APS-C畫幅與全畫幅的區別

2013-10-05 12:01:58
來源/作者：互聯網/佚名
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為什么APSC畫幅機器沒有全畫幅機器拍人像虛化效果更理想?遇到這樣的問題了么？在評價數碼相機等小片幅機器鏡頭的成像，包括視角和景深、焦外成像效果，將其與全幅機器相比較時

為什么APSC畫幅機器沒有全畫幅機器拍人像虛化效果更理想?遇到這樣的問題了么？

在評價數碼相機等小片幅機器鏡頭的成像，包括視角和景深、焦外成像效果，將其與全幅機器相比較時，其等效焦距、等效光圈值都要用原值乘上“等效倍率”。

例如，一個50/f1.4的標準鏡頭安裝在等效倍率為1.6的APS-C機器上，等效焦距和等效光圈是80/f2.24。
這個等效光圈只影響景深、焦外成像效果，不影響曝光量。

本人是做技術工作的，對各種技術原理都比較感興趣，又愛好攝影，所以就認真研究了一下相機的焦距、光圈、景深之類的參數之間的關系。或許正是因為搞技術的思維習慣的原因，攝影玩兒了有些年頭了，拍片總是沒大長進，總覺得入不得門，但一談起技術方面好像倒經常是一套一套的。好吧，閑話少說，開始正題。

本人過去玩兒135膠片機。第一臺數碼相機是02年買的Canon G3。看著說明書上：焦距：7.2-28.8mm(等效于135機35-140mm)；最大光圈F:2.0-3.0。覺得參數真不錯，照人像一定好。只有點兒奇怪：為什么最小光圈只有8，而不是一般135機的22或更小？能保證照風景所需的景深嗎？想想看，片幅變了、焦距變了，景深肯定變。但是會怎么變？跟過去的經驗有什么關系？搞不清楚。不管它，先玩兒起來再說。等用G3拍了些片子才發現，跟最初的猜想正好相反。照人像時無論光圈開多大，背景總是不夠虛；可拍風景，景深真是不錯！看看這張阿姆斯特丹中央火車站的照片，用的是f=7.2mm(等效35mm)，F=2.2，從近處的地面一直到最遠處的頂棚和鐵軌都是那么清楚。

引文：
三、景深與透視關系
由于出現了等效倍率的概念，那么這個等效倍率是否對畫面的景深和透視關系也有影響呢？
前面說了：感光器件面積的減小，實際上相當于在全畫幅中切割下中央部分。那么對于畫面而言：只要拍攝機位不發生變化，景深和透視關系沒有發生變化。比如EF 85/1.8 USM，安裝在EOS 10D上，等效于136/1.8鏡頭。但是在同樣機位使用 [EF 85/1.8 USM + EOS 10D] 和 [EF 135/2L USM + EOS 1Ds] 拍攝，這個136/1.8的景深和焦外成像依然是85/1.8的景深和焦外成像效果，并不能等同于135/2的景深和焦外成像效果。
歸納如下：
等效倍率的出現，除了改變有效視角外，不改變三個主要參數：最大光圈、景深、透視關系。
引文完。

這說法好像有點兒似是而非，說是85/1.8不能等效于135/2好理解，但85/1.8裝在APS-C機器上，輸出成照片時放大倍數要更大一些，景深效果真的相同嗎？看來還得從基本的景深公式出發來思考：
景深公式(有許多種表達方式，但都是等效的)：
S=u*f*f/(f*f-F*C*u)
R=u*f*f/(f*f+F*C*u)
其中：
F：光圈；
C：可接受的彌散圓直徑；
u：準確對焦的物距；
f：鏡頭焦距
S：可清晰成像的最遠距離。大于u。從u到S之間的距離又稱為后景深
R：可清晰成像的最近距離，小于u。從R到u之間的距離又稱為前景深
R到S之間的距離范圍是總的景深。
*：代表乘號。

從幾何光學的原理看，只有距離為u的物體才能在膠片平面上準確對焦，在此距離之外的任何一個“點”在膠片平面上的成像都會擴展為一個小小的圓盤，稱為彌散圓。如果這個彌散圓太大了，就會模糊成一片而不能清晰成像。這可以用下面的示意圖表示。為了更簡單明了，我們就不講鏡頭的什么前主面、后主面，簡單的當做只有一個主面了。

圖中鏡頭與膠片的距離近似為鏡頭焦距f；Pu表示可以準確對焦的物平面，與鏡頭的距離是u；Pr是可以清晰成像的最近物平面，與鏡頭的距離是R；Ps是可以清晰成像的最遠物平面，與鏡頭距離是S。從圖上看到，Pu上的一個點發出的光通過鏡頭孔徑后正好聚焦在膠片上形成一個點；Pr上的一個點發出的光通過鏡頭孔徑后的焦點在膠片后面，在膠片上的成像是一個直徑為C的小圓；Ps上的一個點發出的光通過鏡頭孔徑后的焦點在膠片前面，然后又散開為一個直徑為C的小圓在膠片上成像。
在這里所謂“可清晰成像”的含義就是指處于景深范圍內的任一個點在膠片上成像的彌散圓直徑小于可接受的C。

從這個公式看到影響景深的諸因素有鏡頭焦距、光圈、物體距離和彌散圓直徑，好像跟膠片幅度不相關。這里邊焦距、光圈、物體距離這三個影響景深的參數我們都很熟悉了，但對于可接受的彌散圓直徑C就比較陌生：這個參數該取多大？對最后的成像有何影響？也就是說，一個點彌散到多大可以認為是清晰的？
我們無論用什么片幅的機器拍攝，最后總是要放大到相紙上觀看(注)。這里我們以8R照片為例。8R照片畫幅高度是203毫米(相當于A4紙那么大)，在正常的25厘米左右距離上觀看時，人眼大約可以分辨0.1毫米的細節，就是說達到全幅高度1000對線的解像度就可以算是“清晰”了。這要求在底片上同樣應該達到1000對線。對于135底片，由于底片幅度是36*24毫米，彌散圓直徑就應該小于24/1000 = 0.024毫米；對于APS-C底片，幅度是22.5*15毫米，所以彌散圓直徑應該小于15/1000 = 0.015毫米。這兩個彌散圓直徑之比正好等于兩種片幅高度之比。也就是對于小片幅的底片，其彌散圓直徑應縮小到“等效倍率”倍。在這里，我們得出一個結論：為了最終的照片“同樣清晰”，可接受的彌散圓直徑與“等效倍率”成反比。
我們再回到計算清晰成像距離S和R的兩個公式上來：
S=u*f*f/(f*f-F*C*u)
R=u*f*f/(f*f+F*C*u)

以APS-C機器對135全幅機相比較為例，為了在同一機位拍攝下同樣的視角，APS-C機器鏡頭焦距f要縮小與片幅高度相同的比例：24/15 = 1.6倍，兩個公式中分子部分縮小了1.6*1.6 = 2.56倍。為了結果不變，就要求分母也縮小同樣的倍數。再來看看分母中相加減的兩項：f*f和F*C*u，其中f*f項也縮小了2.56倍，只要F*C*u也縮小2.56倍就可以保證景深不變。其中u是所要拍攝的物距，是不會變的，C是可接受的彌散圓直徑，縮小了1.6倍。于是，可以設想，如果光圈F數值也縮小1.6倍，也就是光圈大1.6倍，則視角和景深都保持不變。具體地說，如果一個APS-C片幅的機器想要得到與135機器裝一個f=136，F=2.0鏡頭相同的視角和景深效果，需要采用焦距為136/1.6=85；光圈為2/1.6=1.25的鏡頭！另外也可以設想，一個焦距f=85毫米，光圈1.8的鏡頭裝在APS-C機器上，其視角與景深相當于焦距為85*1.6=136毫米，光圈為1.8*1.6=2.88的鏡頭安裝在135機器上拍攝的效果。在這里，我們又得到一個結論：

小片幅機器要想得到與全幅機器相同的視角和景深，其鏡頭焦距要縮小“等效倍率”倍，其光圈數值也要減小“等效倍率”倍（光圈需要增加“等效倍率”倍）。
或者換一個說法：
在評價小片幅機器鏡頭的成像效果時，其等效焦距與等效光圈值都要用原值乘上等效倍率！

    回到上面的引文，如果改寫成：“[EF 85/1.8 USM + EOS 10D]的景深與焦外成像效果等同于[EF 136/2.88 + EOS 1Ds]的景深和焦外成像效果。”就更清楚了。
上面討論的是要想在小片幅的機器上獲得與全幅機器相同的視角與景深效果，需要用更短焦距、更大光圈的鏡頭。另一個問題就是同一個鏡頭，用在小片幅機器上景深如何變化（當然視角會變窄）？還是從那兩個公式出發，這時由于焦距f，物距u，光圈F都不變，只有彌散圓直徑C變小了“等效倍率”倍。對于R，分母變小了，因此R會變大，更接近于u了；對于S，分母變大了，因此S會變小，同樣是更接近u了。總之是景深范圍變小了。要想景深不變，唯有把光圈值加大等效倍率倍。于是再有一個結論：
    同一鏡頭安裝在小片幅機器上想要獲得與全幅機器相同的景深，光圈調整值需要加大“等效倍率”倍（光圈需要減小“等效倍率”倍）。
    現在再來看看前面提到的Canon G3相機的情況。按照說明書，其焦距為7.2-28.8毫米，相當于135機器的35-140毫米，也就是等效倍率約為5。那么該鏡頭的光圈F2.0-3.0相當于135機器F10-15。其最小光圈F8相當于135機器上F40！難怪G3機器最小光圈只有8！難怪上面那張用F2.2拍的照片景深那么好，因為這時的景深與焦外成像相當于135機器的35毫米/F11。當然，這個等效光圈只影響景深、焦外成像，不影響曝光。為了防止混淆，廠家的說明書只會提小型數碼相機的“等效焦距”，卻從來不會談到“等效光圈”。

總之就是一句話：小片幅機器需要更大的光圈！這些小型數碼相機的“等效光圈”往往實在是太小了，只能用來拍風景，很難拍出背景虛化漂亮的人像！這也是許多DX經常提到，全幅機的焦外成像如何如何漂亮的原因。這是確有其事的！
需要注意的是，這里提到的等效光圈只是為了保證相同的景深與焦外成像效果，并不影響曝光參數的確定。曝光參數還是只需要考慮場景亮度、膠片感光度、光圈、快門速度。與鏡頭焦距、相機的片幅無關。
根據上面的分析，我們可以來比較一下全幅機和小片幅機器在成像方面的特點。首先是，對于需要深度背景虛化的人像照片，小片幅機器很難得到與全幅機相同的結果。例如，如果想用APSC機得到85/1.2L頭在全幅機上相同的透視與焦外效果，需要的等效焦距為85/1.6=53，這倒不難。但看看光圈，需要1.2/1.6=0.75！我們找遍歷來所有廠家出的各種等級的牛頭、狗頭、馬頭之類，總之是找不到F0.75的商業產品！(不知道特殊專用產品是否有這樣恐怖的東西！)，就算是要一萬多米的50f1.2牛頭，到了APSC上也就相當于80f1.9，還不如全幅機配個普通的85f1.8呢！進50L牛頭多出來的投資不如進個全幅機身更合算！

另一方面，在需要大景深的風景片、長焦距的體育、打鳥等應用，APSC在許多方面能夠發揮優勢。可以廉價獲得更長等效焦距(我這樣的最多也就玩兒得起400f5.6了，上在50D上等于有了640f9，還能自動對焦！要是再有IS就好了！)！可以用更大的光圈、等效倍率平方分之一的快門速度得到相同的景深，有利于避免手震，避免高速運動物體模糊等問題。當然，對于要求高清晰度的優質照片，小片幅機器需要顆粒更細膩的膠片（或是面積更小的CCD感光單元），這意味著膠片速度更慢或CCD需要設置在更低的ISO速度下以避免噪點太明顯。這樣，快門速度就又要降下來了。不過，在光線條件好時，這不是大問題，就算是光線差點兒，現在那么多超強的后期降噪軟件也能補償一些畫質損失。相信用過全幅機和C幅機的朋友應當有這樣的體驗：在用全幅機拍風景時，光圈總要放到很小，至少11以上，有時甚至要22。但是，用C幅機的時候往往光圈放在8，有時甚至5.6都夠用了，很少需要11以上。因為，對于C幅機，11光圈的景深相當于全幅的17了！

上面的分析說明：
全幅機在拍攝深度背景虛化的人像方面有明顯優勢。
APSC機器在拍攝需要大景深的風景片方面基本能做到與全幅機一樣好。在拍攝需要長焦距、高速運動的體育、打鳥等題材時至少在器材成本方面有明顯優勢。

上面的一堆都是理論分析，實際結果如何還真沒機會試過。按我的計算，85/1.2頭上在APSC機器上效果應當與135/2.0上在全幅機器上效果基本相同。可惜的是本人除了APSC機器，另外幾樣都沒有。真希望那位有齊了以上4樣器材的DX幫忙驗證一下，看看真的是否是這樣？先在這里感謝了！

分析中發現一個現象也是挺有趣的，順便說說。對于APSC機器，等效焦距應當乘等效倍率倍(例如1.6)，同時光圈也要加大到等效倍率倍(也乘1.6)才能保證獲得相同的景深效果。結果是鏡頭的通光孔徑不變(通光孔徑=焦距/光圈值)！也就是進入機器的總光通量要求是相同的！而鏡頭的價錢基本上就要看最前面那片兒玻璃有多大，結果，APSC鏡頭一點兒也不會因為焦距短了而省錢！當然，如果并不總是要用最大光圈又另當別論了。

又及：
文中多次提到“彌散圓”這個名詞，好像很陌生，其實大多數人都見過了。我們想想那些背景虛化得很漂亮的照片，遠處的一些光點會成為一些虛的圓點或圓環，這就是“彌散圓”啦。只是虛得有點兒大，變成一些很漂亮的圓點點了。至于不同鏡頭虛化的是否漂亮，在相同景深條件下很大程度上取決于光圈是否圓。其實，這些虛化的圓點兒就是光圈孔在成像面的投影，如果光圈譬如說是6角形的，投出來的影就是6角形的，而折返射頭由于中央有個反光鏡的遮擋，投出的影就像個面包圈。

(注)：文章中是以8R相片為例來對于可接受的彌散圓直徑進行分析。現在多數數碼照片是在監視器上看的，譬如說是分辨率為1280X960的UGA監視器。這時照片的分辨率大于480對線就夠了。對于135底片，彌散圓直徑應小于24/480 = 0.05毫米；對于APS-C底片應該小于15/480 = 0.03125毫米。當然,如果作品還需要放大、剪裁則需要的彌散圓直徑還要減小。如果輸出照片尺寸變了，需要的解像度(線數)也應相應變化。

通過http://www.dofmaster.com/dofjs.html給出的景深計算器，我們做兩組實驗數據對比，

第一組為50D上50/1.4鏡頭開全光圈，距離被攝物體5米時的景深效果，我們看到它與無敵兔同樣機位的80焦距，2.2光圈（實際應為1.4*1.6=2.24）時的景深效果相一致。