細(xì)說數(shù)碼變焦 

 

 

什么是光學(xué)變焦與數(shù)碼變焦?

讓我們先看一個(gè)最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)問題。下圖是一個(gè)直角三角形，學(xué)過數(shù)學(xué)的朋友都知道，角A的大小是與兩條直角邊a和b有關(guān)的。直角邊a越長(zhǎng)則角A越大，而直角邊b越長(zhǎng)則角A越小。角A可以用反正切函數(shù)計(jì)算出來，即A=arc tg(a/b)。

讓我們?cè)賮砜匆豢聪鄼C(jī)鏡頭成像的示意圖。在圖中我們又看到了上面的那個(gè)熟悉的直角三角形。三角形的b邊在這里就是焦距，而a邊在這里就是成像面（膠片或者CCD、CMOS等）對(duì)角線的一半。而視角就是上面圖中角A的兩倍。

根據(jù)公式，我們可以計(jì)算出常用的成像介質(zhì)在不同視角情況下所對(duì)應(yīng)的焦距如下表。表中藍(lán)底白字的一行是成像介質(zhì)的對(duì)角線長(zhǎng)度。表中也畫出了各相機(jī)的變焦范圍，相機(jī)的文字顏色就可以找到同相顏色線條畫出的變焦范圍。

顯而易見，要改變視角必然有兩種辦法，一種是改變鏡頭的焦距，也就是直角三角形的b邊。用攝影的話來說，這就是光學(xué)變焦。通過改變變焦鏡頭中的各鏡片的相對(duì)位置來改變鏡頭的焦距，從而改變視角。如下圖所示。

另一種就是改變成像面的大小，即成像面的對(duì)角線長(zhǎng)短，這也就是直角三角形的a邊（的兩倍）。在目前的數(shù)碼攝影中，這就叫做數(shù)碼變焦。實(shí)際上數(shù)碼變焦并沒有改變鏡頭的焦距，只是通過改變成像面對(duì)角線的長(zhǎng)度來改變視角，從而產(chǎn)生了“相當(dāng)于”鏡頭焦距變化的效果。如下圖所示。因此，我覺得也許稱其為“數(shù)碼變角”更為適當(dāng)。

在上面的表中，請(qǐng)?zhí)貏e注意Minolta D7和D5兩種相機(jī)的鏡頭是完全一樣的，只是兩者的CCD大小不一樣，造成了兩者的變焦范圍不一樣。仔細(xì)算一下可知兩者正好相差1.25倍。我們也許可以這樣來理解：Minolta D5就相當(dāng)于一直在1.25數(shù)碼變焦?fàn)顟B(tài)下工作的D7。再看一些DSLR相機(jī)，如NikonD1X, CanonEOS 1D等，這些相機(jī)可直接使用FC的鏡頭，不過其焦距數(shù)值要乘上一個(gè)CROP因子。DSLR里的CROP因子和數(shù)碼變焦本質(zhì)雖然一樣，都是一種CROP，但還是有很大區(qū)別的。DSLR的鏡頭和普通SLR一樣, 但DSLR的CCD/CMOS比35mm膠片小, 所以它只能接收到鏡頭進(jìn)來的中間部份光線, 形成所謂的CROP因子。DSLR的CROP因子和數(shù)碼變焦的區(qū)別是: DSLR永遠(yuǎn)使用全部的分辨率.而DC上的數(shù)碼變焦是犧牲了一部分分辨率而實(shí)現(xiàn)的。順便說一下, 不同DSLR有不同因子: Canon D30 x1.6, Canon D60 x1.6, Canon 1D x1.3, Nikon D1 x1.5, Nikon D1x x1.5, Nikon D1h x1.5, 新的DSLR如 Canon 1Ds和Kodak 14N已經(jīng)是全幅的了。

我再把以上各種不同的成像介質(zhì)畫在下面。為了看得清楚，CCD只畫了兩種尺寸。

高像素DC數(shù)碼變焦時(shí)只用CCD一部分，并不進(jìn)行插值運(yùn)算，對(duì)圖像質(zhì)量影響不大。但是，此時(shí)達(dá)不到最高像素值。如Minolta D7相機(jī)有兩倍數(shù)碼變焦，該相機(jī)具有520像素，最高像分辯率是2560X1920。但是有兩部數(shù)碼變焦時(shí)會(huì)自動(dòng)設(shè)定為1280X960的分辯率。實(shí)際上此時(shí)相機(jī)只讓一部分CCD工作，雖然對(duì)圖像沒有進(jìn)行插入算法處理，但此時(shí)，只是一個(gè)120萬(wàn)像素左右的相機(jī)了。再如看FUJI S602相機(jī)有4.4倍數(shù)碼變焦，該相機(jī)具330萬(wàn)像素，并號(hào)稱能輸出600萬(wàn)像素的圖象。但從其指標(biāo)來看，在不用數(shù)碼變焦時(shí)，輸出分辯率為2832X2128，當(dāng)使用1.4倍數(shù)碼變焦時(shí)，分辯率就降到了2048X1536；當(dāng)使用2.2倍數(shù)碼變焦時(shí)，分辯率降到了1280X960，只相當(dāng)于120萬(wàn)像素的相機(jī)。當(dāng)使用4.4倍數(shù)碼變焦時(shí)，分辯率被自動(dòng)降為640X480，只相當(dāng)于一個(gè)30萬(wàn)像素的相機(jī)而已。

在低像素DC的情況下，數(shù)碼變焦時(shí)就要采用插入算法。如果一個(gè)122像素的相機(jī)，最大分辯率為1280X960，如果采4倍數(shù)碼變焦的話，你就面臨著兩種選擇，接受320X240這樣小的照片，或者接受插值運(yùn)算后得到的低質(zhì)量照片。我想接受這兩者中的任何一種都是不愉快的吧。

因此我們可以得出結(jié)論：數(shù)碼變焦是一種偽變焦，是以犧牲分辯率或者像質(zhì)作為代價(jià)的。

 

 

數(shù)碼變焦原理在照片后期加工中的實(shí)際應(yīng)用

那么數(shù)碼變焦是否真的就毫無(wú)用處了呢？難道我們不能利用數(shù)碼變焦的某些原理來為我們的數(shù)碼攝影服務(wù)嗎？

其實(shí)數(shù)碼變焦并不是一個(gè)新的概念，在數(shù)碼相機(jī)還沒有出現(xiàn)之前就已經(jīng)有了。從上面的討論中我們可以看出，從大照片中裁剪實(shí)際上就是數(shù)碼變焦。下面這張照片是在人民廣場(chǎng)噴水池邊拍的。焦距為49.3mm相當(dāng)于35mm相機(jī)的192mm長(zhǎng)焦。拍攝時(shí)是用1600X1200象素拍的，為了文章排版的需要，RESIZE了一下。

下面這張照片是從上面照片中裁剪出來的，裁剪時(shí)取的長(zhǎng)、寬均為原照片的一半，面積為原照片的四分之一。因此是800X600的不必RESIZE就能貼上來。從照片的視角來說，這張照片就相當(dāng)于2X數(shù)碼變焦后拍攝的，也就是等效焦距應(yīng)該為384mm。但是這又與直接用數(shù)碼變焦不同，因?yàn)椴捎脭?shù)碼變的時(shí)，裁出來的部分是居中的。而這張照片是根據(jù)實(shí)際需要裁剪了中間偏右的一部分。對(duì)這種拍攝后回家裁剪加工，我們可以稱其為“外出拍攝，回家變焦”吧！：）

數(shù)碼影象俱樂部論壇里實(shí)際上有不少網(wǎng)友在用這種“外出拍攝，回家變焦”的方法。如Tyrone拍的蝴蝶帖就非常好地利用了這種方法。下面這張PP是拍攝的原圖。

下面的PP是從原圖中裁剪出來的，從兩圖的對(duì)角線長(zhǎng)度來看，相當(dāng)于進(jìn)行了一次2.5倍的數(shù)碼變焦。

我們?cè)賮砜匆淮?，下面的PP是Tyrone拍攝的原圖。

下面的圖從原圖中裁剪出來，相當(dāng)于進(jìn)行了一次4.5倍的數(shù)碼變焦。

 

 

數(shù)碼變焦原理的其他應(yīng)用與總結(jié)

由于數(shù)碼變焦在減小成像面時(shí)是對(duì)稱地向中間縮小的，就會(huì)有一定的局限性。沒有PP裁剪那么自由和方便。在本人發(fā)過的另一文中提到過一種能校正透視畸變的移軸鏡頭。當(dāng)時(shí)并沒有貼出這種鏡頭拍攝的照片?，F(xiàn)在我把照片貼下面。左邊的是用普通鏡頭拍攝的，右邊是用移軸鏡頭拍攝的?？梢詴r(shí)顯地看出左邊的照片有透視畸變。

現(xiàn)在我們?cè)賮砜匆粡堈掌?。這是在人民廣場(chǎng)拍的政府辦公大樓，由于樓較高，相機(jī)采用了仰視拍攝，造成了透視畸變。建筑物的兩邊向中間傾斜了。

讓我們?cè)倏匆粡埻瑯尤【暗恼掌?。在這樣照片中，建筑物的兩邊都是垂直的，并沒有發(fā)生透視畸變。我并沒有昂貴的移軸鏡頭，只是采用了PS中簡(jiǎn)單的裁剪（CROP）功能。

這是裁剪前的原圖，圖中陰影部分就是裁剪下來的圖的大小和位置。由于采用原圖采用了較高的分辯率（2560X1920），使得裁剪下來的部分也有足夠的分辯率（1280X960）。在貼上來之前，我把所有的圖都RESIZE到現(xiàn)實(shí)大小。如此看來，用較高的分辯率拍攝素材，回家再進(jìn)行裁剪加工不失為一種好方法。如上面所示，裁剪完全達(dá)到了與移軸鏡頭相同的效果。我想，我們是不是也可以把這樣的加工稱為“數(shù)碼移軸”呢？

除了上面的“數(shù)碼移軸”，我們還可以利用PS的CROP功能在一定程度上糾正照片的透視畸變。讓我們先看下圖。這也是我在人民廣場(chǎng)拍攝的。由于拍攝時(shí)相機(jī)仰視，產(chǎn)生了相當(dāng)明顯的透視畸變。

現(xiàn)在我們采用PS的CROP功能。但是這次用了梯形的CROP框來裁剪。如下圖所示，只要選中Perspective，CROP框就不限定于矩形了，你就可以任意移動(dòng)CROP框的四個(gè)角。我把CROP框定義成了一個(gè)梯形，并使梯形的腰與透視畸變?cè)斐傻膬A斜角度一致。

然后再雙擊畫面進(jìn)行CROP操作。哇，我們得到了一幅基本上無(wú)透視畸變的圖。PS把傾斜的建筑物拉直了。仔細(xì)觀察還是可以看出右邊燈的形狀有些不對(duì)，但基本上是可以滿意了。



怎么樣，PS夠神奇吧。在壇子里不少朋友在上圖之前都是用PS加工過的，其中一個(gè)很重要的手段就是裁剪（CROP）。因此我認(rèn)為，如果不十分計(jì)較存儲(chǔ)空間的話，還是盡量用相機(jī)的最高分辯率來拍攝為好。我們應(yīng)該一直有這樣的意識(shí)，按下快門并不是攝影創(chuàng)作的結(jié)束，這只取到了素材，還有許多后期加工的事要做。素材越多，加工的余地就越大。這也是我考慮購(gòu)買500萬(wàn)像素級(jí)DC的主要出發(fā)點(diǎn)。

因此，我也想過是不是可以在外出攝影時(shí)只帶一只高質(zhì)量的F1.4標(biāo)頭，拍攝足夠的素材回家加工。除了在某些需要廣角的場(chǎng)合感到力不從心外，只要采用超微粒沖洗和精放，效果還是可以的?，F(xiàn)在用數(shù)碼相機(jī)，后期加工就更方便了。50mm焦距的鏡頭，來一個(gè)兩倍數(shù)碼變焦（實(shí)際上是裁剪），不就相當(dāng)于100mm的中焦鏡頭了嗎？

但是必須注意，數(shù)碼變焦與光學(xué)變焦還有一個(gè)非常重要的區(qū)別，那就是景深不同，產(chǎn)生的最終效果其實(shí)是不同的。由于數(shù)碼變焦時(shí)的鏡頭焦距并沒有發(fā)生變化，只是成像面變小了。就相當(dāng)于從原來拍攝的照片中間裁剪出一部分來。顯然，原照片中清晰和模糊的區(qū)域是既成事實(shí)，決不會(huì)因裁剪一下而變化的。從景深的計(jì)算公式也可知，景深的大小是與焦距有關(guān)的。進(jìn)行數(shù)碼變焦時(shí)，只是由于成像面變小而產(chǎn)生“相當(dāng)于”焦距變大的效果，但是景深計(jì)算還是要采用真正的鏡頭焦距值的。這也就是DC比FC景深大的根本原因。

根據(jù)計(jì)算，鏡頭焦距變化與光圈F數(shù)變化對(duì)景深的影響是成平方關(guān)系的。一支50mm焦距，F(xiàn)1.4的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭與一支100mm焦距（焦距是2X）， F5.6（F數(shù)是4X）的鏡頭的景深效果是一樣的。反過來，如果一支85mm焦距，F(xiàn)1.4的鏡頭產(chǎn)生的景深與50mm的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭相比，則相當(dāng)于是F0.48！這遠(yuǎn)非F1.4的標(biāo)頭可比的。當(dāng)然，85mm焦距，F(xiàn)1.4這樣的鏡頭的價(jià)格昂貴，也遠(yuǎn)非F1.4的標(biāo)頭可比的了。是舍是取，取決于各人的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和發(fā)燒程度。以我來說，肯定是用F1.4的標(biāo)頭進(jìn)行“外出拍攝，回家變焦”的。至于景深，只能在必要時(shí)用PS來加工了。