從"等效焦距"到"等效光圈"

2月26日

引言:既然今天@寧思瀟瀟 校長很頭鐵的挑戰了“等效光圈”這個話題,ET就把這篇文章再更新一下吧。

文章比較長,要留言的話,起碼把紅色加粗的文字看完。

★等效焦距★

等效焦距的本質是“視角”,它讓不同畫幅相機可以有統一的“焦距-視角”概念。比如:我們只需要知道50mm或等效50mm是標準鏡頭,而不需要刻意去記APS-C上的33mm、M4/3上的25mm、1英寸的18mm是標準鏡頭。

等效焦距是膠片時代就有的概念,但數字成像裝置的蓬勃發展讓更多人知道了“等效焦距”。畢竟,底片的規格是有限的,而數碼相機、手機中使用的CCD/CMOS規格實在太多了……今天說這個裝置上的8mm是標準鏡頭,明天說那個裝置上的65mm是標準鏡頭,估計大家都會崩潰的。

等效焦距 = 物理焦距 × 等效係數,而等效係數則是兩個畫幅對角線長度的比值 —— 我們現在說的“等效焦距”通常是“35mm(或135)等效焦距”。如果你願意的話,當然也可以建立1英寸等效焦距、44×33等效焦距體系……

對於某個規格的影象感測器來說:

(135)等效係數 = 43mm ÷ 對角線長度

(135)等效焦距 = 鏡頭物理焦距 × (135)等效係數

* 43mm即35mm(135)全畫幅的對角線尺寸。

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1/2.3英寸、1英寸、4/3英寸……這些都指影象感測器的對角線長度,且這裡的1英寸是15-18mm —— 對,不是統一的,且不是自然世界中的25.4mm。別問為什麼,問就是歷史遺留問題;問就是,廠商隨便寫的。

絕大多數鏡頭上標的是物理焦距而非等效焦距。所以,要不要乘等效係數只與相機有關。

透視只和拍攝距離有關。相同構圖、相同等效焦距的不同相機,透視是一樣的。

那麼全畫幅的50/1.8鏡頭和APS-C畫幅的50/1.8鏡頭有什麼不同?最本質的差異是後者無法完全覆蓋全畫幅的像場。像場就是鏡頭在焦平面上(優質)成像區域的大小,Dpreview的這張圖會更形象一些。

從

▲虛線框是全畫幅,中間有顏色的部分是APS-C畫幅。

★等效光圈(景深)★

等效焦距相同,全畫幅的F2.8、APS-C的F2.8、M4/3的F2.8、手機的F2.8……它們的效果一樣麼?我們從景深、曝光兩方面來回答這個問題。

影響景深的主要因素是(物理)焦距、光圈和拍攝距離。其中,焦距越長、景深越淺;光圈越大(F值越小)、景深越淺。

比較景深的話,我們可以使用不同畫幅的相機,以相同等效焦距、相同光圈、相同構圖拍攝同一個物件 —— 這也意味著所有相機擁有相同的拍攝距離(不理解的話,把上面那一節再看一遍)。

實際上,我們只需要將相關引數填寫到“景深計算器”裡,就可以快速得到結果:(在上面的條件下)畫幅越大、景深越淺。為什麼?因為畫幅大、等效係數小、物理焦距長。光圈、距離都相同,物理焦距越長則景深越淺。

所以M4/3畫幅的25mm F2在景深效果上無法等效於全畫幅的50mm F2。好吧,這裡省略公式推演過程,直接給大家一個結果:M4/3畫幅的25mm F2在景深效果上等效於全畫幅的50mm F4,也就是光圈、焦距都乘上等效係數。

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▲繼續用Dpreview的樣圖:相同等效焦距、相同構圖,左邊是全畫幅+F1.2鏡頭,右邊是M4/3+F1.2鏡頭,很容易看出背景虛化的效果差別非常大。

從

▲相同等效焦距、相同構圖,左邊是全畫幅+F3.3,右邊是M4/3+F1.6,等效光圈相近,虛化程度基本相同。

TIPS:一些注意事項

以上討論中,景深全部是指光學景深,而不包括任何數字處理。

★等效光圈(曝光)★

相當多的網友都已經接受了等效光圈對景深的影響,而爭議點主要集中在曝光上 —— 畢竟,以我們的實際使用來說,相同曝光、相同光圈、相同感光度,不同畫幅相機的快門速度是基本一樣的。

在曝光的三要素:光圈、快門速度、感光度中,實際上只有快門速度是一個絕對值。光圈本身就是物理焦距與通光孔徑的比值,而不同畫幅裝置的感光度也沒有橫向對比意義 —— 全畫幅的ISO 1600、M4/3的ISO 1600、手機的ISO 1600,影象中的噪點程度是不一樣的。

可能有人會說,我用全畫幅相機在ISO 1600下拍一張照片,然後把全畫幅相機切換到APS-C畫幅模式,以同樣的構圖再用ISO 1600拍一張。既然是同一臺相機(同樣的影象感測器)、同樣的感光度,這畫質總該是一樣的吧?抱歉,並不是。

以索尼α7RIV為例,全畫幅是約6000萬畫素、APS-C畫幅是約2600萬畫素。如果你要進行比較的話,需要將全畫幅6000萬畫素照片在後期軟體裡縮小至2600萬,再與APS-C畫幅拍攝的照片進行比較。高畫素縮小至低畫素肯定比直接用低畫素拍攝的畫質好,這也是很多廠商所宣傳的“超取樣”。

影象感測器的信噪比取決於它能接收到多少光線 —— 相同環境亮度、相同快門、相同F值,影象感測器的尺寸越大、接收到的光線越多、信噪比就越高。如果你認同在100%看圖時,畫素越大、畫質越好;那就應該接受在全圖看圖時,影象感測器的尺寸越大、畫質越好 —— 因為本質上都是能接收到多少光線。

無論是通過公式推導還是實際拍攝,我們最後可以得到一個結論:相同曝光、相同等效光圈、相同快門,不同畫幅相機的噪點水平是基本相當的。這裡,等效光圈的計算與前面一節相同,即等效光圈= F值×等效係數。

既然對於景深和曝光的影響都可以被證明,所以我們認為等效光圈是存在的。

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有朋友說沒看懂《買齊一套F0.95鏡頭需要多少錢?》一文中“相同快門速度下,全畫幅相機搭配F1.9鏡頭需要ISO-800感光度,那麼M4/3相機搭配F0.95鏡頭就需要ISO200感光度”這個例子,這句話想表達的是

① 全畫幅的ISO 800在噪點上與M4/3相機的ISO 200是基本相同的,而這個差距近似於影象感測器面積的比例。

② 不要因為小畫幅在相同F值下景深大、快門高,就認為小畫幅更適合靜物、微距等題材。全畫幅在相同景深(等效光圈相同)、相同快門時,雖然感光度數值高,但噪點水平是和小畫幅基本一樣的。

從

▲還是Dpreview的樣圖。考慮到上傳後會因為壓縮原因降低辨識度,所以這裡只是想說確實有人做了實際拍攝的驗證。

TIPS:一些注意事項

M4/3畫幅的等效係數是2.0x,它的影象感測器尺寸是全畫幅的1/4(等效係數是對角線長度的比值,面積是長度的平方)。

在以上討論中,“鏡頭”均為理想鏡頭,即T值等於F值。實際上,所有討論曝光和信噪比的時候,都應該選取鏡頭的T值,也就是傳遞光圈。

在以上討論中,“影象感測器”均為理想影象感測器,或者說技術水平相當的影象感測器。

在以上討論中,噪聲、信噪比均指“散粒噪聲”,暫時忽略了熱噪聲、讀取噪聲等其他因素。

以上討論僅限定拍照,對於視訊拍攝的話,還要考慮取樣方式等因素。

★意義是什麼?★

如同一個網友的留言:光圈和焦距是一體兩面不可分割的。很高興,他能有這樣的認知;很遺憾,他用這句話是來反駁我的“等效光圈”觀點。

既然光圈和焦距是不可分割的,我們為什麼總在等效其中一個數值?說到底,因為等效焦距會讓你覺得自己賺到了,而如果考慮上等效光圈,就會發現其實什麼也沒賺到。

因為ET家經常包餃子,所以ET很喜歡用揉麵這個事情來舉例子:一坨面,你可以把它揉長了,也能把它擀薄了;但如果想讓它又長又粗,那就只能吹了。

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最後的最後:ET提倡等效光圈只是想讓大家擁有一個比較不同畫幅相機系統的尺子,並不是要攻擊誰、打壓誰。 為什麼每次都拿M4/3舉例子?咳咳,因為M4/3的等效係數剛好是2.0倍。其他常見畫幅不是0.78倍、1.5倍、1.6倍就是2.7倍……計算後的數字一串小數點,費時費力還不直觀。

—— 正文完 ——

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