Camera ISO、快门、光圈、曝光这几个概念

转载自知乎：https://www.zhihu.com/question/21427664

种田要知节气，开车要懂离合，任何一样手艺都有行话。虽然我觉得尽量从实际问题说起，尽量不要说的很专业，但有几个词却是谈到摄影无法避开的词，它们是：光圈，快门， 曝光，焦距， ISO，景深。

一、ISO（感光度）与图片质量

ISO -- 感光度，是一个曝光率极高的词，我们在超市买饼干的时候就可能会看见包装袋上写：本公司已通过ISO9001质量体系认证。这个ISO是国际标准组织的缩写，International Organization for Standardization (ISO)。国际标准组织制定饼干管理标准，也制订胶卷的生产标准，所以货架上的胶卷有ISO100，200和400的几种，这就是感光速度不同的胶卷。ISO感光度是CCD/CMOS（或胶卷）对光线的敏感程度。如果 用ISO100的胶卷，相机2秒可以正确曝光的话，同样光线条件下用ISO200的胶卷只需要1秒即可，用ISO400则只要0.5秒。 在数码时代，数码相机的主菜单里都有ISO选择，100，200，400或者800，这和胶卷上的一样。看机型不同，低的到ISO50，最高有到25600的，数字越大越敏感（感光度越高）。        午餐和爱情都流行快餐，什么事都要快点搞，按道理我们应该喜欢高感光度。但世界上没有免费午餐，高ISO虽然速度快但图像颗粒粗，经不起精细放大出图。所以风光摄影要用相机的最低感光度才可得到精细的画面。高ISO一般在万不得已的时候才用。 人在江湖身不由己，万不得已的时候很多，所以高ISO图片质量是数码相机最重要的指标之一。在弱光场合比如昏暗的室内，午夜的街头，ISO100时即使光圈开到最大，快门速度也需1/4秒甚至更慢才能正确曝光，这时不用三脚架是无法把相机端稳的，手一晃照片就糊；就算用三脚架，被摄者一转头照片同样会糊。闪光灯可以救急，但闪灯会破坏现场气氛，人会脸色不自然，而且相机内的小闪光灯有效距离不会超过四米，稍远的人物和景物就无法照亮了。更何况有些地方是不准使用闪光灯的，如博物馆剧院。我们没有办法只有提高数码相机感光度到ISO800甚至1600。        同样是1000万像素的小数码DC和数码单反DSLR，如果都设置在最低感光度来拍摄（例如ISO100或80），假设镜头的素质相同，它们所拍的图片分辨率和图片质量差距不是太大。但如果ISO提高到400来拍摄，图片质量的差别就明显了，DSLR拍出来的图像依然干净，和ISO100时所拍差别不大，而DC的图片质量则下降明显，噪点很大，颜色失真，细节丢失。如果继续提高到ISO800，小数码 DC的图片质量就只能用惨不忍睹四个字来形容了，而数码单反的图片质量虽有下降但依然可以接受。如果进一步提高到ISO1600，大部分数码单反的图片质量也下降得厉害，但依然能满足10寸照片的放大需求，而此时小数码DC的图片质量之差，您需要一颗勇敢的心才敢看。 在像素相等的情况下，CCD/CMOS面积越大，高ISO的成像质量越好。也就是说：在CCD/CMOS面积一定的情况下，里面增加更多的像素反而会造成图像质量的下降。所以现在的数码相机不应该在1000万像素以上再简单增加几百万像素，而应该在提高CCD/CMOS质量上下功夫。降低高感光度（高ISO）噪音水平以及增大曝光宽容度才是当务之急。 800万像素已经足够旅游摄影之需，我们在选择数码相机时就不该只看像素高低，而应该注意相机CCD/CMOS的大小。目前而言，解像度已经足够，该是重点关心图像质量的时候了。

在摄影术最初发明的那些年，拍张照片曝光时间一般都需要好几分钟，大部分照相机是不需要快门的，开始曝光的时候把镜头盖取下，然后看表，五分钟后盖上，照片完成。 后来，胶片的感光速度越来越快（ISO越来越高），曝光时间变为一分钟，几秒钟，1/10秒甚至几百分之一秒，这时候用手取镜头盖就不够快了。我们需要一个能准确控制曝光时间的东西，这个东西就是快门。 快门有机械快门，电子快门，以及电子机械联合快门等很多种类。 定义：快门就是相机里控制曝光时间的装置。 这里顺便介绍一下安全快门速度。在使用135相机拍摄的时候有一个 手持相机拍摄的安全速度原则：安全速度是焦距的倒数，如果使用35mm镜头，快门速度不得低于1/35秒，使用200mm镜头时速度不得低于1/200秒，否则图片就可能糊了。

所有相机都基于小孔成像原理：拿一个密封箱子，在任何一面钻个小圆孔，然后把有孔的这面对着窗外，窗外的景象比如一棵树什么的，就会在圆孔对面的箱内壁生成此树的倒影。假如我们在内壁涂上感光材料（装上胶卷或CCD/CMOS），这个有孔的箱子就是一台完整的照相机了。这就是针孔相机。 既然一台照相机可以不需要镜头，为什么现在的相机前面不是一个小圆孔而是几块玻璃呢？而且这几块玻璃（镜头）还卖得那么贵！这是因为小孔要成像的话，孔必须很小，这也是针孔相机名称的来历。如果孔开得和门一样大，这个孔就成不了像。所以我们没有小门成像一说。孔小进光量就小，所以玩针孔摄影非常锻炼人的耐心，一张照片曝光几分钟到几个小时都常见。而且，由于光的衍射干扰，针孔相机拍的图片都不够清晰，如雾里看花一般。没有人原意花几个小时去拍一张模模糊糊的照片，我们要想办法加大进光量。有什么办法能够把这个小孔开大而又能生成清晰的图像呢？人们马上就想到了凸镜的聚光功能。把玻璃凸镜装到大孔上，问题不就解决了？ 确实如此。相机镜头就是这样诞生的。今天数码相机的各种镜头都是几块凹凸镜的排列组合，然后外面用塑料或铁皮一包。有了镜头，小孔成像的这个孔 – 也就是下文中的光圈 – 就不再是针孔了，它变成了洞。进光量问题解决。但有时候问题又来了：我们并不是任何时候都需要大洞。比如夏日沙滩上烈日当头，四处白花花一片，为了分清到底是人肉还是白沙，我们需要眯着眼睛仔细观察。镜头是照相机的眼睛，这时候相机也需要眯起眼睛。很显然，为了应付不同的光线强度，我们还需要给镜头装上能够调节这个洞的大小的装置，以便在强光时缩小为针孔，弱光时开成大洞。这个装置就是光圈。光圈英文名称为Aperture。一组凹凸镜再加上光圈就诞生了完整的镜头。

定义：光圈就是镜头里调节进光孔大小的装置。

常见的光圈值如下： F1， F1.4， F2， F2.8， F4， F5.6， F8， F11， F16， F22， F32， F44， F64。每两挡相邻光圈值之间进光量相差一倍。例如光圈从F4调整到F2.8，进光量便多一倍；从F2.8到F2又多一倍。也许您已经看出来了，光圈值和光圈实际大小是相反的，进光量最大时光圈为F1，最小时为F64。 对135相机来说大多数镜头的最小光圈

为F22。

 

既然光圈可大可小，那多大的时候镜头的成像质量最好？根据上图，最小光圈F22时光圈跟针孔差不多，数码相机成了针孔相机，前面说过针孔成像好不了；光圈最大的时候小孔又变成了大门，成像也差。所以，根据中华民族传统的中庸之道，请牢记： 镜头在中等光圈的时候成像最好（图片最清晰）。 我们称成像最好的那档光圈为最佳光圈。        如果是135数码单反，中等光圈为F8或F11。小数码DC要看具体机型，如果可选光圈值在F2.5到F8之间，中间的F4.6为最佳光圈。 假如光阴似水，镜头的光圈就是水龙头，它控制着水流（进光量）的大小。 对于镜头我们当然是希望它的光圈越大越好，这就如同家里的水龙头，虽然平时我们刷牙洗脸从不把它开最大，但万一有一天家中失火，我们会立即把龙头拧到最大，并且痛恨当初为什么没有装一个大点的水龙头。一个镜头最大光圈时成像并不好，平时我们一般少用最大光圈；但在特殊弱光又不准使用三脚架的情况下，比如深夜的街头纪实抓拍，我们一定会毫不犹豫地使用最大光圈，并且后悔当初为什么没买一支大光圈镜头。 但大光圈镜头的价钱很贵，重量惊人。比如Canon70-200mm有两个版本，光圈为F4的售价人民币四千元，重700克；光圈为F2.8的那一款售价八千多元，重达1500克。这是因为光圈大一级，镜片就大很多，加工难度大。是否值得为大一级光圈多付出一倍的钱和负重的汗水，这是一个见仁见智的问题。

为了讲清曝光这个词，我们还是回到小孔成像。假设一个黑乎乎的密闭房间，一面墙壁上开了个小圆窗户，窗对面的内壁上安上感光材料（白沥青，大型胶卷或CCD/CMOS）。这就是一台大型房式照相机。在没有打开小窗之前，房间里是黑乎乎的。我们打开小窗，光线从小孔而入，射到对面墙壁的胶卷上，产生光化反应（或光电反应，如果是CCD/CMOS），照片就诞生了。此过程就叫做曝光。要得正确曝光的图片，必须精确决定曝光量。所谓曝光量就是让多少光进入这个密闭房间里。如果进光量太大，照片就会白花花一片，晚上变成了白天。如果进光量太小，照片就会黑乎乎的，白人变成黑人。幸好我们有了光圈和快门两样工具可以一起来控制曝光量。曝光就是光圈和快门的组合。可以这样认为：光圈（值）大小其实就是那个小圆窗户开多大，快门（速度）就是窗户打开多久。假设窗户只打开1/4，时间为4秒钟可以正确曝光的话，很显然，窗户打开一半，时间2秒钟也能让底片正确曝光，因为1/4*4=1/2*2=1，进光量都是一样多。同样的，如果窗户全开，曝光时间就只需要1秒了。 假若一个镜头光圈全开为F4，用摄影行话来说，光圈F4快门速度1秒为正确曝光值，那F5.6和2秒以及F8和4秒也同样能得到准确曝光的图片。 重要结论：一张正确曝光的图片可以有N种不同的光圈和快门速度组合。 总结以上几个名词解释，有三个因素能影响一张图片是否正确曝光：光圈，快门速度，ISO。其中光圈和速度联合决定进光量，ISO决定CCD/CMOS的感光速度。如果进光量不够，我们可以开大光圈或者降低快门速度，还是不够的话就提高ISO。大光圈的缺点是解像度不如中等光圈，快门速度降低则图片可能会糊，提高ISO后图片质量也会下降 。没有完美的方案，如何取舍要灵活决定。

五、测光与测光模式

曝光和测光是一对双胞胎，如果不能准确测定光照强度，正确曝光就无从谈起。1965年以前绝大多数相机都没有机内测光装置，拍照时要另外携带笨重的测光表，或者靠经验来估计光照强度。现在所有的数码相机都内置测光表，它能测量光线的强度，自动给出能正确曝光的光圈和快门速度，大大降低了摄影的技术门槛。相机是如何实现自动测光的？原来每个数码相机里都有一个光敏电阻（不同强度的光线照射时电阻值发生变化），相机内的电脑根据电阻值的变化确定光线强度，进而确定曝光值（光圈，快门）。

测光模式主要有点测光，中央重点测光，区域（平均）测光三种。点测光只测取景框内一个小点的光线强度（此小点大约为取景框面积的10%到1%，看不同机型）。区域（平均）测光则把取景框分为5到63块（看机型不同），分别对每块测光然后再加权平均得到光照强度。中央重点测光是简化的区域（平均）测光，只把取景框分为中央圆圈和四周两块，分别测光，然后加权平均（中央圆圈的权重为70%左右）。根据什么情况来采用不同的测光方式？大多数情况下用区域测光即可。在光线明暗反差很大时应该采用点测光。用区域（平均）测光或中央重点也可以，你可根据自己的艺术创意进行曝光补偿。

六、曝光补偿（exposure compansation）

到底怎样才算是正确曝光？这个问题没有绝对准确的答案。总原则：照片要能真实反映拍摄时的环境亮度。如果一张正午户外的照片被拍得昏暗如夜，这张照片就曝光不足，反之则是曝光过度。曝光是否准确是根据日常生活经验判断的。相机自动确定的曝光值90%以上是正确的，但也有不准的时候，典型的例子是雪景，本来应该雪白刺眼的场景拍出来却是一片灰色；再比如对着一堆煤球拍，本来是纯黑，拍出来却是灰煤。这种失误根源在于相机的反射式测光原理。我们之所以能看见东西，不外乎两种情况：一是物体本身可以发光，比如太阳或灯泡；大多数情况是物体能反射外来光线。反射的光线越多，物体就越亮，反之则越暗。假设两个极端，纯黑色物体不会反射光线，反射率为零，而纯白的物体反射率是100%。在这两个极端之间取中间值就是不黑也不白的灰色，称为柯达灰，也称为18%中间灰。以一张客厅照片为例，客厅墙壁又白又亮，而电视机的大屏幕又黑又暗，窗帘和家具等亮度居中。要以谁的亮度来确定曝光？相机自动测光就是取平均数，最后给出一个让图片达到中间灰的曝光值。相机内部的自动测光电脑是个死脑筋，它认为全世界所有场景的平均亮度都是18%中间灰。好在大部分生活场景都是明暗交织的，平均起来差不多是灰色，所以大多数情况下自动曝光自动测光都相对准确。但在雪景这样的纯白场景（或者煤球等纯黑场景）时，相机依然会给出中间灰效果的曝光值，拍出来就会白雪成灰雪，煤球成灰球。此时我们就要对自动曝光值予以修正，对雪景增加曝光，煤球减少曝光，这样才能拍出亮度和色调正确的照片。修正（增减）曝光值就叫做曝光补偿。

曝光补偿的原则：白加黑减。如果构图中有大片白色物体或者有灯等特别明亮的物体，就要相应增加曝光量（增大光圈or/and减低快门速度）；如果取景框中有大片黑色的物体，则要减少曝光量。 一般来说，在光照比较平均的情况下相机的自动测光和曝光比较准确，但在明暗反差很大时自动曝光往往不准，需要手动暴光补偿。之所以需要曝光补偿，是因为相机的小电脑虽然聪明，但还没有聪明到能判断物体到底是什么，如果有一天电脑能辨别出白雪，茶杯，或者煤球，那也就不用人脑来补偿了。不过就算 相机能认识物体，在进行艺术创作时还是需要曝光补偿，例如我今天心情不好，想故意把明亮的世界拍得灰暗些；又比如我想故意增加曝光量，把一个深色皮肤的妹妹拍得白白的。这些事情相机的电脑永远学不会，因为它不懂我的心，所以我们永远需要补偿。在胶片时代，精确测光和曝光是极其重要的， 负片底片一旦曝光不足，色彩就非常难看；而反转片一旦过曝一档（1EV），其色彩和层次就消失大半，更何况只有在底片冲印后才知道曝光是否准确。在数码时代曝光的问题变得简单了，拍完之后可以立即回放，曝光不准可以马上改，而且如果图片以RAW格式存储的话，其抗过曝/欠曝能力是很强的，只要没有曝成完全没层次的一片纯白，过曝/欠曝一个EV之内的照片都能在后期电脑处理时调正，而且基本不漏痕迹。但过曝/欠曝太多还是不行，如果相差2EV以上，调正后的图片也会很难看。所以掌握曝光补偿白加黑减的原则依然重要。