮边,而背景的弥散圆则表现出中心位置更亮的特性。
本文最后,我还拍了两张照片。仍是图 2 拍的那三个陶瓷人像。图 10 采用 180/5.6 Nikkor-W 镜头拍摄,图 11 则采用 250 Imagon 镜头拍摄。图 11 中,中间渔夫整体影像比较软,但前景的女士则有比较显著的亮边效果,看起来很不讨喜。作为对比,Nikkor 镜头所摄的前景很柔和,渔夫则非常锐利。
背景男性人像的高亮位置,两张照片整体表现差不多,不过细看还是能够看到 Nikkor 镜头所摄那张会有轻微的亮边现象,而 Imagon 镜头所摄那张的弥散圆中间部分偏亮。另外,女性人像右眼的高光部分,两张照片都只能看到一个半圆。这表明,此处高光位置的光,有着更偏的照射方向,镜头只有下半部分才被照到。
总结一下,相机“作画”会采用一系列的笔刷,笔刷的选择是由光圈形状、镜头设计的像差特点决定的。某些笔刷的边缘会更柔和,这是产生虚化差异的关键所在。
感谢在准备这篇文章过程中,Oren Grad 与 Mike Johnson 给予十分有帮助的探讨。
英文原文:A Technical View of Bokebokeh - Luminous Landscape,转载请注明英文原文、作者,及译者欧阳洋葱

作者: 欧阳洋葱, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3893689.html

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文章评论2条评论)

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自做自受 2021-2-21 18:21

学习了,回头也找可控柔焦镜头来玩玩虚化,有意思!

yzw92 2021-2-21 09:40

谢谢分享!
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