主题：CCD/CMOS与传统胶片宽容度差异的本质｛探讨｝
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宽容度的概念：以今天数码相机为例，在拍摄强反差场景时，如果曝光正确，但是高光变成死白（255,255,255），暗部变成死黑（0,0,0），则说明该场景中高光与暗部同时在此相机的宽容度以外，即该照片中高光与暗部相差的EV值超出了相机的宽容度。
但是用过胶片的朋友一定会发现，同样是某些反差巨大的场景，数码相机出现了宽容度溢出，而有的负片却能把高光和阴影都保留下没有溢出的影调和细腻的层次——这就是数码相机与胶片宽容度差别的直观体现。
到底胶片和数码的宽容度为什么会有如此差异，以至于数码相机即使是用RAW拍片，后期也几乎不可能重现胶片的那种宽容度（这里讨论的是单张拍摄，不是包围HDR），即便数码照片能够把死白和死黑调回来，但是你会发现原先溢出的部分早已失去了过渡层次，这是无法修补的。
有很多人也不相信数码的宽容度为什么就不如胶片，我就这个问题思考了很久以后，现在大致有了这么一种想法：我认为数码和胶片的宽容度之所以有这么大的差异，原因就在于数码和胶片各自的曝光特性曲线有本质区别！
让我从这里讲起，大家是否还记得用胶片时有一个说法叫做“倒易律失效”？简单举个例子，理论上讲ISO确定的情况下F2.8 1/125s和F22 1/2s所达到的曝光值是一样的（倒易律），然而在使用胶片时你会发现这两种组合得到的可能会是很不相同的曝光结果，事实上，胶片如果曝光时间过长或过短，其曝光效能都会发生弱化，这时产生的结果就是“倒易律失效”。如果画一个平面直角坐标系，以x轴为曝光时间，以y轴为曝光密度，则就会看到胶片的曝光特性曲线原来是这个样子：
它酷似Logistic增长曲线，起始部分有个稳定阶段，中间有一段大斜率的接近线性的猛增，而到后来又趋于平缓。胶片的曝光特性曲线之所以会成这个德性，原因就是：1.当曝光时间特别短时，感光银盐离子还不足以被迅速激活（银盐制造出来的时候本身也有一定的密度，这也一定程度上抑制了光化学反应的开始），所以此时曝光曲线斜率很小；2.当曝光继续，银盐持续接受光子时，光化学反应便开始迅速进行，此时由于银盐是足够量的，反应速率基本上只取决于持续辐射的光，所以此时曝光密度就近似线性增长，这一阶段内可以利用倒易律来实现正确曝光，也是胶片最重要的曝光时间段；3.当曝光时间长到胶片密度已经过大时，反应便开始受到抑制，此时未反应的银盐的消耗开始减慢（银盐也已剩不多），但是银盐仍在消耗，于是密度还会增加，于是就愈发抑制光化学反应继续进行，所以此时曝光曲线的斜率又趋于缓和，实际上如果曝光时间足够长，斜率就是接近0的。
那么倒易律失效和宽容度又有什么关系呢？且慢，现在来和数码相机比较一下你就知道有何蹊跷了。
数码相机是不存在倒易律失效的。原因在于，数码相机由于采用CCD/CMOS代替了银盐而进行的是电子曝光，其曝光特性曲线就是一条直线，所以“曝光密度”（数码相机里并不是银盐那种真正的“密度”）的增长斜率是不随曝光时间而改变的——也就是说使用数码相机时，倒易律是横成立的，相同感光度时F2.8 1/125s和F22 1/2s所达到的曝光值也是一样的。但是，恰恰就是数码相机的这条“曝光特性直线”，葬送了它的高宽容度性能！
前面说到，胶片之所以会有条曝光特性曲线，是和底片已经具有的密度对曝光继续进行的抑制作用有直接关系的——大反差场景中用同一张胶片拍摄，高光使某区域银盐持续感光，该区域密度不断增大，反而最后削减了反应速率，从而最大限度地自然避免了死白，暗部也是如此，不会过曝，但是又有密度，因此没有死黑；数码相机就不同了，由于线性的曝光速率控制，亮的就要持续亮下去，死守倒易律，曝光到最后就产生死白（数码相机的死黑其实还不是倒易律的问题，而是来源于数码相机本身对低照度景物的感光能力不足）。
计算器作图说明：（不能输中文凑合看吧）
胶片
注：那个开口向下的抛物线是胶片曝光特性曲线的导函数，呈抛物状反映的恰恰是曝光速率随曝光时间、曝光密度的增加而发生的变化
数码
注：这里那个开口向上的抛物线是数码相机曝光速率的积分结果，为了说明数码相机对曝光时间（输入光能）的敏感性——宽容度低的原因！
如果我的分析合理，那大家也就应该理解数码相机宽容度低的道理了——这其实是为了实现倒易律的和谐而付出的代价！所以如果某某人许非要追求宽容度，那除了数码相机的包围HDR，我建议您还是用回胶片吧。
[siliconworm 编辑于 2009-04-03 12:02]
但是用过胶片的朋友一定会发现，同样是某些反差巨大的场景，数码相机出现了宽容度溢出，而有的负片却能把高光和阴影都保留下没有溢出的影调和细腻的层次——这就是数码相机与胶片宽容度差别的直观体现。
到底胶片和数码的宽容度为什么会有如此差异，以至于数码相机即使是用RAW拍片，后期也几乎不可能重现胶片的那种宽容度（这里讨论的是单张拍摄，不是包围HDR），即便数码照片能够把死白和死黑调回来，但是你会发现原先溢出的部分早已失去了过渡层次，这是无法修补的。
有很多人也不相信数码的宽容度为什么就不如胶片，我就这个问题思考了很久以后，现在大致有了这么一种想法：我认为数码和胶片的宽容度之所以有这么大的差异，原因就在于数码和胶片各自的曝光特性曲线有本质区别！
让我从这里讲起，大家是否还记得用胶片时有一个说法叫做“倒易律失效”？简单举个例子，理论上讲ISO确定的情况下F2.8 1/125s和F22 1/2s所达到的曝光值是一样的（倒易律），然而在使用胶片时你会发现这两种组合得到的可能会是很不相同的曝光结果，事实上，胶片如果曝光时间过长或过短，其曝光效能都会发生弱化，这时产生的结果就是“倒易律失效”。如果画一个平面直角坐标系，以x轴为曝光时间，以y轴为曝光密度，则就会看到胶片的曝光特性曲线原来是这个样子：
那么倒易律失效和宽容度又有什么关系呢？且慢，现在来和数码相机比较一下你就知道有何蹊跷了。
数码相机是不存在倒易律失效的。原因在于，数码相机由于采用CCD/CMOS代替了银盐而进行的是电子曝光，其曝光特性曲线就是一条直线，所以“曝光密度”（数码相机里并不是银盐那种真正的“密度”）的增长斜率是不随曝光时间而改变的——也就是说使用数码相机时，倒易律是横成立的，相同感光度时F2.8 1/125s和F22 1/2s所达到的曝光值也是一样的。但是，恰恰就是数码相机的这条“曝光特性直线”，葬送了它的高宽容度性能！
前面说到，胶片之所以会有条曝光特性曲线，是和底片已经具有的密度对曝光继续进行的抑制作用有直接关系的——大反差场景中用同一张胶片拍摄，高光使某区域银盐持续感光，该区域密度不断增大，反而最后削减了反应速率，从而最大限度地自然避免了死白，暗部也是如此，不会过曝，但是又有密度，因此没有死黑；数码相机就不同了，由于线性的曝光速率控制，亮的就要持续亮下去，死守倒易律，曝光到最后就产生死白（数码相机的死黑其实还不是倒易律的问题，而是来源于数码相机本身对低照度景物的感光能力不足）。
计算器作图说明：（不能输中文凑合看吧）
胶片
数码
如果我的分析合理，那大家也就应该理解数码相机宽容度低的道理了——这其实是为了实现倒易律的和谐而付出的代价！所以如果某某人许非要追求宽容度，那除了数码相机的包围HDR，我建议您还是用回胶片吧。
[siliconworm 编辑于 2009-04-03 12:02]
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宽容度
胶片
HDR
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jian1 发表于 2011-8-2 11:24
其实cmos的线性感光饱和特性非常好解决，可以在某一个cmos感光点饱和之前采用一个读操作+清零即可，等曝光结束后，将每次清零前的数值相加即可，理论上cmos可以有无限大的宽容度。想同时拍清楚太阳上的耀斑和树荫下的阴影都是没有问题的。但是各个数码相机厂商至今都没有加入这样一个多次cmos清零电路，不知道是成本问题还是技术问题。这个是目前数码的死穴，一不小心就会死白死白。。。但是我还是认为是数码厂商的阴谋，为了多挣钱而不推出高动态范围的cmos，因为高动态cmos实现实在太简单了，比如清零法是很常用的，或者gamma增益电路调节法。但至今没有哪个厂商出产品。
至于胶卷的宽容度高那不过是因为其有reciprocal failure罢了，虽然记录了极限高光的细节但是偏色已经很严重了，主要是染色层感光失效率不同造成的。
至于胶卷的过度我不认为是无限的，恰恰相反的是非常有限。一般provia 100F 6micron范围内撑死200多个色块了（黑白胶卷的另说）怎么可能是无限过度呢，也就是0～2xx个色阶罢了，相对数码14bit的差远了。
至于数码色彩干涩的问题根本和cmos本身无关，cmos“可见”色域是非常广的，基本和prorgb色域差不多，当然形状肯定是三角形的，和prorgb的半椭圆状有些差异。只能说目前 ...
原来还有这种技术啊 Cmos可以有超强的宽容度
我目前是以为X3结构的 Cmos宽容度不差
但是 本家的RAW软件 没有办法把他挖掘出来
保持亮面层次 就会失去暗 反之保持暗的亮的就无细节
如果硬要同时亮面细节 和 暗面层次显现 反而会有HDR不自然的感觉
有时候我宁愿自己 PS修光比
上一张 我自己修过光比的 本来 暗的地方比较死黑 亮的比较过曝
把他 同一张 TIF 16bit 输出 三层 明暗 中间调后 再蒙板合成
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LP?嗯，难道录音师没有告诉你他们使用的电胆mic是数字的？
法国巡逻兵的爸爸 发表于 2009-7-30 19:39
我就经常拍摄音乐会，老实说最接近现场乐器音色的，无疑是lp.比如弓在弦上运动的方式和唱针在唱片上运动的方式就非常吻合，其音色的还原应该是最理想的。但是数字音乐也不是完全没有优点，在动态范围上，数字音乐肯定比lp有优势。所以，现在并没有一种完美的方式。
[法国巡逻兵的爸爸 编辑于 2009-07-30 19:47]
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非常赞同。HiFi是一个自我封闭的圈子，他们有自己的规范和标准。但是没有人能够保证这些自己的标准是和现实保持一致的。学过13年西洋乐，坐过7年乐团，当过4年首席，曾在北京音乐厅、上海大剧院、中山音乐堂、保利剧院、国家大剧院演出过的业余音乐爱好者表示，即便是现场，台上和台下的感觉都截然不同，不同的剧场，效果也相差甚大。。。弱弱的八一下，国家大剧院音乐厅的音响效果实在太烂太烂了。。。
triplex 发表于 2009-7-30 13:49
很多新刻录的黑胶唱片从录音开始就是数字化的，只是最后变成模拟信号压制在黑胶上，然后一帮※※就抱着这些东西开始yy“味道”了...
很有意思的一件事情是，玩HiFi的人基本上很少去听现场，很多人说这个钢琴的声音如何如何，我都怀疑他听过几次真的钢琴没有...
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CD才是什么规格？44.1kHz,1411bit很高么？
去看看SACD的规格吧，再不行就看看母带的规格
去看看SACD的规格吧，再不行就看看母带的规格
法国巡逻兵的爸爸 发表于 2009-7-30 13:41
想当年cd才出来的时候，音响发烧友把传统lp象臭皮鞋一样扔掉，当他们冷静下来之后却发现数码并非可以替代一切，就像永远没有人可以替代贝多芬，莫扎特一样。现在他们用黄金价格又把扔出去的“垃圾”买回来，道理非常简单：数码系统只有冷酷和呆板，没有传统模拟系统的热情，活泼以及亲和力。。。。
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建议去看看信息论（采样定理）。不要什么都太想当然
法国巡逻兵的爸爸 发表于 2009-7-30 08:30
胶片是由大小不完全规则，密度也不完全规则的颗粒组成，这意味着它可以更体贴地记录更多更复杂的影像和影调，我不知道ccd的像素是否是完全规律排列的？如果是完全规律排列的，那就意味着数码只能机械地记录被摄体，无论被摄体的影像和影调有多么的复杂，它都按照机械的方式来记录，刻板和生硬一眼再所难免。
就像cd唱盘一样，把全部信号都变成0和1，岂有不呆板的道理？
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原文由 dvcam 发表
有专门的logarithmic CMOS，宽容度可以做得很大，但那是连续时间传感器，和普通CCD/COMS的积分型传感器不同，应用范围有限
[dvcam 编辑于 2009-04-04 03:20]
这个应该是数码的突破口，不过现在还看不到什么希望。。。
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高光宽容度内的细节数码远远不足早已是业内定论。
确实和胶片的非线性感光曲线很有关系。
另外就是重大差异，马赛克计算出来的和全光谱感光的差异。
如果不解决这两点，数码和胶片的差异足矣让人们继续用胶片好了。
楼主计算器很强大。
确实和胶片的非线性感光曲线很有关系。
另外就是重大差异，马赛克计算出来的和全光谱感光的差异。
如果不解决这两点，数码和胶片的差异足矣让人们继续用胶片好了。
楼主计算器很强大。
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LZ说的有道理。
不过我还是只会用数码。
宽容度数码一定可以超过胶片的水平。
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宽容度数码一定可以超过胶片的水平。
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