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《說原理、談教學》淺談 HDR 合成、感光元件、MTF 圖表

作者：無痕之音│2009-10-25 23:13:07│巴幣：2│人氣：11065

文前說明：此篇文章係閱讀自PCADV期刊 61、62、63 及個人心得整理，奉給各位有興趣者分享 ^^

什麼是 HDR？
所謂的 HDR，就是高動態範圍成像技術 (High Dymanic Range)。
動態範圍就是一般相機所能接收到的訊號範圍，一但環境的資訊超過了相機感光元件所能接收的範圍，
我們就可以將之稱為高動態範圍。

●要感受一下高動態範圍相片的驚豔，可以看看底下這幾張圖：
圖片出處：http://www.flickr.com/photos/amundn/sets/72157594146131038/

上面幾張夢幻般的效果就是經過 HDR 高動態範圍處理+後製渲染過的畫面。
為什麼要做 HDR 呢？原因很簡單，因為通常上除非是工業用相機，不然一般平民級 DSLR 相機的動態
範圍相當有限，致使拍出來的相片亮的地方太亮、暗的地方細節不足(過暗)。
這邊就必須運用到 HDR 層層疊合的方式，將不同曝光度(EV─即Exposure Value)、ISO 值的相片加以疊
合，因此產生出動態範圍高出一般 DSLR 相機所能表現的高水準畫面。

理論上光圈越大、快門時間越久，曝光值也越大：請參照表格：

EV	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
光圈	1	1/4	2	2.8	4	5.6	8	11	16	22	32	45
快門	1	1/2	1/4	1/8	1/15	1/30	1/60	1/125	1/250	1/500	1/1000	1/2000

ISO	12	25	50	100	200	400	800	1600
EV	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4

表中的 ISO 即感光程度，所以感光程度越高，自然曝光值也越高，但相對雜訊就會增加(如讀取隨機雜訊等...)。

這邊概略簡單地說明各名詞的涵義：

1.對比：畫面亮度最高情形下黑色和白色的比例，表示值越高對比度越高。
2.反差：畫面中亮部跟暗部的比例，兩者間的差異越大反差越高，視覺效果更強烈，否之則反。
3.色相：也稱色調，即不同波長的光照射下，人眼所接收的顏色，如紅、黃、藍。
4.飽合度：又稱彩度，飽合即白色在一張畫面下所佔的比例，如佔有率低則飽合度高、視覺效果較強烈。
5.亮度：簡而言之就是畫面的亮度，也可以說是光的振幅或量子物理所說的光子密集度，亮度越高，則相對細節較容易突顯出來，但能量也較強烈、過亮也可能使人產生不安、不適的結果。

原則上要做出高動態圖片，無外乎挑高反差(反差越大越好)、飽合度高、各種曝光值 (例如挑 EV-3 EV -1 EV0 EV+1 EV +3 各取一份，利用 DSLR 數位相機的「包圍曝光」功能拍攝)，首先自然要挑好反差大的景色為取景素材，如黃昏、室內室外、太陽光強烈照攝下的物體，盡量避免陰天及晚上等反差小到幾乎分不出的情況下攝影，一般 EV 值取 3~ 5 也就夠了，但最好用固定腳架並連續拍攝同一畫面，效果最好。
PS：光圈跟景深是息息相關的，光圈越大景深越大，景像也越模糊，這是鏡頭成像原理基本。

當取好您要的 HDR 素材照片後，有兩種方式可以完成您的 HDR 作品：
1.用 PHOTOSHOP：
在 Photoshop CS4 要做出 HDR 圖片很簡單，只要選 "檔案"→"自動"→"合併至HDR.."，選好您要疊合的照片，一張 HDR 就完成了。

請見這個 http://blog.xuite.net/miles_su/blog/17407996 網友所做的作品，即 HDR 高動態圖片：
※圖片及文字原作者：Miles の Bolg

晨昏攝影好玩的地方就在他的反差大．色溫奇特，不過這也使得拍攝的難度大增。為了克服過大的亮暗反差，衍生了各種的技巧，黑卡或是回家遊軟體後製，軟體後製又有一種叫HDR的東西，google一下就可以找到一堆教學，一開始是被它特殊的色調吸引，之後發現它可以在我黑卡還沒練到純熟前避免有太多遺憾殺掉太多照片，所以這次又手癢先搞幾張HDR來玩玩。

南科有三大湖，這是其一的霞客湖。南科討厭的是到處都會有電塔入鏡。

為免紅得太暴力了，可惜花瓣被風吹動，HDR疊圖後就挫塞了。
這是南柯北路的路邊。

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不過也請您注意 HDR 也是可以造假的，如帕帕亞浩斯的PHOTOSHOP 教學文。

原圖

完成圖

如圖，您會以為上面那張圖真的是 HDR 疊出來的嗎？

2.用 Photomatix 做 HDR 合成：
這個方法就是利用 Photomatix 多工批次處理，它可以處理好幾份包圍曝光組的圖片。
您可以用它開好幾個 Photomatix 程式，趁睡覺的時候給它跑，早上起來後就完工囉！
相關教學我不多提，照教學做人人都會是 HDR 大師。
1.paul8784 大的教學。
2.MOBILE01 Yogo_tw 大的教學。

Photomatix 各項參數設定說明：
● Strength(S)：代表強度，代表亮部跟暗部的細節程度，越高則細節越多。
●Luminosity(L)：這是亮度，右邊的色彩較為自然。
●Micro-contrast(M-C)：依高手的經驗，這個對比度微調值最好調最大即可。
●Micro-smoothing(M-S)：這是用來微調平滑度，值越高則越像藝術作品，如最上面的那幾張就是。
●White Clipping (W) - Black Clipping(B)：此與第一二項功能接近，白黑的切割對比度，高手一般建議為： 3~4% - 0.02%。
●Light Smoothing(光線平滑度)：新手使用預設值 0 即可，一般人不必動此選項。
●Color Saturation(色彩飽合度)：此參數並不太重要，往右則飽和度越高。

這是 HDR 將失敗照片轉為成功的案例：

[HDR]台灣小瑞士(五)--六十石山忘憂亭．金針花海

參數：S:80%，L:6，M-S:20%，M-C:9，W:3.04% , B:0.02%

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感光元件與動態範圍的關係

這邊主要引自：
[鳥專欄]大，真的比較好：淺談數位相機的感光元件（上）
[鳥專欄]大，真的比較好：淺談數位相機的感光元件（中）
[鳥專欄]大，真的比較好：淺談數位相機的感光元件（下）

為了節省篇幅，太細節的別多提的好，再說時間又不多。
總之該篇要說的不外乎一點：要拍出成像品質高及高動態範圍圖片，解決之道只有一個，感光元件越大越好，真的，這就是不變的真理。

▲各種感光元件的大小比例(此圖引自上面出處)

▲常見數位相機的相素大小(此圖引自上面出處)

為何說感光元件越大越好呢？這是因為我們的 CCD 或 CMOS 均受到先天物理特性的影響，更直接說是PN半導體特性的影響。傳統上P半導體與N半導體結合利用電洞及游離電子的「牆頭草」原理，在施加順向偏壓的情況下，可以成功使一個發光二極體發出光芒，至於要如何使光發出顏色呢？
這就跟能量間隙有關，一般上絕緣體能量間隙寬所以不導電、金屬因能量間隙低所以大部份電子都在導電帶上故能導電，事實上，這世間沒有不導電的東西，只要電壓夠高(如閃電的2E伏特)通通都可以是電導體。

感光元件運作的原理就是利用光子打上半導體後(1.1eV電子伏特)，強制使電子跳脫原來的價電帶，理論上一個光子只能打一個矽的電子(量子物理特性)，可是不同可見光的波長均不同、波長越長的光所帶能量也越低，這也是說光的波長到達一個程度後會因能量不足，而無法打出電子，也就是感光元件將無法感光 (矽原子的能量間隙為1.1eV電子伏特)。

如圖所示(出處)：

不過經過量子物理及工程學上的精密計算後，可以得知矽半導體的可感應最大波長是 1100 (請見上圖)，如此一來所有可見光加部份紅外線都可感受到了，就不用擔心感光元件無法在光子作用下打出電子使之進入導電帶，這就是感光元件感光的原理。

不過問題是，感光是一回事，可是雜訊是一回事，如「暗黑界」(?) 的熱雜訊，它本身不受感光自會脫離價電帶跑入導電帶內，而這就是我們不要的雜訊，這種雜訊，會隨著溫度升高而遞增...
除非是在絕對零度下才會完全消失。
其次就是隨機讀取雜訊、電子線路雜訊、感光雜訊、RESET 雜訊(將半導體施加逆向偏壓，使之成為電容器以儲存電荷的動作所產生) 等等，不過這些雜訊雖多又麻煩，但只要加大感光元件的大小 (這些雜訊基本不會隨大小遞增，就算有，幅度也比 FWC 還要低上許多)，便能在「相對比較之下」使有效訊息保留下來；相反的，感光元件越小，雜訊也不會更少，這樣的最大問題是──影響畫面的品質及增加雜訊佔有整個畫面的比例。

▲像素容量和雜訊(此圖引自上面出處)

※除此之外，就動態範圍，可以直接引用這張表格來看 FWC 和雜訊的比例，來得知動態範圍的倍率：
註：FWC (full well capacity) 有效電荷容量，代表有效電子(電荷) 可以在感光元件的數目，單位是電子。

▲像素大小與FWC(此圖引自上面出處)

從圖中可以看出：FWC/雜訊 = 動態範圍倍率。
這也是說明，感光元件越大，那麼動態範圍也越廣。
總之，感光元件的大小，正是決定這台相機，能擁有多大動態範圍的關鍵。

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MTF 圖表的介紹與觀看說明

什麼是 MTF 圖表？
所謂的 MTF (Modulation Transfer Function) 是測量鏡頭好壞的指標，也是藉由簡單的圖片量化並說明鏡頭的特性和好壞、優劣點。

圖中的是 CANON 的圖表。

三條線各表示 10 lp/mm, 20 lp/mm 和 40 lp/mm 空間頻率、光圈 F8 及全開、28-70 MM 變焦鏡頭測試的結果。這一張的則是Canon 50mm f1.8 II 定焦鏡的 MTF 圖表：

這邊只是概略給大家看看 MTF 圖表的樣子罷了，其實不同廠商的 MTF 圖表不盡相同，
測試的基準也都不一致。
CANON 一般以最大光圈及 F8 光圈拍攝，採用10/30 lp/mm 空間頻率 + S/T 線，因此會達 8 種線條；
Nikon 則採用最大光圈拍攝，採用 10/30 lp/mm 空間頻率 + S/T 線，因此是傳統的 4 種線條；
Zeiss 蔡司鏡頭則會有 6 條...也就是使用 10/20/40 lp/mm 空間頻率 + S/T 線組合。

>>>> 了解 MTF 圖表，先了解它的構成方式和原理 <<<<

1.垂直座標軸─ 代表解像力 (Resolving Power)
有些則是以百分比 (%) 表示，但都是一樣的。
100 代表解像力完美無缺，但這在現實中是很難達到的，線條越高則代表越好。
常見的表示有兩種：
一.0.1、0.2、0.3、0.4、0.5... 1.0
二.10、20、30、40、50...100 (%)

MTF 垂直座標軸解像度優劣判斷大致如下：
＜0.3：poor (劣)
＞ 0.5：sufficient (尚可)
＞ 0.7：good (良好)
> 0.9：superior (優秀)
而至於 MTF 40 lp/mm 數值：則以 > 0.3（劣），> 0.4 即為（尚可），> 0.5 （良好）

2.水平座標軸─代表鏡頭從中心點至邊緣的距離，單位是 MM。
一般上鏡頭中心點解析度及成像品質最好，越往外圈則越差，因此反應在圖表上，線條通常都會往右
隨之下降，甚至到某一 MM 範圍下急據下降的情形，這代表該鏡頭重視高反差及對比，而不注重解像力。

解像力(Resolving Power) 我們可以看成是相機對寬度比例不一的線條，並因遠近而有距離疏密之分的線條的解析程度，如圖：

圖中的弧線是 S 線，又稱徑向線條；子午線即切線，又稱 T 線或 M 線。
圖中的線條疏密程度代表空間頻率，單位為 lp/mm (line pairs per milimeter)
如  10 lp/mm (10 line pairs per milimeter )，表示 1 MM 中有 10 對黑白線條。

這兩條方向線的差異略說：
S 線 (MTF 實線)：弧線 (Sagittal  Line)
T 線 (MTF 虛線)：子午線 (Meridional  Line)

其實 Zeiss 訂定鏡頭測試標準時，就規範了 10、20、40 lp/mm 三種空間頻率；
他的理由為一般照片大小為 5x7 英吋，也就是底片 36*24mm 放大五倍；
至於 40~50 lp/mm 的空間頻率實在太高了，不過在目前像機水準越來越高的情況下，
往後會成為標準之一也說不定。

所以在閱讀 MTF 時，10 lp/mm 空間頻率是最重要的，它代表近焦時的解像力；
10 lp/mm 表示一般情況下 (照片大小 5x7 inches 以內)，照片的整體對比及解析度。
40 lp/mm 表示高細節及高品質的放大能力，細節愈佳代表解像力愈好。

但這邊首先要釐清一個觀念，那就是對比、銳利度、解像力的差異及觀查方式：
(參考此文：http://stevenlins.blogspot.com/2008/11/mtf.html)
1.對比度：人眼一般 10 LP/MM 下對比 20% 以上，是閱讀書信可辨識的細節，與解像力無直接關聯。
如圖說明：

這張圖概略表示出反差對比及解像力的關係，最中央是原始圖像該有的表現；
最上面那條解像力夠、反差及對比尚可，雖然在左邊及右邊能分辨線條位置但黑白交界有些模糊；
(所謂的對比度，就是代表該像素的色階表現層次，因此與解像力是完全不一樣的)
第二條是最差的！在高空間頻率下(右邊) 解像力嚴重不足，但對比度與第一條完全相同：
最後一條比第二條好一點點，左邊表示對比較高，但解像力表現不行。

2.銳利度：代表高空間頻率下還能保有高度的對比
(10 lp/mm 空間頻率的 MTF 值 >0.6 且 40 lp/mm 空間頻率的 MTF 值 >0.4)
總之來說低空間頻率主要看的是反差(對比)，高空間頻率看的是解像力。

我想說到這邊一定許多人還是不懂，沒關係，包括我在內也不是很了解兩者間的區別。

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++=

所以我簡單列幾張圖表說明，以實例來看容易了解的多：
1.高解析度、高對比、高解像力鏡頭：

分析該 MTF 圖表，可以看出在10 LP/MM 低空間頻率(最上方線條)及 30 LP/MM 空間頻率下(最下方線條)，不論是中央還是邊緣的表現均可圈可點，難以挑惕。

2.這個鏡頭不論是低空間頻率表現的對比度及反差、高空間頻率下的解析表現均十分優秀，有些可惜的是30 LP/MM 在邊緣焦段下降幅度過陡，這時只能將畫面盡量朝中央避免曝露太多缺點。

(圖片出處：http://www.buywoo.com/Alfie/blog_topic_view.html?bID=454)
圖中黑色線代表光圈全開、藍線是F8 光圈，實線就是代表 S 線、虛線就是切線 (T線或子午線 M)。
這個鏡頭是 CANON 官網上的其中一張，但是哪種鏡頭個人就不清楚了。

※特別提醒：
文前有說明光圈跟景深是息息相關的，所以光圈越大景深就深，那麼成像就越模糊，所以通常解像力會較差，反應在 MTF 圖上就是黑線(以CANON為例) 比藍線低的情況。

這邊您要注意的是實線和虛線，兩條線越密合接近代表散景表現越漂亮，要是相差越遠則散景嚴重，會影響成像表現，使的鏡頭表現模糊 (總之就經驗好手來說不外乎：像素不連續、有斷裂現象、成像偏軟、二線性散景...，都是說散景的表現差強人意，或不盡理想等)。

補充 (誇張的解像力和對比鏡頭 ─ Canon 300mm F2.8 IS)：

2.高對比度、低解像力鏡頭：
Canon EF 70-200mm f4.0L USM (出處)

如右邊 200 MM 鏡頭的圖，低空間頻率下反差對比優異、但在下方的高空間頻率下滑的幅度驚人，這代表該鏡頭注重的是高對比度，較不重視高解像，且實虛線相差大使的散景表現不是很好。
所以面對這樣的鏡頭，就是把光圈縮小、對焦鏡頭靠中央，較不會遇到散景問題。

3.好壞鏡頭比一比， MTF 圖表現真形 (出處 MOBILE01 網友的回覆)：

AF50/1.8D

AF50/1.4D

這兩張圖表說明的是這兩種鏡頭是~~地雷吧 (笑)~~，都是賣的比小光圈貴但很糟糕的那種。
低空間頻率下的對比不行，高空間頻率的解像力也是...
(紅線是 10 LP/MM、藍線是 30 LP/MM，若 MTF 實線有兩條，只要看特別低的那條就好啦)

這兩個是怪物對照組：

AF300/4G

AF300/2.8GVR

鏡頭好壞不須贅言了吧...好壞立判。

參考 ─ 日本官網的 AF-S NIKKOR 400mm F2.8E ED VRのMTF性能曲線図：
http://www.nikon-image.com/products/lens/nikkor/af-s_nikkor_400mm_f28e_fl_ed_vr/spec.html

4.廣角鏡與望遠鏡的 MTF 圖比較 (出處連結)：

廣角鏡的 MTF 有一個明顯的特色，那就是在超過中心點 (15MM) 後的線條下降幅度大且陡。
如圖中的 Sigma 17-35mm F2.8-4 EX DG ASPHERICAL HSM 廣角鏡，左圖是 17mm 廣角鏡的 MTF，
右圖則是望遠鏡 35mm 的 MTF。

不過鏡頭 MTF 僅是量化參考的基準，它不代表鏡頭全部 (重要觀念)
因為 MTF 圖表不能表現出變形、抗耀光、色彩還原度、衍射、球面像差、色差、彗差、像散等問題...
但它確實是攝影好手在觀查鏡頭好壞時，不可或缺的一項重要指標之一。

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結語：
此外相片主要在於情境的表達，而不是光憑鏡頭的好壞來傳遞意涵。
因此 MTF 主要就是讓您藉由看圖觀查它的特性，並在實際用該鏡頭拍照時能避開缺陷，這才是它的價值所在。

[全文完]

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留言共 8 篇留言

納蘭映雪：
純推+專業+不懂...^^"

10-26 09:10

無痕之音：
呵呵，抱歉...
讓妳頭昏了。10-27 00:24

Nanna：
這個 HDR 和 GeForce 6 剛出的時候,
跟GF6當時主推的HDR, 這兩者是一樣的東西嗎??

之前在PCADV看過, 不太了解...

10-26 11:28

無痕之音：
這兩個是不一樣的。
顯卡的 HDR 是次世代(Next generation) 用的「高動態渲染」技術，
詳情請見百科介紹：高動態光照渲染

http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%AB%98%E5%8A%A8%E6%80%81%E5%85%89%E7%85%A7%E6%B8%B2%E6%9F%93

另一個是：高動態範圍成像

http://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%AB%98%E5%8A%A8%E6%80%81%E8%8C%83%E5%9B%B4%E6%88%90%E5%83%8F

這兩者就性質及用途均完全不一樣，後者才是我在談的東西。10-27 00:29

光Guand：
因為我完全看不懂
GP代表我對您的崇拜及加油~

10-30 20:55

無痕之音：
唉...本來想說今天有空補完的，結果又不夠了....Orz.... 明後天應該會補完，很很很抱歉您們 >"<10-31 00:12

林禾：
實用的資訊^^
推+收藏~

10-31 20:41

無痕之音：
謝謝林禾喔 ^^11-02 00:20

===o===：
不要太白目

11-22 00:50

無痕之音：
這件事過了就好囉~ 那位惡意舉報者板務會多加注意。12-02 08:05

蘭字輩：
感謝分享~

05-03 09:07

無痕之音：
感謝推文 ~^^09-11 02:21

洛爾雅忒-弦月：
最近也開始練習HDR，
不過不知道或許是技術不到的關係，
常常調出來的照片看起來並不像是HDR的照片呀...... (淚目

09-11 01:35

無痕之音：
一般用 DSLR [包圍曝光] 再進行合成。
請盡量挑反差特大場景來拍，如中午陽光最烈的時候、
或者黃昏，這時段太陽的光跟周遭景物反差會拉大。
不然就從屋內拍屋外，製造高反差。
請自備三腳架拍，做 EV +2 EV 0 EV -2 三個不同曝光值照片，
再進行合成效果比較好。09-11 02:24

洛爾雅忒-弦月：
我想應該是我在低反差的地方拍攝，
所以即使用HDR之後感覺也不大吧?
所以我想借由今早日初拍幾張來試試看~

09-11 03:07

無痕之音：
做 HDR 需要一點實練技術，多拍幾張就上手了。
由於高動態合成需要數張背景一樣的圖片，所以務必準備三角架連拍數張一樣的場景。09-25 11:45

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