動態範圍與高光過曝

在網路上常常遇到這樣的問題―「我的相機動態範圍好像不夠，拍風景時很容易過曝，我是不是該換個相機了」,大概是這幾年，開始興起了以感光元件判斷相機畫質的話題，例如CCD色澤比CMOS好，某家生產的感光元件雜訊比的表現更好，或是動態更好，選相機也要選感光元件,就像選冷氣要選壓縮機,選液晶螢幕要選面板，選汽車要選引擎...等，不過這些議題卻很少有人深入的去思考之，諸如上述的問題，真的是換個感光元件或是相機品牌就能解決的嗎?

我們先了解一下什麼是動態範圍，以白話來說，動態範圍就是這個影像所能分辨的最暗與最亮的範圍，在攝影裡，多是以EV這個單位(exposure value)或Stop來表示，例如我們看到一個相機的動態範圍有11EV，每降低一個EV或Stop，曝光量是減為原來的一半，所以曝光值是一個倍增或倍減的函數，我們再查詢一下文獻，一個晴天的戶外，動態範圍約為17EV，人眼約為15EV，一個24bits色階(RGB各8bits)的標準螢幕則為8EV左右(即使有廠商號稱他們有更高的對比)，而大多數的數位相機能紀錄的動態約在10EV到12EV之間，以業界動態範圍最高的紀錄―14EV，其實也遠低於戶外的17EV，因此我們幾乎可以斷定,換個相機，即使感光元件能提供稍好的動態寬容度,對於拍風景過曝這件事其實是無濟於事，或者說，這個問題其實跟動態範圍一點關係也沒有，而是與高光處理有關，也就是如何處理過曝區域。

一般人拍照時，往往忽略了畫面中最重要的區域，就是任何潛在的過曝區，這也可以說，是因為大眾對攝影與動態範圍的誤解，才會將這個問題訴諸於相機硬體的性能，如果我們了解到，其實不管換什麼元件，現今的攝影器材以及最終輸出影像媒體的動態寬容度仍是遠遠不足時，就會放棄用器材來克服這個問題，因為那是辦不到的，一個對攝影有正確認知的人，會注意並主動去處理高光過曝的問題，在構圖時會同時注意背景潛在的過曝區域並試著去避開它(或利用它)，如果無法避開，則他必須在保留主題曝光的正確，犧牲過曝區域，或是將曝光值降低，消除過曝之間取捨。

有關動態範圍，大眾還有一個很深的誤解，感光元件所能提供的動態範圍並不等於最後影像的動態範圍，無論相機對影像進行了多少處理，只有最後的成像才是最重要的，換句話說，感光元件的動態寬容度，只能為最後的影像提供20%的助力，剩下的80%完全取決於測光與曝光值的選擇。這樣說大家可能會嚇一跳，但是原理不難理解， 我們回到先前高光處理的議題，由於曝光值每降低1EV，曝光量減為原來的一半，因此可以明瞭，在最亮的區域到降低1EV之間的區域能儲存的色階是最多的，佔了總色階數的一半，以12bits色階來比喻，共4096色階，而這個區域可以儲存2048色階，隨著降低EV，色階降為1024，512，256，...以此類推，因此一個測光不良的照片，會大大的降低照片的動態，如果使用者真的很關心照片的畫質(而非相機能提供的理想畫質)，則應該要專注在測光這個工作上，一個高寬容度的感光元件，並不能真正讓照片的動態範圍增加，就算看起來真的增加了，也是歸功於測光作業(無論是自動或是人為)，而非感光元件。

相機的動態看起來變好了，竟然是因為測光使然，其實照片的動態並沒有增加，而是高光的區域變得不容易過曝了，因此讓人有動態變好的錯覺，如果您仔細去檢查暗部，會發現其實暗部喪失的資訊更多，整個計算起來動態其實有減無增，要避免高光過曝，其實再簡單不過的了，只要在曝光時，利用曝光補償降低EV即可，只是原本是應該由使用者決定曝光的程序，如今變成相機黑盒子作業的一部份，現今許多相機，會將感光元件的ISO值高標，例如在進光量不變的情況下，以高一級的ISO標示，取代真實的ISO，例如感光元件原本是ISO100，將其標示成ISO200，...，ISO1600標示成ISO3200，以此類推。您或許會問，這樣的作法，不是會造成曝光不足(underexposure)的現象嗎?的確，但一方面，也能更有效的降低過曝的機率，只要在影像處理的階段，將影像的亮度提升到正常亮度即可(同時也提升暗部雜訊)，同時，許多測試網站在評比相機的雜訊表現時，並沒有維持進光量的一致，因此為了讓照出來的影像看起來亮度正常，可能不自覺地用了比平常更高的曝光值，這個曝光值取決於進入鏡頭到達感光元件前的光子數目，僅是由光圈與快門控制，因此若單單將光圈快門值抓出來看，會發現這些影像的曝光值其實都高出正常的1EV。只是讀者通常是不會去注意這些細節，也由於這樣的測試，等同於以ISO1600當作ISO3200測試，自然會有亮麗的成績。

由此可知，這種ISO標示偏移的作法，對相機廠商而言是利大於弊，因為相機雜訊測試變好了，由於ISO是高標，連帶的動態看起來也更好(ISO愈低，動態範圍愈高)，同時高光區不容易過曝了，因此造成影像品質大躍進的錯覺，如此神奇的效果，並不是因為感光元件大大的進步，而僅是將真實ISO高標,並利用後製提升影像亮度。

然而以使用者的角度來看，卻是弊大於利，首先，真實情況下，環境光源不能如測試網站一般隨心所欲，因此跟忠實標示ISO的相機比，其實ISO高標的相機是曝光不足的，同時犧牲了影像的訊噪比，因此會發生明明測試網站的ISO測試如此亮眼驚人，但實際使用起來卻感受普普，同時由於曝光不足，這也表示影像的主題容易被放置在色階數較少的區域裡，還記得每降低1EV，色階數會降低一半嗎?因此這表示感光元件的動態其實是被浪費掉大半，不過廠商的考量也可能是，目前感光元件提供的動態其實綽綽有餘(跟JPEG的8EV動態相比)，以浪費動態範圍的代價來降低過曝的機率，其實也無可厚非，但是曝光不足造成的色階浪費卻是不爭的事實,也凸顯了以感光元件當作動態範圍的依據是非常的不可靠的。這樣ISO高標的作法，對於比較依賴相機後製的消費者還是有許多好處，因為他們只要照出的照片不要過曝，看起來OK就好了，更何況，色調的處理更是重要，只是他們沒有察覺到，其實他們的照片的主題紀錄的色階都是偏低的，但是對於使用Raw進行電腦後製，對測光有所要求的高階使用者，這種ISO偏移的作法會引進很大的不確定性，首先，他們會發現手持測光表所測得的光圈快門組合，在拍照當下預覽JPG檔時曝光都正常，然而在Raw後製時竟然總是得到曝光不足的結果，同時，他們也無法判斷，曝光值要設定成多少，才能替主題保留最佳的色階，同時降低暗部雜訊的干擾，前面提到，當影像曝光不足時，利用後製提升影像亮度之後，會連帶的提升暗部雜訊，除非我們了解這台相機的真實ISO與標示ISO之間的差距，才能在測光時做出正確的判斷與轉換，然而每次測光都必須要換算真實的EV，也會讓測光變成惱人的工作。

而忠實標示ISO的相機，測光所得的數據則可靠多了，因此善加利用測光，可以克服感光元件先天動態低(即使只是稍低)而得到色階呈現良好的照片，同時還能避免高光過曝，對於煩惱照片總是過曝的人來說，只要稍稍降低曝光補償，就能大大改善過曝的情形，跟ISO高標的效果如出一轍，只是這個過程更加透明，而使用Raw編輯的人，更是如魚得水，因為曝光結果容易預期，也更容易在拍攝期間拿捏曝光值的選擇，總而言之，使用者還是必須非常了解曝光值與光圈快門的關係，以及高光過曝的處理，不然還是會拍出過曝連連的照片，只是這次我們能更加確定的去處理他們。

大多數人，最後是將照片輸出成JPEG圖檔，或是在螢幕上觀看，無論是前後者，其實動態範圍都只有8bits，也就是約為8EV的動態，遠小於數位相機的感光元件所能紀錄的範圍，因此這裡又有另外一個問題，一個12EV動態的影像要如何塞到8EV動態的JPEG圖檔呢?由於圖檔規格或螢幕先天的限制，勢必在最終輸出時要重新取樣，也就是降低位元，因此整體來說，動態範圍再高的感光元件所得到的JPEG圖檔(無論是相機輸出還是使用Raw檔後製)，還是8bits，不多不少，那麼為什麼在紀錄影像的初期，需要用到12bits，甚至是14bits呢?主要是因為位元數愈多，在後製時寬容度會愈高，例如主題曝光不足時，提升亮度的同時，能夠還原更多的暗部細節，或是降低亮度時，能夠還原更多亮部細節，然而由於8bits能紀錄的資訊就是那麼多，一個12bits的影像要塞進8bits的資料寬度，不是犧牲亮部，就是犧牲暗部，如果要同時保留亮部與暗部，就會壓縮到亮暗之間的色階，容易造成所謂的斷階，即色階不連續現象。針對後者，也可利用HDR技巧重新排列色階來同時凸顯亮部與暗部，只是如此一來會產生高失真影像，中間調的色階幾乎是損失殆盡。

評測網站所測量的動態，如果是以感光元件測試為主，其實是在測量Raw後製時的寬容度，也就是當要改變亮度時，有多少暗部與亮部的雜訊可以還原；如果是以相機輸出的JPG測試為主，則其實是在了解相機的影像處理器將Raw資訊裡的哪些色階塞進8bits的檔案裡。對於所有輸出在螢幕上的JPG圖檔而言，他的動態範圍最大就只有8EV。

總而言之，這一切都跟測光最為密切，也是那些數據與測試所不會提到的，如果我們了解，最終的影像動態只有8EV，就知道感光元件的動態範圍並不能當作最終影像動態的指標，也就是先前提到的，感光元件在最終影像的動態上，只能提供20%的助力，也就是後製時提供更多寬容度，他並不能神奇地超越8bits動態的限制，真正重要的是要把哪些色階納入我們的影像裡，以及儘量避免斷階的情況發生(例如過曝)，這就是測光所要做的工作。

其實看到這邊，大家應該要鬆一口氣才對，因為這再次說明，一個正確的攝影觀念遠比器材重要，要拍出好照片，其實不需要傾家蕩產追求最頂級的配備，在我反覆蒐集與理解這些資訊的同時，深深覺得有時器材本身反而會變成一種障礙也說不定。跨越過這個障礙，才會發現一切箭頭還是指向攝影的本質。