关于曝光的事儿你真的都知道吗？

说完了构图，接下来说曝光。和构图比起来，曝光从方法上要简单很多，因为在这方面可以帮忙。现在的相机都支持自动曝光（当然你要是愿意也可以手动），也就是说让你选择光圈、快门、感光度等参数中间的一个或者几个，而相机自动根据光照环境确定剩下的参数以达到比较准确的曝光结果。如果你一个参数都不想自己选择，也可以用傻瓜模式（大多数卡片机和手机拍照都是这种模式）完全让相机替你决定。因为这个原因，在大多数情况下你不太会被曝光的问题所困扰。但一路傻瓜到底肯定不是有志青年的作风，并且确实存在一些特殊情况是相机的自动测光搞不定的。所以为了让你知其所以然，我想花一点篇幅介绍一下关于曝光的一些基础知识，这不仅有助于你更好地理解曝光这件事本身，也能让你今后的谈吐在菜鸟面前显得更有水准。

为了更好地说明，不妨用几个基本问题的形式来展开。

所谓的曝光（这里单指摄影），就是让光线照射在感光元件上，使其产生一系列的物理化学变化，从而得到一张照片。在胶片相机时代，感光元件就是胶片，而在数码时代，感光元件是数码图像传感器（CCD或者CMOS）。当光线照射到传感器上的某个像素上，就会产生电荷，电荷的多少和该像素所接收到的光线成正比。当曝光结束的时候，相机内部的电子元件会读取整个传感器上所有像素的电荷（电压），并用这些电压的信息来生成照片数据。

这就是一个数码图像传感器的样子，中间绿色的区域是像素，外围是一些电路。这块东西是所有数码相机的核心部件，位于相机机身的中心部位。如果你用的是可换的相机（单反、微单），那么拆下镜头并选择清洁模式就能打开快门看到这块东西：

这里有个很有意思的情况，那就是尽管你用拍的照片都是彩色的，但其实图像传感器并没有表达颜色的功能，而只能输出亮度值。刚才已经解释过，数码相机的图像传感器曝光的时候是把照射到的光线转变为电荷，而电荷的多少只和接收到光线的多少有关，而并不能区分光线的波长（色彩）。所以如果仅仅是一块光秃秃的CCD或者CMOS，那么拍出来的照片都是黑白的。

那么问题来了，为什么你拍出来的照片都是彩色的呢？那是因为在相机制造的时候对图像传感器进行了一定的加工。最常用的加工方式是在每个像素的前面添加一个滤色片，只让该种颜色的光线通过。因为数码图像的三原色是红绿蓝（RGB），因此使用这三种颜色的滤色片分辨遮挡一部分的传感器，让下面的像素只接收到RGB三种色彩中的某一种。具体的结构是这样的：

具体来说，奇数行为RGRGRGRG……这样的顺序，而偶数行为GBGBGBGB……这样的顺序。这里的奇数行和偶数行只是为了叙述方便，其实只要是这两种顺序交替就可以了。这样一来，红色、绿色和蓝色的滤色片所占的数量分别为25%、50%和25%。之所以绿色的最多，是因为人眼对绿色光线最敏感。可以很容易看出，第一行第一列的那个像素可以感知红色，而它下方和右方的那两个像素可以感知绿色，而第二行第二列的那个像素可以感知蓝色……以此类推。

这种结构最初是由柯达公司的一位叫做拜耳的工程师提出的，因此称作拜耳式马赛克结构（Bayer Mosaic Filters）。拜耳结构虽然可以让传感器感知到颜色，却有一个明显的缺点。如果你观察够仔细，应该也已经能从上面的示意图看出来，那就是一个像素其实只能感知三原色中的一种，而无法感知完整的色彩。如果要感知完整的色彩，需要呈田字格排列的四个像素加在一起才行。但如果真的这样弄的话，那么一台2400万象素传感器的数码相机实际上只能输出600万象素的照片。花了2400万象素的银子，买了一台600万象素的相机，怎么想都会觉得有一种被坑的感觉，一般的消费者肯定咽不下这口气，厂家显然也不会干那么实在的事情。

那么怎么办呢？为了能够让每个像素都能产生完整的颜色，就只能把它所没法感知到的那两个颜色给想办法补上去。怎么补？难道靠蒙吗？你还别说，其实差不多就是靠蒙的。因为数码相机的像素非常密集，所以一般的照片相邻像素的颜色差异不会特别大，基于这种假设，可以根据一个像素周围的其他像素所感知到的颜色来推断这个像素所没有感知到的那两种颜色。比如一个红色的像素周围一定范围内必定存在若干是蓝色和绿色的像素，那么根据周围这些蓝绿像素的分布情况，可以计算出这个像素的蓝绿值大概是什么样子。这种计算方式被称为解马赛克（Demosaic）。

任何相机在拍摄时所得到的原始图像数据都是没有经过解马赛克处理的。如果你用JPEG格式拍摄，相机会在机内进行解马赛克处理之后再把图像存储为JPEG格式，而如果用Raw格式拍摄，那么存储下来的照片就是没有经过相机解马赛克处理的单色像素的图像，需要后期用软件做解马赛克。解马赛克并没有通用的算法，所以不同品牌的相机以及后期处理软件所采用的算法可能会不一样，最终产生的图像色彩效果也可能完全不同。

上图粗略地演示了拜耳结构+解马赛克的过程（图片来自维基百科，原作者Anita Martinz）。其中1是原图；2是拜耳结构的图像传感器所感受到的结果；3是经过滤色片过滤之后得到的彩色信息，4是经过解马赛克之后还原的图像。从这里可以看出，拜耳结构最大的缺陷是所有像素的颜色还原都是不真实的，一个像素真正感知到的只有RGB中的一个分量，而另外两种色彩的信息已经被滤色片给挡住了，永远不可能真正得到。因此经过解马赛克所得到的色彩也被称为“伪色”，不仅色彩本身并不是真实的，连同画面的实际分辨率也会受到很大的影响。

正因为如此，某些厂商研发了不同于拜耳结构的其他传感器，其中最著名的大概要数（SIGMA）相机所使用的Foveon X3传感器了。和拜耳结构不同，X3传感器有三层像素重叠在一起，每层上面添加一种颜色的滤色片，感知一种色彩分量。这样一来，三层结构的每个像素就可以获得完整的RGB色彩信息。下面这张官方的宣传图很明白地演示了这种结构：

X3的结构也不是没有缺点，首先是成本昂贵，其次因为最下层的像素光线受到上面两层的遮挡会有一定损失，所以红色还原有时候会有一定的不自然感，再者边缘的像素因为接收到的光线是倾斜的，照到下层的时候会产生一定偏差，也会导致画质下降。因此尽管X3从技术上确实很有特色，却一直没有成为主流。毕竟人民群众大多只在乎花出去的钱能买回来多少像素，却很少会真正在意色彩到底好不好。

说了那么多，似乎有些偏题了，让我们拉回来还是说曝光。

这个问题比较好回答。在相机领域，曝光量只由两个因素决定：光圈和快门速度（我知道有人要说ISO，等一下别急）。

光圈决定了镜头单位时间内进光量的多少，这个在我之前的文章里有过详细分析，这里就不再废话了。

快门速度也很好理解，单位是秒。快门可以理解为是机身内的一个阀门。快门打开的时候光线就能照射到传感器上，而快门关闭的时候就把光线挡在外面。快门的结构并不止一种，目前单反、单电等相机上常用的是焦平面快门，也就是直接挡在传感器前方的一个像百叶窗一样的机械结构。当曝光的时候，这个快门并不是整个打开关闭，而是叶片从上到下运动，让光线从上往下扫过传感器表面。

卡片机、等小型的设备因为体积的关系没法使用这种快门结构，一般都采用电子快门，也就是其实没有任何东西挡在传感器前面，而是通过电子控制方式断开传感器的电源来模拟被挡住的效果。

这样一来，光圈决定单位时间的进光量，快门速度决定光线照射的时间，这两者联合起来就决定了曝光的值。从两者的关系而言，曝光量和光圈大小成正比，和快门速度成反比（快门速度越高曝光时间越短）。

那么，由这两个参数所决定的曝光值自身有没有一个计量单位呢？还真有。这个计量单位就叫做EV（Exposure Value），直接翻译成中文就是曝光值，真是完全没有任何创意……EV定义为：

EV= log2(N^2/t)

其中N是光圈数值（分母），t是快门速度（秒）。根据这个公式可以计算一下：

光圈 = f/1.0，快门速度 = 1秒时的曝光值为：log2(12/1) = 0 EV

光圈 = f/2.8，快门速度 =1/1000秒时的曝光值为：log2(2.82/(1/1000))= 13 EV

……

不论光圈和快门如何变化，EV值都可以唯一地表示曝光值。注意，EV值并不能表示真实世界中某个场景的实际亮度，而只是相机参数的组合而已。另外，和曝光相关的还有一个参数，那就是感光度。

感光度是传感器或者胶片对光线的敏感程度。感光度越高，在相同光线的照射下曝光程度也就越高。感光度有一个ISO标准，所以一般就拿这个标准来做单位，比如ISO 100、200、400、800等等。数字每升高一倍，感光度也提高一倍（在摄影界一倍称作一档，无论是光圈快门还是感光度，都用这个称呼。增加一倍称作提高一档，减少一半称作降低一档，知道用这个词证明你脱离了入门小白的层次）。感光度的提高意味着在曝光值相降低的情况下照片也能有相同的亮度。当然了，提高感光度会带来一个副作用，那就是画质降低，噪点增加，以及丢失细节。

到这里和曝光相关的三个参数都齐活了。只要这三个参数确定了，那么照片的曝光也就决定了。上面这张表格里，每一列的三个组合所对应的画面亮度都是完全一样的（在同一个真实场景下）。

这个问题比之前两个要复杂一些。首先从概念上来说，所谓“准确的曝光”可以有两种理解，一种是“艺术上准确的曝光”，另一种是“技术上准确的曝光”。

所谓艺术上准确的曝光，也就是符合摄影师所要表达的效果的曝光，这东西完全没有任何客观标准，全看摄影师自己的口味。当然了，观众们的口味也许完全不一样，所以非常可能出现摄影师对照片自我感觉良好而观众觉得这什么破玩意儿的事情。尽管真正的艺术家是不需要在乎观众的，他们的作品只用来表达自我，观众在他们眼里跟猩猩并没有什么根本区别，你们爱看不看，但对于大部分摄影师，尤其是如果你还处于需要看这文章的程度而言，对观众报以这样的态度肯定是不明智的。不用说那些想靠照片卖钱养家糊口挣外快的，就算是你打算发个论坛或者朋友圈娱乐一下，也不希望自己的照片被人喷得一文不值吧？

所以，尽管“艺术上准确的曝光”听上去很美好，但对大多数人而言“技术上准确的曝光”才是更有意义的东西。幸好技术上准确的曝光有明确的定义，是可以说的清楚的。这个定义出现在国际标准组织的文件ISO 2720:1974，具体来说是一个数学公式：

N^2 / tS = L / K

这里的N和t与之前曝光值公式里的意义一样，分别指光圈数值和快门速度，L是拍摄场景的平均亮度，单位是cd/m^2（坎德拉每平方米，也叫尼特），S是传感器或者胶片的感光度，以ISO为单位。K是一个反射光测光常数，通常取值为12.5。

你要说了，拜托我明明是来看张大妈的，你能不能和我说句人话？好的，翻译成人话大概是说：技术上准确的曝光应当满足：光圈的平方÷快门速度÷ISO感光度 = 场景平均亮度值÷12.5……

如果这听上去仍然不像是一句人话，那么用更简单但不太精确的一种说法可以把这个意思粗略地表达成：所谓技术上准确的曝光，就是让所拍到的照片的平均亮度（所有像素的亮度平均一下） = 中灰色。那么什么叫做中灰色呢？就是反光度为18%的表面所呈现的灰色，在sRGB色域中RGB值为(128, 128, 128)，大概是这种颜色：

为什么准确的曝光就是让画面的平均亮度变成这样子呢？这是一个视觉心理学的问题，你可以认为是相机厂商经过对许多场景的分析和总结得出的，为了不让你的头变得更大，这里就不细说了。

前面说了，曝光是由光圈、快门速度和感光度这三个参数决定的，而技术上准确的曝光又有了明确的数学定义，那么相机在拍摄的时候就可以根据场景的亮度以及你的设定来决定曝光的参数了。对于相机来说，只追求技术上准确的曝光，因为它是机器，机器不懂艺术。

前面说了，技术上准确的曝光应当满足等式“光圈的平方÷快门速度÷ISO感光度 = 场景平均亮度值÷12.5”

在你拍摄的时候，相机内部的测光元件会先测定拍摄场景的平均亮度，这个过程称为“测光”。有了这个之后，其他的参数都可以相应地确定了。如果你已经设置好了ISO和光圈，那么相机只需要计算出相应的快门速度就行了；如果你设置好了ISO和快门速度，那么相机只需要计算光圈。如果你值设定了这三样参数中的一样，甚至完全没有设定，那么相机会根据当时的具体情况（拍摄场景、对焦点等等）智能地帮你设置，但无论如何只要这些参数满足上面的那个等式，就能保证曝光结果在技术正上是确的。

这基本上就是相机自动曝光的原理。不过，有一个问题还没有解决，那就是相机并不清楚你的照片所拍摄的对象或者说主体究竟是什么。这为什么是个问题呢？这是因为当你拍照片的时候，总是希望你的主要拍摄对象能够有准确的曝光，而画面上那些次要的部分是否曝光准确其实并不重要。举个简单的例子：

这张照片是在阳朔拍的水上实景表演《印象刘三姐》。对于这样一张照片而言，拍摄主体是坐在月亮上的那个美女。作为摄影师，我当然希望这部分的曝光是比较准确的，至于背景里的那些黑乎乎的地方，其实完全不在我的关心范围之内。这种情况下，当我用相机进行自动曝光的时候，如果相机测量的是整个场景的平均亮度，那么肯定会把背景那些很暗的地方也考虑在内，从而拉低测量结果，导致曝光值偏高，画面太亮。为了解决这样的问题，相机提供了不同的测光模式。

现在市面上的数码相机大多至少支持三种不同的测光模式，分别是多区测光（或者叫评价测光、矩阵测光等等）、中央重点平均测光和点测光。在比较高端的相机上一般会有一个选择测光模式的按钮或者波轮，比如这样：

而低端的相机可能需要进菜单设置，例如：

基本上来说，这三种测光模式唯一的区别在于测量场景亮度的范围不同。全局测光模式下，相机会测量整个场景的亮度；中央重点平均的测光模式下，测量范围分成两部分，一是画面中心区域，二是其余的部分，并且将这两部分按照一定权重求算术平均值（具体权重每个厂商会有不同的设定，比如中央60%、周围40%）；点测光只对画面中心大约4%的面积进行测量。

由于测量范围不同，对同一个场景的测量结果也很可能不同。一般拍风景之类的照片，大部分情况下用全局测光；中央重点测光则主要用于人像题材，因为人像的重点在人脸；点测光则主要用于一些特殊场合，比如舞台、烛光、月亮等等。在合适的地方用合适的测光方式，能提高曝光的准确率。

最后谈谈这个问题。尽管这并不是拍摄过程中的一个环节，而是在你拍完之后，但还是有意义的。在拍完之后马上就能知道曝光是否准确总好过你懵懵懂懂地把照片拿回家放到电脑上看才发现问题要好，毕竟除了那些错过一次今生不再有的镜头，大多数时候你可以马上调整参数重拍一张。

你要问了，数码相机不都能回放么？我又不是瞎子，难道看不出来？少年，这你就想当然了。屏幕是会骗人的，尤其是相机的屏幕，很多时候都能骗得你直到把片子放上电脑屏幕的那一刻才开始怀疑人生。

那么什么东西不会骗人呢？有，那就是直方图。直方图也叫灰度直方图，是用图表形式展现的对一幅图像上的亮度的统计信息，也是照片曝光准确性最重要的参考工具。在所有的数码相机上都可以显示所拍照片的直方图，具体的操作各不相同，但基本都是在回放状态下按某个按钮。直方图可以整体显示，也可以分RGB通道单独显示。

图中这个红框的部分就是灰度直方图，如果单独拿出来看得更清楚一点，是这个样子（不是同一张图）：

直方图其实是一个二维坐标系，其中横坐标表示亮度，从全黑的0一直到全白的最大值（对于每通道8位深度的JPEG图像而言就是255），纵坐标是对应某个亮度的像素数量。因此直方图事实上就是一个以亮度为标尺，对图像上所有像素的分布统计图。直方图在某一点的高度越高，就表明对应于该亮度的像素数量越多，反之则越少。就比如上面这个直方图中，亮度为64左右的像素数量最多，而亮度接近0的像素数量最少。

那么问题来了，怎样通过直方图来判断照片的曝光是否准确？其实很简单。“技术上”准确的曝光一般都会充分利用相机的宽容度，从而画面上较少有过曝（全白）或者欠曝（全黑）的部分，因此从直方图上来看形态基本分布在中间段，两头的像素比较少。比如上面那个直方图就是典型的曝光比较准确的形态，所对应的照片如下：

额济纳的胡杨林

而如果照片有过曝现象，那么画面整体就会偏亮，或者有相当大的部分会变成接近纯白色，从直方图上来看就是右端会很高，比如下面这张图：

桂林漓江

如果看直方图的话：

可以看到由于大片天空过曝变成接近白色，直方图的右边全都贴上成了一条竖线。

反过来如果照片欠曝，那么整体就会偏暗，或者有大量接近黑色的部分，从直方图上看就是左侧会很高，例如：

湖南张家界

直方图变成了这样：

因为前景欠曝的关系，直方图直接顶到了左边。

不过，这里还是得提醒一句，通过直方图只能看出图片是否在技术上曝光准确，所以即便直方图上看出来有问题，不见得照片的曝光就一定有问题。技术都是为艺术服务的，具体是不是曝光有问题，得看你的拍摄意图。就好比这样一张照片：

巴丹吉林沙漠的晨曦

尽管直方图看上去也怪吓人的，但并不能就此说曝光有问题，因为哥要的就是这个效果。

关于曝光的问题，这一篇就讲那么多。有些部分可能初看上去和实际的拍摄并不是那么紧密相关，但作为背景知识了解一下应该对新手还是有一些帮助的。

下一篇打算说说拍摄套路的问题。敬请期待。