攝影風云200年

劉宗凡

編者按：現代攝影術始于1829年，至今已有將近200年的歷史。攝影是文明手的手印，是近代文明的一大進步。用心發現身邊的美麗，用光影留住美好的一瞬，攝像就是我們另一雙發現美的眼睛。我們將用兩期篇幅，帶領大家回顧攝影的歷史，盤點現在的主流相機，展望相機未來的發展方向，了解攝影和器材的方方面面，“擦亮”你發現美的“眼睛”。

“世界上并不缺少美，而是缺少發現美的眼睛。”法國著名雕塑家羅丹這句名言，讓我們增添了對生活的許多遐想。大千世界，美不勝收；風情人物，讓人流連忘返。人們長久以來讓時光滯留的夢想，在攝影術發明以后，部分地實現了：“咔嚓”一聲，按一下快門，把時光定格在最美的一刻。從此我們就多了一雙觀察這個世界的“眼睛”。

原理：小孔成像

攝影，被稱為光和影的藝術。攝影術實現的基礎，是小孔成像原理。

兩千四五百年前，墨子和他的學生做出了小孔成像的實驗，解釋了小孔成倒像的原因，并且記錄在《墨經》中：“景。光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在遠近有端，與于光，故景庫內也。”（如圖1）大意是照射在人上部的光線，則成像于下部；而照射在人下部的光線，則成像于上部。于是，直立的人通過針孔成像，投影便成為倒立的。

我們移動中間的紙板，后面的成像大小會隨著改變，清晰度也會改變。這反映了光是沿著直線傳播的性質。

當然，因為小孔進入的光線太少，如果要直接用于攝影是很難將影像保留在感光器件上的，所以我們用一組凸透鏡代替小孔，用于修正光路。至于如何將影像留下來，在現代化學蓬勃發展的背景中，大家不斷嘗試，從銀版法、碘化銀紙到膠片，直到現在用CCD（CMOS）直接保留數字影像，這就是攝影發展200年的歷程。

歷史：攝影大事記

1793年，法國人尼埃普斯及其哥哥Claude已經開始著手研究如何“拍攝”。1826到1827年間，拍下了史上第一張照片——鴿子屋（如圖2）。他用了超過8小時的曝光時間，嘗試了各種感光材料。

1839年8月9日，法國科學院公布了達蓋爾的銀版法攝像術：將一塊涂有感光劑的金屬板通過照相機感光后，再通過藥液的化學作用，直接獲得逼真的影像。達蓋爾的銀版法奠定了攝像發展的基礎，法國科學院的無私公開造福了全人類。一般我們也認為這一天是攝影術的誕生日。用這種方法拍攝出來的照片具有影紋細膩、色調均勻、不易褪色、不能復制等特點。當然銀版法在技術上也有著致命缺陷，只有在特定角度拍攝出的圖像才會比較清晰，沖洗處理中出現的水銀蒸汽有較高的毒性。下頁圖3是達蓋爾于1838年拍攝的巴黎街頭，是第一張有人的照片。將近200年時光流逝，我們還能在照片中感受到科技帶來的感動。

1840年，塔爾伯特在銀版法公布不久，宣布發明了碘化銀紙照相法，也稱為卡羅式攝影法。塔爾伯特的技術是將碘化鉀和硝酸銀制作成一種半透明的紙質負片，然后曝光十幾分鐘，感光的地方出現銀粉末，是黑色的，未感光的地方還是紙的顏色。然后，他再根據負片印制照片。雖然碘化銀照相法的影像質量不如達蓋爾攝影法，但它能用負片反復印制正片，成為我們今天攝影方法的基礎。

早期的感光底片是濕片，拍攝完后要馬上沖洗。1871年，出現了用溴化銀感光材料涂制的干版。1878年，柯達的創始人喬治·伊士曼研發出明膠干板。1885年，伊士曼推出第一卷伊士曼膠卷，使攝影逐漸走入千家萬戶，成為一種大眾藝術和娛樂方式。

1975年，柯達年輕的工程師史蒂夫·撒森將一個孩子與小狗的黑白圖像用CCD傳感器獲取，記錄在盒式音頻磁帶上。這是世界上第一臺數碼相機獲取的第一張數碼照片，影像行業的發展就此改變。但是因為柯達對數碼相機的發展的錯誤判斷，沒有抓住機會大力發展數碼相機技術，第一個發明數碼相機的柯達，卻敗在數碼相機上，于2012年申請了破產保護，令人唏噓。

器材：魚和熊掌的選擇

想拍出這個美妙的世界，首先我們要選擇一部適合自己的相機。不同種類的相機有不同特點，專業相機價格昂貴，家用產品廉價方便，我們可根據自己的實際需要和經濟能力去選擇產品。從感光元件來看，相機可以分為膠片相機和數碼相機；從相機結構來看，相機可以分為單反相機、無反相機、旁軸相機等。

數碼相機從發明到現在，不過短短四十余年，卻因為其快捷、便宜、方便后期處理等優點，如秋風掃落葉般將膠片相機推入歷史的角落。但如同數碼音樂風靡全球，但還是有人苦苦追求黑膠唱片一樣，膠片相機雖然遠離大眾視線，但還是有些人堅守膠片相機的陣地。和數碼照片比，膠片拍出來的照片有很高的寬容度，在高光與陰影方面都保留著相當充足的細節。獨特的膠片顆粒質感、大畫幅攝影的畫質、純機械的操作體驗等，都是數碼相機無法比擬的。

膠片相機現在已經沒有全新的出售了，如果想體驗一下這種“情懷”，只能在二手市場去淘寶。在“文青”匯集的豆瓣推薦的四大神機：佳能AE-1、尼康FM2、美能達X700、奧林巴斯OM1，根據成色只要幾百塊起步，價格適中，操作各有特點，是我們入門時可以重點考慮的機器。當然我們在選擇膠片相機前，就要估算到膠片、沖洗等成本及方便程度，這都是不菲的支出。

下面我們從相機的結構來看看各種相機有什么特點。

1.單反相機

單反相機，是“單鏡頭反光相機”的簡稱，意即相機取景和拍攝是通過同一鏡頭實現的，當取景時，光線（影像）通過鏡頭，投射到45度安放的反光鏡上，折射到機頂的五菱鏡，再通過五菱鏡的兩次折射，投射到取景目鏡（如圖4）。拍攝者即通過目鏡看到了與實物一樣的正立的影像。在拍攝時，攝影者按下快門，反光鏡向上翻起，打開鏡頭通向膠片（或CCD或CMOS）的光通路，反光鏡同時將通向五菱鏡的光路遮擋，防止雜光反向通過目鏡進入相機影響成像。此時光圈收縮到預設值，快門打開，影像記錄介質記錄影像。當快門關閉后，光圈回到最大，反光鏡回位，準備下一次的取景、拍攝。數碼單反和膠片單反的工作原理是一樣的，只是成像的感光器件不同。

和單鏡頭反光相機對應，雙鏡頭反光相機有兩個鏡頭，上下放置，上面的鏡頭一般用來取景，下面的鏡頭用來拍攝。因為沒有安裝五菱鏡，根據小孔成像原理，我們知道取景時看到的影像是上下、左右顛倒的。另外，因為取景和拍攝用的是兩個鏡頭，所以看到的景象和拍出來的照片是有差距的。因為雙鏡頭劣勢比較明顯，所以現在數碼相機已經摒棄了這種設計。

單反相機的感光器面積比普通數碼相機大很多，因此單反相機成像質量非常優秀，即使在暗光下也可以拍出清晰的照片。單反相機還可以更換各種焦距的鏡頭，能滿足各種拍攝范圍的需求。隨著技術的成熟和市場競爭，各大相機廠不斷推出物美價廉的產品，入門單反相機已經下探到3000元以內的價位，因此單反相機已經逐漸成為了人們的寵兒。

2.無反相機

單反相機對于普通人來說，偏大的個頭、沉重的身軀，始終與日常使用有些隔閡。為什么單反相機不能做得更便攜更輕量化？反光板和五菱鏡是其中的攔路虎。如果我們去掉反光板行不行？這就是后來的無反相機的思路。

膠片相機時代，索尼就采取了半透鏡來代替反光板，拍攝時沒有傳統反光板上下運行所產生的振動、延遲、取景器全黑時間過長等不利因素，同時用EVF（電子取景）取代五菱鏡，所以拍攝速度非常快。但是因為光線是通過半透鏡光線來取景，取景器不夠明亮，自動對焦速度慢，對專業用戶來說是非常不利的，所以無以為繼。

進入數碼時代，無反相機又東山再起。更小的體積、更輕的重量、機身防抖、媲美單反的成像質量，讓無反相機逐漸走入普通家庭，生活攝影、旅游留念，無反相機都非常有優勢。

在無反相機中，還有一種叫微單的相機。微單其本質就是無反相機，只是索尼注冊了微單這個商標，其他廠商不能再使用微單來命名相機，使得微單仿佛成了一類相機。從微單的名字就可以看出來無反相機的特點：微型小巧，具有單反的畫質。

3.旁軸相機

旁軸相機，也稱為旁軸取景式相機，由于取景光軸位于攝影鏡頭光軸旁邊，而且彼此平行，因而取名“旁軸”相機。旁軸相機是在單反取景系統出來之前使用比較廣泛的相機，其取景器也是由早期平視取景器改進來的。旁軸相機不是通過鏡頭取景，而是通過獨立取景器取景，所以取景時有一定視差，特別是近距離時比較明顯。正是因為視差這種情況的出現，嚴謹的攝影師逐漸摒棄了這種相機，“所見即所得”的單反成為了市場王者。

4.卡片機

卡片機并沒有一個嚴格的定義，我們通常將單反、無反以外的小型數碼相機稱為卡片機，輕薄、小巧、時尚是卡片機的特點。當然，也因為這些特點，使得卡片機只能使用比較小的傳感器。在俗稱“底大一級壓死人”的攝影圈，卡片機的成像質量是無法與單反、無反相提并論的。也正是因為這個道理，卡片機的成像質量，比更加小巧的手機要好上很多——因為手機用的成像傳感器更小。加上卡片機一般不支持更換鏡頭，能手動控制的項目也不豐富，所以它只能在單反和手機之間掙扎。隨著手機攝像質量的逐年提升，進一步擠壓了卡片機的使用場景，卡片機日薄西山無法避免。只有一些對手機攝影不滿足、又不愿意攜帶笨重的單反、無反相機的人群使用。

未來：新型相機的研究

在近200年的攝影發展史上，科技始終引領著變革。更好的成像質量、更便捷的拍攝方式，始終是人們的追求。在全面邁入數碼時代以后，各種“黑科技”和奇思妙想也正在進一步改變攝影界。

1.光場相機

數碼相機因為拍攝成本低，很多人養成了拍照時沒有經過深思熟慮就按下了快門的習慣；在瞬息萬變的體育賽場上，在活潑好動的動物前，我們想精確對焦也殊為不易。這樣拍出來的照片有很多會“糊”了，就是焦點沒有聚焦在主體上，或者說主體沒有在景深范圍之內，典型的情況就是背景清晰、主體模糊，這樣就形成了大量的廢片。“先對焦，后拍照”，這是攝影界顛簸不破的真理，尤其是在膠片時代。

如何解決對焦不準的問題，“先拍照，后對焦”這個天馬行空的想法被提出來并被變為現實，Lytro公司首先做出了實體的相機。它利用在感光元件前的諸多微鏡頭記錄訊息，達成拍攝之后可以重新對焦的方式。這就是近年出現的光場相機（如圖5）。

光場相機和傳統相機最大的不同，就在于感光器前的微透鏡陣列。光線從主鏡頭到達微透鏡陣列，析出聚焦光線，將光線資料轉換成數碼方式記錄。通過透鏡陣列，傳感器的成像點分布在100余個平面上，換句話說，拍照片時，光場相機會記錄100多個物距的成像信息，幾乎涵蓋了所有景深情況。相機內置軟件追蹤每條光線在不同距離的影像上的落點，經數碼重新對焦后產生照片，從而實現先拍照后對焦。

光場相機的另一個優點是它超大的景深。微透鏡陣列記錄的所有光線的信息，可以使照片前后景都非常清晰。當然，普通攝影時通常都是虛化背景從而突出主體，但前后清晰的照片在工業領域是非常實用的，這也是光場相機的發展方向之一。

雖然光場相機后對焦技術代表著更先進的方向，但光場相機出現僅幾年時間，仍然有一些硬傷無法解決。因為要存儲不同景深的照片，所以實際拍照時的有效像素非常有限，拍出來的照片畫質不高。另外，因為要處理如此多的數據，相機的成像速度非常慢，即使用上目前最先進的硬件，拍一張照片也要1分鐘左右，抓拍和連拍幾乎無法實現，所以現在光場相機還是一款比較小眾的產品，實用性不是太強。

先拍照后對焦的思維，給了攝影界很多想象。現在手機上也出現了很多后對焦軟件，實現和光場相機一樣的功能。當然，手機因為體積的原因，不可能在里面集成透鏡陣列，實現的方法是拍攝大量不同焦點的照片，然后通過軟件組合成一組數據，后期用戶選擇一個焦點，再輸出相應的照片。

光場相機像一個剛出生的嬰兒，但它顛覆性的后對焦技術必將改變攝像發展的方向。

2.無鏡頭相機

2016年，日立發布了無鏡頭相機。無鏡頭相機因為不帶鏡頭，能大幅減小相機的體積，也能實現先拍照后對焦技術，計劃使用在無人機、機器人和汽車上。

無鏡頭拍攝技術的實現，就是在感光元件上方有一塊同心圓形狀的鍍膜。當光線穿透后會立即形成陰影，這時感光元件會將同心圓與陰影進行重疊，光線入角會產生摩爾紋，再經過特殊的運算處理后，就會成像出一張完整的照片。

日立的這款無鏡頭相機因為沒有鏡頭，大致可以推測到它可以記錄場景中的全部光線。通過改變同心圓鍍膜的尺寸，就能直接改變焦點的位置，從而實現后對焦技術。

3.飛秒瞬間成像系統

2011年，麻省理工（MIT）實驗室發布了飛秒瞬間成像系統（femtosecond transient imaging system）的視頻，利用這個原理，新型激光相機可以讓視線拐一個彎，捕捉到隱藏面另一側物體的三維信息。

該系統的光源使用的是飛秒激光（femtosecond laser），其發射脈沖極短，精確度達到±5微米。所以，飛秒激光具有精確的靶向聚焦定位特點，能夠聚焦到比頭發的直徑還要小得多的超細微空間區域，可有效控制并且精確處理光的傳播路徑信息。

同時，該系統不是使用有角度的鏡面去反射光線，而只需將墻壁、門和地板這樣的普通物體當作反射面，使飛秒激光通過反射后可以進入視線隱藏區域，遇到遮擋物后再次返回相機，所得到的數據包括反射面上的反射點和激光的傳播時間。通過研發算法對這些數據進行處理，即可得到光的傳播路徑，從而計算出隱藏面的反射點位置。通過在反射面上設置多個反射點，即可重建出隱藏面內物體的大致輪廓和深度信息（如圖6）。

這種相機非常具有想象力，在一些特殊場合能起到非常大的作用，如生物醫學、輔助駕駛、災后搜救等。

手機：壓垮卡片機的最后一根稻草

2000年，夏普發布了J-SH04手機，這是第一款搭載攝像頭的手機。這款只有11萬像素攝像頭的手機，在當時雖然沒有引起太大的波瀾，但揭開了手機攝像的序幕，手機到今天已經成為普通民眾使用最普遍的攝影工具。

手機攝像，從最開始的玩具性質，到成為卡片機的終結者，是哪一起技術起到了關鍵作用？

手機攝像的發展，是在提高攝像頭像素的路上一路狂奔。從2000年的11萬像素開始，到2013年諾基亞發布4000萬像素攝像頭手機Lumia 1020，只用了短短14年。曾幾何時，攝像頭像素成為拍攝能力最重要的噱頭。我們常說的像素，就是感光元件通過光電信號轉換輸出組成圖像的一個個小點，可見，“像素”是構成影像的最小單位。比如一部手機能拍出來3000×8000分辨率的照片，就可以說，這部手機的像素為2400萬像素。像素越高則代表圖片分辨率越高。那么成像質量是不是簡單地和攝像頭像素成正比呢？答案是否定的。

影響成像質量最重要的因素是感光元件的大小。感光元件越大，能夠記錄的圖像細節越多，可捕捉的光子越多，感光性能越好，能夠帶來更細膩的畫質。我們先來看一下相機畫幅的情況（如圖7）。

目前使用最廣泛的數碼相機，以APS-C畫幅為主，比較專業的相機會用到35mm全畫幅。那么手機的感光器件的尺寸又如何呢？目前入門級手機用到的1/4英寸（感光器件對角線長度），主流的是1/3.2英寸，諾基亞拍攝怪獸PureView 808，做到的尺寸是1/1.2英寸。大家從下面的畫幅示意圖就可以看出，手機宣傳的超單反的拍攝效果，基本上都是耍流氓。即使一般的卡片機感光器件都是1/2.3英寸，而現在一般的旗艦機也很難做到這樣的尺寸，所以絕大多數手機的拍攝質量是趕不上普通的卡片機的。所以我們不能覺得像素高，拍攝效果就一定好，也許適得其反，在如此窄小的區域擠下太多像素點，每個像素點捕捉到的光子越少，所獲得的信息量自然就少了，越容易產生噪點，特別是在暗光的情況下。

為什么不能提高手機傳感器尺寸來提高畫質呢？因為隨著傳感器尺寸的提升，鏡頭成像圈、鏡頭尺寸、接口、成像距離等全部要提高。而手機這種要隨身攜帶、使用頻率極高的電子產品，必須追求輕薄、小巧，誰也不想帶一部磚頭般的“大哥大”在身邊。所以手機攝像只能是在螺螄殼里做道場。

在像素發展到一定階段以后，要提高畫質就得在鏡頭上下手。比如，諾基亞很多款手機的攝像頭是經過卡爾蔡司認證的，華為手機的攝像頭經過徠卡認證，小米6開始，攝像頭也經過卡爾蔡司認證。當然，認證和生產是有差距的，但無疑質量有一定的保證，拍出來的效果比較好。

買手機還有一個容易忽視的參數是攝像頭的光圈大小。相機可以根據需要調節光圈大小，從而控制進入相機內部的光線多少，而相機光圈是固定的，光圈越大，進入的光線就越多，特別在光線比較暗的情況下，大光圈能夠獲得比較干凈的畫質，噪點比較少。

提升畫質的另一個方法，是使用雙攝像頭。彩色+黑白雙攝像頭的解決方案，就是利用兩個攝像頭同時成像，再通過ISP后期合成，這樣既保留了彩色攝像頭的顏色信息，又可以保證黑白攝像頭的清晰度，從而提升畫質。華為、360等廠商就是用這種模式。雙攝像頭的另一種用處，是提供光學變焦。手機因為厚度原因，沒有空間像相機那樣以鏡頭伸縮來提供光學變焦。而所謂的數碼變焦，是用軟件來進行縮放，和我們在Photoshop里處理圖像是一個道理。所以數碼變焦只能說是聊勝于無。現在的解決辦法是使用兩個不同焦段的鏡頭（廣角+長焦）來實現，小米6就是采用這種方案。另外一種雙攝像頭，是采用“主攝像頭+景深攝像頭”的模式，HTC One M8和最新發布的紅米Note5采用類似方案，這種方案的雙攝像頭，能拍出主體清晰、背景虛化的效果，和單反相機的長鏡頭、大光圈拍出的效果類似，很討人喜歡，拍出的照片有專業的感覺。

手機拍照還有個弱點，就是一般不會隨身攜帶一個三角架。在光線較暗的情況下，因為較長時間的曝光，手機輕微的晃動都可能導致圖像模糊。為了解決這個問題，首先采用的是電子防抖。電子防抖是針對感光元件上的圖像進行數字分析，然后利用邊緣圖像進行補償，當然這樣的效果是可想而知的。其次是光學防抖。光學防抖有兩種，一種是鏡頭防抖，是在鏡頭內置一個陀螺儀，來偵測微小的抖動，然后將信號傳至微處理器，計算好需要補償的位移量之后，通過移動內置的浮動補償鏡片組來加以補償，從而有效地克服因相機的振動產生的影像模糊。另一種光學防抖是CCD防抖，原理是將CCD固定在一個能上下左右移動的支架上，通過陀螺儀感應相機的抖動方向和幅度，然后傳感器進行處理之后，就能算出CCD應該抵消的移動量。光學防抖能較好地解決手抖動造成的照片模糊，在現在的旗艦手機中一般都會配備。

同樣的硬件，也不一定會有相同的效果。這就是算法的作用。蘋果手機攝像頭像素在手機中一直算比較少的，但拍出的效果在手機中卻是最頂類的，這除了優秀的硬件支持，還和蘋果公司長期的圖像處理積累下來的經驗有關。谷歌在提升畫質上獨辟蹊徑，采用了多張照片合成的算法，就是現在大名鼎鼎的HDR+。谷歌HDR+不僅可以提升畫面的寬容度，還能有效消除噪點，增強細節還原能力。經過數年的演變，多張合成提升畫質的功能已經成為主流手機的標配。

在人工智能席卷全球的過程中，谷歌在Pixel 2代手機加入了AI單元，現在沒有AI加持的手機CPU仿佛已經被人唾棄，至少和旗艦無緣。高通驍龍845、華為麒麟970等紛紛加入AI模塊。手機攝影也開始邁入AI時代。比如榮耀V10和華為Mate 10的AI Camera，就是在自動模式拍攝時，進行“智慧場景識別”，并根據場景來調整、優化參數，達到更好的拍攝效果。即使我們只會按快門，對光圈、快門、焦距、白平衡等專業知識一無所知，也能拍出令人滿意的照片。

在各方努力下，手機攝影從無到有、從弱到強，畫質已經逐步逼近卡片機。手機有更好的便攜性，拍完就能通過大屏幕好好地欣賞，能通過網絡進行分享，還可以通過各種軟件進行修圖，可玩性比卡片機好很多。雖然手機攝影的畫質離卡片機還有一定距離，但在能基本滿足需要的前提下，誰還在乎損失的那點畫質呢？手機在成為收音機、隨身聽等電子設備的終結者以后，又磨刀霍霍向相機，現在只有一些有特色的卡片機還能在市場上分一杯羹，普通的卡片機在智能手機的打壓下，已經成為明日黃花。

科技是第一生產力，在攝影領域也是如此。風云激蕩200年，攝影見證、記錄了歷史的悲歡離合，留下了珍貴的史料。在科技的推動下，攝影從膠片時代全面進入數碼時代。攝影這個舊時王謝堂前燕，已經飛入了尋常百姓家。我們用這小小的鏡頭，尋找美，記錄美，它成為了我們了解世界、記錄世界的第二雙眼睛。