数码相机的景深--小画幅机器与全幅机的比较

数码相机的景深--小画幅机器与全幅机的比较 看到有不少影友讨论镜头的景深问题，有时再参杂上画幅、像素数量、密度的区别，似乎情况比 较复杂，经常搞不清怎么回事儿，讨论的云山雾绕的。所以想起前几年写的一篇帖子，再重新编辑一 下发在这里。原文为了便于记忆，提到一个“等效光圈”的概念。结果引起许多争议，使得部分影友 感觉难以理解，因此这次编辑删去了相关的提法，但并不影响原文的结论。为了没太多时间读文章的 影友们方便，先把结论写在前边： 若要使小片幅机器得到与全幅机器相同的视角和景深，其镜头焦距要缩小“等效倍率”倍，其光圈 数值也要减小“等效倍率”倍（光圈需要增加“等效倍率”倍）。 例如，一个 50/f1.4的标准镜头配合等效倍率为 1.6的 APS-C机器，相当于焦距和光圈是 80/f2.24 的镜头配合全幅机的拍摄效果。这个光圈只影响景深、焦外成像效果，不影响曝光量。 本人是做技术工作的，对各种技术原理都比较感兴趣，又爱好摄影，所以就认真研究了一下相机 的焦距、光圈、景深之类的参数之间的关系。或许正是因为搞技术的思维习惯的原因，摄影玩儿了有 些年头了，拍片总是没大长进，总觉得入不得门，但一谈起技术方面好像倒经常是一套一套的。好吧， 闲话少说，开始正题。 本人过去玩儿 135 胶片机。第一台数码相机是 02 年买的 Canon G3。看着说明书上：焦距： 7.2-28.8mm(等效于 135 机 35-140mm)；最大光圈 F:2.0-3.0。觉得参数真不错，照人像一定好。只 有点儿奇怪：为什么最小光圈只有 8，而不是一般 135机的 22或更小？能保证照风景所需的景深吗？ 想想看，片幅变了、焦距变了，景深肯定变。但是会怎么变？跟过去的经验有什么关系？搞不清楚。 不管它，先玩儿起来再说。等用 G3 拍了些片子才发现，跟最初的猜想正好相反。照人像时无论光圈 开多大，背景总是不够虚；可拍风景，景深真是不错！看看这张阿姆斯特丹中央火车站的照片，用的 是 f=7.2mm(等效 35mm)，F=2.2，从近处的地面一直到最远处的顶棚和铁轨都是那么清楚。 图（一）阿姆斯特丹中央火车站 (Canon G3 f=7.2mm F=2.2) 看来需要认真了解一下是怎么回事儿了。上网上找找文章，看到有一篇说是同一个镜头，装在全 幅机器上与在 APS-C机器上成像是相同的，APS-C机器只是截取了其中一部分，因此景深是一样的。 见： http://article.xitek.com/showarticle.php?page=4&id=736 下面一段是引自这张帖子 引文： 三、景深与透视关系 由于出现了等效倍率的概念，那么这个等效倍率是否对画面的景深和透视关系也有影响呢？前面 说了：感光器件面积的减小，实际上相当于在全画幅中切割下中央部分。那么对于画面而言：只要拍 摄机位不发生变化，景深和透视关系没有发生变化。比如 EF 85/1.8 USM，安装在 EOS 10D上，等效 于 136/1.8镜头。但是在同样机位使用 [EF 85/1.8 USM + EOS 10D] 和 [EF 135/2L USM + EOS 1Ds] 拍摄，这个 136/1.8的景深和焦外成像依然是 85/1.8的景深和焦外成像效果，并不能等同于 135/2 的景深和焦外成像效果。 归纳如下：等效倍率的出现，除了改变有效视角外，不改变三个主要参数：最大光圈、景深、 透视关系。 引文完。 这说法好像有点儿似是而非，说是 85/1.8不能等效于 135/2好理解，但 85/1.8装在 APS-C机器 上，输出成照片时放大倍数要更大一些，景深效果真的相同吗？看来还得从基本的景深公式出发来思 考。下面结合图（二）来说明： 图（二）景深公式示意图 当物距足够远，超过数倍镜头焦距时，景深公式为(有许多种表达方式，但都是等效的)： S=u.f2/(f2-F.C.u) R=u.f2/(f2+F.C.u) 其中： F：光圈； C：可接受的弥散圆直径； u：准确对焦的物距； f：镜头焦距 S：可清晰成像的最远距离。大于 u。从 u到 S之间的距离又称为后景深 R：可清晰成像的最近距离，小于 u。从 R到 u之间的距离又称为前景深 R到 S之间的距离范围是总的景深。 .：代表乘号。 对于一般镜头，该公式足够准确，但在微距拍摄时将有较大误差。 从几何光学的原理看，只有距离为 u的物体才能在胶片平面上准确对焦，在此距离之外的任何一 个“点”在胶片平面上的成像都会扩展为一个小小的圆盘，称为弥散圆。如果这个弥散圆太大了，就会 模糊成一片而不能清晰成像。这可以用下面的示意图表示。为了更简单明了，我们就不讲镜头的什么 前主面、后主面，简单的当做只有一个主面了。 图中镜头与胶片的距离近似为镜头焦距 f；Pu表示可以准确对焦的物平面，与镜头的距离是 u； Pr是可以清晰成像的最近物平面，与镜头的距离是 R；Ps是可以清晰成像的最远物平面，与镜头距离 是 S。从图上看到，Pu上的一个点发出的光通过镜头孔径后正好聚焦在胶片上形成一个点；Pr上的 一个点发出的光通过镜头孔径后的焦点在胶片后面，在胶片上的成像是一个直径为 C的小圆；Ps上 的一个点发出的光通过镜头孔径后的焦点在胶片前面，然后又散开为一个直径为 C的小圆在胶片上成 像。 在这里所谓“可清晰成像”的含义就是指处于景深范围内的任一个点在胶片上成像的弥散圆直径小 于可接受的 C。 从这个公式看到影响景深的诸因素有镜头焦距、光圈、物体距离和弥散圆直径，好像跟胶片幅度 不相关。这里边焦距、光圈、物体距离这三个影响景深的参数我们都很熟悉了，但对于可接受的弥散 圆直径 C就比较陌生：这个参数该取多大？对最后的成像有何影响？也就是说，一个点弥散到多大可 以认为是清晰的？ 我们无论用什么片幅的机器拍摄，最后总是要放大到相纸上观看(注)。这里我们以 8R照片为例。 8R照片画幅高度是 203毫米(相当于 A4纸那么大)，在正常的 25厘米左右距离上观看时，人眼大约 可以分辨 0.1毫米的细节，就是说达到全幅高度 1000对线的解像度就可以算是“清晰”了。这要求在 底片上同样应该达到 1000对线。对于 135底片，由于底片幅度是 36*24毫米，弥散圆直径就应该小 于 24/1000 = 0.024毫米；对于 APS-C底片，幅度是 22.5*15毫米，所以弥散圆直径应该小于 15/1000 = 0.015毫米。这两个弥散圆直径之比正好等于两种片幅高度之比。也就是对于小片幅的底片，其弥 散圆直径应缩小到“等效倍率”倍。在这里，我们得出一个结论：为了最终的照片“同样清晰”，可接受 的弥散圆直径与“等效倍率”成反比。 我们再回到计算清晰成像距离 S和 R的两个公式上来： S=u.f2/(f2-F.C.u) R=u.f2/(f2+F.C.u) 以 APS-C机器对 135全幅机相比较为例，为了在同一机位拍摄下同样的视角，APS-C机器镜头焦 距 f要缩小与片幅高度相同的比例：24/15 = 1.6倍，两个公式中分子部分缩小了 1.6*1.6 = 2.56倍。 为了结果不变，就要求分母也缩小同样的倍数。再来看看分母中相加减的两项：f2和 F.C.u，其中 f2 项也缩小了 2.56倍，只要 F.C.u也缩小 2.56倍就可以保证景深不变。其中 u是所要拍摄的物距，是 不会变的，C是可接受的弥散圆直径，缩小了 1.6倍。于是，可以设想，如果光圈 F数值也缩小 1.6 倍，也就是光圈大 1.6倍，则视角和景深都保持不变。具体地说，如果一个 APS-C片幅的机器想要得 到与 135机器装一个 f=136，F=2.0镜头相同的视角和景深效果，需要采用焦距为 136/1.6=85；光 圈为 2/1.6=1.25的镜头！另外也可以设想，一个焦距 f=85毫米，光圈 1.8的镜头装在 APS-C机器上， 其视角与景深相当于焦距为 85*1.6=136毫米，光圈为 1.8*1.6=2.88的镜头安装在 135机器上拍摄 的效果。在这里，我们又得到一个结论： 若要使小片幅机器得到与全幅机器相同的视角和景深，其镜头焦距要缩小“等效倍率”倍，其光圈 数值也要减小“等效倍率”倍（光圈需要增加“等效倍率”倍）。 回到上面的引文，如果改写成：“[EF 85/1.8 USM + EOS 10D]的景深与焦外成像效果等同于[EF 136/2.88 + EOS 1Ds]的景深和焦外成像效果。”就更清楚了。 上面讨论的是要想在小片幅的机器上获得与全幅机器相同的视角与景深效果，需要用更短焦距、 更大光圈的镜头。另一个问题就是同一个镜头，用在小片幅机器上景深如何变化（当然视角会变窄）？ 还是从那两个公式出发，这时由于焦距 f，物距 u，光圈 F都不变，只有弥散圆直径 C变小了“等效倍 率”倍。对于 R，分母变小了，因此 R会变大，更接近于 u了；对于 S，分母变大了，因此 S会变小， 同样是更接近 u了。总之是景深范围变小了。要想景深不变，唯有把光圈值加大等效倍率倍。于是再 有一个结论： 同一镜头安装在小片幅机器上想要获得与全幅机器相同的景深，光圈调整值需要加大“等效倍率” 倍（光圈需要减小“等效倍率”倍）。 现在再来看看前面提到的 Canon G3相机的情况。按照说明书，其焦距为 7.2-28.8毫米，相当于 135机器的 35-140毫米，也就是等效倍率约为 5。那么该镜头的光圈 F2.0-3.0相当于 135机器 F10-15。 其最小光圈 F8相当于 135机器上 F40！难怪 G3机器最小光圈只有 8！难怪上面那张用 F2.2拍的照 片景深那么好，因为这时的景深与焦外成像相当于 135机器的 35毫米/F11。 总之就是一句话：小片幅机器需要更大的光圈！这些小型数码相机的“等效光圈”往往实在是太小 了，只能用来拍风景，很难拍出背景虚化漂亮的人像！这也是许多人经常提到，全幅机的焦外成像如 何如何漂亮的原因。这是确有其事的！需要注意的是，这里提到的“等效光圈”只是为了保证相同的景 深与焦外成像效果，并不影响曝光参数的确定。曝光参数还是只需要考虑场景亮度、胶片感光度、光 圈、快门速度。与镜头焦距、相机的片幅无关。 根据上面的分析，我们可以来比较一下全幅机和小片幅机器在成像方面的特点。首先是，对于需 要深度背景虚化的人像照片，小片幅机器很难得到与全幅机相同的结果。例如，如果想用 APSC机得 到 85/1.2L头在全幅机上相同的透视与焦外效果，需要的等效焦距为 85/1.6=53，这倒不难。但看看 光圈，需要 1.2/1.6=0.75！我们找遍历来所有厂家出的各种等级的牛头、狗头、马头之类，总之是找 不到 F0.75的商业产品！(不知道特殊专用产品是否有这样恐怖的东西！)，就算是要一万多元的 50f1.2 牛头，到了 APSC上也就相当于 80f1.9，还不如全幅机配个普通的 85f1.8呢！进 50L牛头多出来的投 资不如进个全幅机身更合算！ 另一方面，在需要大景深的风景片、长焦距的体育、打鸟等应用，APSC在许多方面能够发挥优 势。可以廉价获得更长等效焦距(我这样的最多也就玩儿得起 400f5.6了，上在 50D上等于有了 640f9， 还能自动对焦！要是再有 IS就好了！)！可以用更大的光圈、等效倍率平方分之一的快门速度得到相 同的景深，有利于避免手震，避免高速运动物体模糊等问题。当然，对于要求高清晰度的优质照片， 小片幅机器需要颗粒更细腻的胶片（或是面积更小的 CCD感光单元），这意味着胶片速度更慢或 CCD 需要设置在更低的 ISO速度下以避免噪点太明显。这样，快门速度就又要降下来了。不过，在光线条 件好时，这不是大问题，就算是光线差点儿，现在那么多超强的后期降噪软件也能补偿一些画质损失。 相信用过全幅机和 C幅机的朋友应当有这样的体验：在用全幅机拍风景时，光圈总要放到很小，至少 11以上，有时甚至要 22。但是，用 C幅机的时候往往光圈放在 8，有时甚至 5.6都够用了，很少需 要 11以上。因为，对于 C幅机，11光圈的景深相当于全幅的 17了！ 上面的分析说明： 全幅机在拍摄深度背景虚化的人像方面有明显优势。 APSC机器在拍摄需要大景深的风景片方面基本能做到与全幅机一样好。在拍摄需要长焦距、高 速运动的体育、打鸟等题材时至少在器材成本方面有明显优势。 上面的一堆都是理论分析，实际结果如何还真没机会试过。按我的计算，85/1.2头上在 APSC机 器上效果应当与 135/2.0上在全幅机器上效果基本相同。可惜的是本人除了 APSC机器，另外几样都 没有。真希望那位有齐了以上 4样器材的 DX帮忙验证一下，看看真的是否是这样？先在这里感谢了！ 分析中发现一个现象也是挺有趣的，顺便说说。对于 APSC机器，等效焦距应当乘等效倍率倍(例 如 1.6)，同时光圈也要加大到等效倍率倍(也乘 1.6)才能保证获得相同的景深效果。结果是镜头的通 光孔径不变(通光孔径=焦距/光圈值)！也就是进入机器的总光通量要求是相同的！而镜头的价钱基本 上就要看最前面那片儿玻璃有多大，结果，APSC镜头一点儿也不会因为焦距短了而省钱！当然，如 果并不总是要用最大光圈又另当别论了。 又及： 文中多次提到“弥散圆”这个名词，好像很陌生，其实大多数人都见过了。我们想想那些背景虚化 得很漂亮的照片，远处的一些光点会成为一些虚的圆点或圆环，这就是“弥散圆”啦。只是虚得有点儿 大，变成一些很漂亮的圆点点了。至于不同镜头虚化的是否漂亮，在相同景深条件下很大程度上取决 于光圈是否圆。其实，这些虚化的圆点儿就是光圈孔在成像面的投影，如果光圈譬如说是 6角形的， 投出来的影就是 6角形的，而折返射头由于中央有个反光镜的遮挡，投出的影就像个面包圈。 (注)：文章中是以 8R相片为例来对于可接受的弥散圆直径进行分析。现在多数数码照片是在监 视器上看的，譬如说是分辨率为 1280X960的 UGA监视器。这时照片的分辨率大于 480对线就够了。 对于 135底片，弥散圆直径应小于 24/480 = 0.05毫米；对于 APS-C底片应该小于 15/480 = 0.03125 毫米。当然,如果作品还需要放大、剪裁则需要的弥散圆直径还要减小。如果输出照片尺寸变了，需要 的解像度(线数)也应相应变化。