【硬核摄影】键摄让你重新认识曝光三要素
本文共5300+1800字 .
可能是全网最详细的曝光三要素讲解 .
包括曝光的本质、等效光圈、如何设定ISO等 .
简要介绍（知道是啥可以直接跳过此部分）：
曝光时间：传感器曝光的时间。越长则画面越亮，但同时拍摄运动物体时模糊的程度更大；反之则越暗，越能捕捉瞬间。
光圈：通光直径与镜头焦距的比值。对于焦距为100mm的镜头，F/4表示其通光口径是25mm。当光圈增大时，光圈数（即倒数，对于F/4来说光圈数就是4）减小，画面越亮，焦外虚化更明显；反之越暗，虚化越轻微。
ISO：ISO越高画面越亮，反之越暗，相较于前两者在前端调整亮度，ISO是对信号进行增益，在后端调整亮度。ISO过高会导致噪点较多，画面质量差。
三者对画面亮度的影响：
当曝光时间 * ISO * 光圈平方 为定值时，画面亮度不变。
详细：
首先了解相机成像的大致原理：镜头将物成倒像在传感器上（这与用凸透镜往纸上墙上等等成像是一样的，只是把纸换成了传感器），在传感器上成像，照出一幅画面，传感器将此画面记录下来。
曝光时间：
前提条件：不考虑滤光片，无解马赛克过程。
传感器曝光是一个积分的过程。传感器上的画面是会随时间变化的，它需要选取一段时间的画面记录，这段时间的长度就是曝光时间。对于某个像素而言，它的照度是时间的函数，记为E(t)。若曝光时间为Δt，则在最终的成片中，这个像素位置的亮度就是E(t)从t0到t0+Δt的积分的K倍（K由ISO等其它因素决定），其中t0取决于快门摁下的时刻。
例如，面对以50Hz频闪的光源时，曝光时间需要为1/50的整数倍（虽然实际是每秒亮100次，但很少有灯能保证相邻峰值是一样的）。这是因为只有当积分长度是最小正周期的整数倍时，才能使得无论积分起点在何位置，积分结果都不变，对于画面来说也就没有闪烁。
当考虑整幅画面时，就相当于把t0到t0+Δt内传感器上每一瞬间的画面相加，这也是为什么曝光时间越长运动模糊越明显。
虽然其本质是积分或累加，但我们通常都会考虑相同的最终画面整体亮度，这时曝光的作用就变成了“取平均”。
如果在一段长曝光内用灯光扫过一片区域，那么照明效果就相当于用一个面积更大（灯的轨迹就是“新灯”的形状）但亮度较低的灯进行短曝光。
考虑拍车轨的场景，假设车辆匀速行驶。在画面整体亮度不变的前提下，显然增加曝光时间可以延长车轨的长度。那么如何增加车轨的亮度呢？
将画面分为两部分，一个是运动的车灯，另一个是静止的地景。在相同的时间内，传感器接收到的来自它们的总能量的比值不会改变。现在已有最终画面整体亮度不变的前提条件，这就说明，将最终画面中车轨的亮度与曝光时间相乘是一个定值。因此，减小曝光时间才能提高车轨的亮度。
从另一个角度说，在曝光时间长于一定值之后，由于车灯在每个像素上作用的时间是固定的，因此车轨的亮度实际上是由光圈和ISO决定的。而“曝光时间越长，车轨越暗”则是因为曝光时间增加后，必须要降低光圈或ISO来保证最终画面亮度不变，从而导致了车轨亮度的降低。
拍星轨、萤火虫等等时，都是与车轨相同的道理，当ISO和光圈固定后，星轨的亮度就已经确定了，提高曝光时间只会导致星轨、萤火虫亮光的长度增加以及背景天空的亮度增加（降低了光轨与背景的对比度）。
在这一点上，也是不乏有专业摄影师翻车的。图为某提问灵谷寺萤火虫应当如何设置参数拍摄的回答：
如果使用如此长的曝光时间，最后就会得到一张几乎看不到萤火虫的纯净地景。至于如何获得又亮又长的光轨，就只能通过后期进行最大值堆栈了。
再比如拍摄闪电的情景。虽然闪电是一瞬间的事件，但却需要使用长曝光来拍摄。由于其瞬间的亮度远远高于周边环境，因此如果在短曝光时间下使闪电正常曝光时，周边物体就会几乎不可见。但可以利用曝光的“平均”作用，将闪电的亮度分摊。或者说是通过减小光圈和ISO来降低闪电的亮度。
类似地，还有闪光灯的使用。闪光灯的一次发光对于传感器来说就像是一个极其短暂的峰值（接近冲激函数），如果其余时间的环境和主体都是全黑的，在某瞬间对主体进行了一次闪光，而背景由于距离较远，亮度相比主体来说很低。可以利用这一特性，在单次拍摄中使同一主体多次出现，或给黑暗中运动的主体留下清晰的像。例如物理实验中记录物体运动规律、银河下的人物、黑夜中的雪花等等。下图为频闪光源下的飞虫，可以通过等时间间隔的亮点粗略看出其轨迹和速度变化。
事实上，相机的机械快门也是类似的原理，先开始曝光，抬起前帘，关闭后帘，结束曝光，具体不再赘述。
长曝光的缺点：因为传感器长时间工作，会增加热噪声，影响画质。
使用连拍照片序列后平均值堆栈可以获得模拟长曝光的效果，这种方法相比使用ND镜有何优劣？以下只写优点，优点就是另一个的缺点。
ND：后期压力小且简单，效果更加连续丝滑不会出现间隔
堆栈：不需要额外滤镜，可以不使用三脚架，画质更好（更高的信噪比，更少的热噪声，少一层滤镜影响），中途出现意外可以单张剔除
光圈：
光圈是镜头的孔径光阑，控制的是镜头的通光孔（入瞳），限制了进入镜头光束的宽度。当我们站在镜头所对焦的位置，从正前方（光轴）看向镜头时，看到的光圈机构开口的大小就是镜头此时的通光孔径。下图中的叶片就是光圈机构。
当从轴外观察时，由于镜头的口径有限，或者说各镜片的尺寸是有限的，因此镜片框也会对入射光线有遮挡作用，这个框就是镜头的渐晕光阑，是照片产生暗角和口径蚀的原因。如下图1中，透过镜头能看到背景白色的部分就对应镜头的通光孔，下图2展示的是镜头的口径蚀。
实际上，在远距离、不考虑像差和衍射的情况下，弥散斑的形状就是通光孔的形状。上图口径蚀的枣核形，大致就是由两个半径不同的圆弧所夹而成，一个圆弧是镜框，另一半是孔径光阑。具有柔焦功能的镜头也是基于此原理，在光圈处放置一个外遮光内透光的径向渐变的滤镜，使弥散斑轮廓变得不清晰，显得更加柔和。对于部分镜头，可以在镜头前放置特定形状的透光孔来形成特殊形状的弥散斑：
当光圈扩大，相同位置的弥散斑也随之等倍数扩大，由于容许弥散圆直径不会变，而若想要相同的弥散圆大小，大孔径的成像面需要比小孔径更靠近汇聚点，那么汇聚点前后两个相同大小的弥散圆的距离就要比小孔径更小，景深就变小了。
下图中蓝色光束对应小孔径，红色则对应大孔径，弥散斑的亮度相同，只是大小不同。当成像平面位置向汇聚点靠近，弥散斑也线性缩小，最终变为一个点。先前更大的弥散斑具有更高的能量，变成点后也更亮，像面的照度也就更大。也就是说，当缩小光圈时，画面整体观感会变暗，但是弥散斑并不会变暗，只是变小了。
具体内容已在先前文章中列举过，详见
这里再进行一些补充：
当入射光线离光轴一定距离时，相当于原先的通光孔径被镜框（渐晕光阑）切掉了一部分，也就是像面对应位置的通光量变小了，照度就会变小，于是产生了暗角。当通光孔完全被渐晕光阑切掉后，就会完全黑暗，恰好没变为完全黑暗的临界位置以内的部分就是镜头的像场，此时的渐晕光阑也是视场光阑。
镜头标定的光圈大小是针对无穷远而言，当进行近距离拍摄时，由于镜头尺寸限制，很多镜头的光圈都会略小于标定值（如F/1.4变为F/1.5），这会影响曝光和景深。但由于近摄形成的倒易率失效并不会影响景深。浮动光圈的镜头的光圈变化是连续的，只是在机身上显示离散的近似值。
缩光圈的过程中，会减小多数像差而提升画质，但同时也会因增加衍射而损失画质。因此当镜头从最大光圈缩至最小光圈时，画质一般都是先增加后降低，这当中画质最好的光圈称为最佳光圈（画面不同部分的最佳光圈可能不相同，但十分接近）。
对于多数中端以上镜头，F/4是整体画质最佳的光圈，即便是尼康的58mm F/0.95也需要F/2.8才能使中心画质达到峰值，F/4时边缘画质达到峰值。对于普通的镜头，一般F/8也足够达到最佳画质。
因此在拍摄时，即使为了保证景深，大多数情况下也没有必要缩到F/11级别，F/8就已经足够，F/11反而会影响画质，如果不放心景深问题也可以进行计算。
小光圈带来的衍射也并不一定只有缺点。对于无低通相机来说，在拍摄具有高频细节的物体时会发生频谱混叠出现摩尔纹，这时可以通过缩小光圈，让镜头充当低通滤镜，消除摩尔纹。由于拜尔排列，相机色彩分辨率低于明度分辨率，因此彩色摩尔纹占据主导。
ISO：
相机的ISO分为三种：
基准ISO（Base ISO）：由电荷转换为电压时引入的增益，按照相应标准标定对应的ISO。基准ISO是最低的原生ISO，可以直接称为原生ISO（虽然其实它不是）
原生ISO（Native ISO）：转换为电压信号后在模拟信号阶段引入的增益与基准ISO的乘积
扩展ISO（Expanded ISO）：在ADC之后进行的增益与原生ISO的乘积
以上三条是我自己的描述，不是定义
在三种ISO中，基准ISO和原生ISO对于画质有正面影响，其它条件不变时，这两种ISO越高，传感器的读取噪声越低，暗光下画质越好，但同时由于增益提高，传感器饱和时的值有所下降，即便噪声降低了，但总体上动态范围依然是下降的。而扩展ISO对画质只有负面影响。提高基准ISO对于画质的提升幅度远远大于原生ISO，但一个传感器一般只能有一个基准ISO。
可能读者在阅读时有疑惑，平常使用相机时明明是ISO越高画质越差，为什么理论上却是越好呢？这是因为ISO升高的本质原因是曝光时间不足或光圈较小，导致进光量不够。由于散粒噪声强度是信号的平方根，因此信号强度越低则信噪比越低。进光量不够，信噪比就低，画质就差。网上有些人说，如果环境够亮，即使ISO高也看不到噪点，这显然是错误的，其只跟传感器接收到的光量有关，跟环境无关。
目前随着技术的更新，大约从几年前开始，索尼、佳能等厂家推出了双增益技术，使传感器拥有两个基准ISO。其中索尼为代表的双转换增益通过改变阱容来实现，佳能为代表的双电路增益（也称双原生ISO）通过设置两路放大器来实现。在佳能的部分电影机中，配备了DGO（Dual Gain Output）技术，使两路增益信号同时输出和合成，输出具有更高动态范围的画面。
而原生ISO的提高虽然也能压低读取噪声，但效果较小，尤其是对于使用索尼传感器的机型，因为其读取噪声本身已经被压低到极低的水平（如α7m3代表的imx410传感器的动态范围表现已经非常接近物理上限）。对于佳能多数机型，此过程压低的读取噪声虽然不多，但不能忽略。
介绍了这么多，在实际拍摄时应当如何设定ISO呢？
首先，对于所有有损压缩的图像格式，都应当保证正确曝光。（即拍摄时就将曝光调整好，到不再需要后期调整的程度）。
对于无损raw格式的照片，则遵循以下规则：
光线充足时，ISO使用最低原生ISO（一般为100，a7s3为80，尼康为代表的部分机型为64），调整曝光时间使得直方图恰好不溢出（或仅有不重要的元素溢出，如大白天的太阳）。切记不要使用扩展ISO（如ISO50）
光线不足时，确保曝光时间和光圈已经设置成可以容许的最大值（不会糊片，景深足够，像差可接受等等）
对于索尼传感器，将ISO从最低开始逐渐上升，直到重要元素的直方图恰好不溢出（夜晚的灯泡溢出就溢出了）。如果此时的ISO距离下一个基准ISO仅有一级的差距（如第二档ISO为640，而此时为500），则将ISO调整到第二档基准ISO，并将光圈或曝光时间缩小。对于非索尼传感器，则按以上步骤调整好后，如画面整体欠曝过于严重，则酌情继续提高ISO（要是高光细节极其重要不能损失，还是包围曝光吧）。
之所以索尼传感器不必为了照顾暗部而继续提高ISO牺牲亮部，是因为其读取噪声已经极低，提高原生ISO与后期提亮对于暗部画质几乎无差别（但是依然有），此特性称为ISO不变性（ISO Invariance或ISOless）。摄影机中的EI模式就是基于此特性。
下图为a7R4拍摄的照片从中心截取的一小部分。各照片曝光时间与光圈相同，环境亮度不变，ISO大小如右下角所示，拍摄后使用软件后期提亮到相同亮度。相机第二档基准ISO为320，可以看出ISO100、200噪点较多，而400以后则是基本不变，并且明显比100、200更纯净。
对于Log模式，其本质是一种对于亮度的映射，因此导致ISO在标定上与普通模式有区别，一般都是普通模式的固定倍数。如a7s3的基准ISO为80和1600，其在slog3下的基准ISO则为640和12800，是8倍的关系，因此只要知道普通模式下的基准ISO以及Log模式下的第一档基准ISO，就可以知道相应的跳变点位置（第二档基准ISO大小）。不同的Log模式的映射关系不同，某Log模式的ISO800在传感器层面的增益很有可能比另一Log模式的ISO1000还要高，也就是说此时的ISO参考价值不大。
至于如何判断基准ISO，索尼的机型会在使用扩展ISO时给显示的ISO数值加横线（我没用过其它品牌，所以不了解），最低的不是扩展的ISO就是第一档基准ISO。第二档可以上网搜索，但可能搜不到或搜到错误的数值（如a7s3经常被说第二档是12800），因此也可以自己进行测试：固定曝光时间和光圈以及环境，令第一档基准ISO时欠曝6档以上，而后逐级向上调整ISO，使用无损raw格式拍摄（一般来说ISO增加到800就可以停了，目前在相机中应该只有a7s3的跳变点在800以上），然后将所拍摄的照片拖入后期软件提亮到相同亮度。则画面突然变纯净很多的照片的ISO就是第二档基准ISO。
值得注意的是，相机高感的好坏与像素数几乎没有关系，影响微乎其微，真正起影响作用的是基准ISO的大小。即便如此，像素数高也在高感下具有绝对的分辨率优势。
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