摄影的等效性是什么?

如果有人说“ 50mm镜头是DX传感器上的75mm镜头”时您感到困惑,那么您并不孤单。

焦距,光圈值,景深和ISO等价物的神秘概念正笼罩着我们所有人。

这是一个令人困惑的话题,无数的神话等待被打破。我们必须利用我们的常识,摄影经验和物理学知识来理解对等。

当您掌握了等效性的概念后,就会更容易理解为什么我们在摄影中为不同的任务使用不同的工具。

无论您使用哪种系统,都可以根据自己的目的选择合适的工具。

相机传感器的特写
亚历山大·安德鲁斯(Alexander Andrews)着《 Unsplash》

什么是等价物?

摄影器材多种多样。在不同的传感器尺寸,焦距和相机类型的荒野中,人们很容易迷失方向。

这种多样性是存在对等关系的原因-有助于使一切标准化。

它通过将所有内容与设定点进行比较来做到这一点。这就是全画幅传感器和全画幅相机系统。

为什么要关注等效性?

对等是一个不仅使人困惑的话题,而且一些人还认为它没有用。

他们不是  完全  错误的。

如果您仅熟悉一个摄像头系统(例如,微型四分之三),而没有使用其他系统,那么对您来说毫无意义。

如果您正处于摄影之旅的起点,那么它并不是要理解的最重要概念。

摄影并不仅仅涉及技术手段,规格和计算。这些都是其中的一部分,但是没有人会根据您使用的设备来判断您的照片。

它们是工具。

但是,您应该了解自己的工具,特别是如果您想成为专家。

等效性对此有所帮助。使用等效性,您可以比较和选择最适合您需求的工具。

所以,让我们跳进去。期望一些数学和数字,但要采用易于理解的综合形式。

摄影术语澄清

首先,我必须澄清一些摄影术语。它们中的大多数用于日常摄影中,但是有些您可能从未听说过。

为了避免以后造成混乱,完全了解它们至关重要。

摄影机条款

格式 是指标准传感器尺寸。最常见的是全画幅,APS-C和微型四分之三格式相机。还有一些较小的手机和便携式相机。

传感器尺寸。 任何传感器的面积,由其边长给出。全画幅传感器的尺寸为36mm x 24mm。

传感器对角线。 传感器对角线的长度用于计算裁剪因子。可以用勾股定理从两侧直接计算出。

传感器平面。 传感器或胶片在相机内的平面。您可以在相机的∅符号处找到它。

作物因子。 全帧对角线与任何给定格式的传感器对角线的比率。

像素 小型的光敏探测器。像素是影响图像数据的最小成分。相机传感器上有数以百万计的图像,它们可以生成图像。

像素数。 在传感器上找到的像素数。通常以兆像素为单位,MP为 1,000,000像素。

像素大小。 单个像素的物理尺寸。它是一侧的长度,以微米为单位,μms。像素越大,它可以收集的光就越多- 通常可以降低噪声。

ISO。通常称为“敏感性”,只有一半是正确的。该设置填补了不同格式和像素大小之间的曝光不一致。我们将对其进行详细研究。

信噪比(SNR)是图像上有价值的光信息(信号)与随机信息(噪声)的比率。光越少,信噪比就越低,因此噪声也就越大。

镜头条款

焦距。镜片的物理性质,以毫米为单位。它与镜头的视角成反比-但是,它并不能自行确定。

视角。缩写为AoV。给定格式 焦距产生的角度(垂直,水平或对角线)。视场(FoV)非常相似。它们可以互换使用。

景深。缩写为DoF,是指可接受焦点的区域(深度)。它拍摄距离和  光圈大小决定。 焦距或传感器尺寸不会影响景深。

投影。 镜头图像覆盖在胶片或传感器平面上的区域。

收敛点。 透镜中所有聚焦的入射光会聚成一个点的点。通常是虹膜的位置。

虹膜/膜片。透镜的机械部分,位于会聚点附近。它缩小或扩大了光圈的大小。有时称为光圈,适合日常使用,但不适用于此处。

光圈。 会聚点处的镜片开口。

光圈大小。由于孔是圆形的,因此我们可以使用其直径(以毫米为单位)给出尺寸,这是计算等效性时的关键因素。

相对光圈。 焦距与光圈大小之比。通常以f档给出  。 暴露的重要部分。

停止。 通过实际的透光率比率校正f档。T-Stop可准确测量通过镜头的光。

法兰距离。 相机系统中从传感器到镜头座的距离。

覆盖范围。 来自镜头的投影圆的大小。在传感器平面上测量。它会告诉您镜头是否覆盖格式,或者您应该看到黑角。

格式。 给定镜头设计的传感器格式。

该图解释了镜头投影的工作原理

解析度。 镜头的光学质量方面。通过将镜头与MTF图表显示的“完美镜头”进行比较来测量。它指的是镜头的清晰度。

全帧标准的重要性

那么,为什么将所有内容与全画幅进行比较,为什么还需要这样做呢?

这个问题有多个答案。

在上个世纪,35mm胶片是最受欢迎的格式。这种格式代表了低价,便携性,图像质量和性能之间的平衡。

大多数摄影师都熟悉35mm胶片相机上焦距的“外观”。20世纪创作的几乎所有摄影指南和书籍都以35mm为基础。

35mm全画幅–电影和数码

您也可以使镜头适应不同的格式。您可以使用适配器将旧的35mm胶卷镜头安装到APS-C机身上。或者,您可以在APS-C佳能EF相机上使用全画幅佳能EF镜头。

这种适应性带来了对公共参考点的需求。

全画幅(直到最近)是每天摄影师都能负担得起的最大画幅。

除高级专业人员外,所有人都无法使用中等格式。因此,以全画幅作为基准很有意义。

作物因素

作物因素是您之前从未听说过的短语。它指的是给定传感器尺寸与全帧尺寸之比。它是使用对角线计算的。

当今的大多数数码相机都没有全画幅传感器。相反,它们具有更小,更便宜的传感器。

这些传感器是您可以从本地技术商店的货架上拿起的数码单反相机和无反光镜相机中找到的。

与全画幅相比,它们要小得多。虽然有常见的尺寸。最普遍的是:

  • 紧凑型相机和智能手机均使用尺寸小于13mm x 9mm的传感器。它们的裁剪系数在3倍至8倍之间变化。
  • 微型四分之三(MFT或M4 / 3)–这也是相机系统的名称。这些是可互换镜头相机中最小的传感器,尺寸为17.3mm x 13mm。对角线为21.6mm,正好是全画幅的一半。因此,它的裁剪因子是2倍。长宽比与全帧的3:2不同;而是4:3。
  • APS-C –比MFT大。大小不正确。APS-C传感器的尺寸在22x15mm至25x19mm之间。宽高比为3:2,与全屏相同。此处的作物系数是1.5-1.7倍。
  • APS-H  – 29.2mm x 20.2mm尺寸的格式,现已绝迹。它的作物因子是1.3倍。APS-C和全画幅佳能相机

如果将这些传感器的对角线与43mm的全帧对角线进行比较,则会得到裁剪因子

裁剪因子为十进制形式。裁剪1.6倍意味着传感器比全画幅小1.6倍。0.8x的裁剪意味着传感器比全帧大1 / 0.8。

全帧的裁剪因子为1.0x。

作物因子对视野的影响(焦距)

作物因素告诉我们很多事情。它最明显的影响是视野的变化。

摄影镜头的投影有限。投影是一个圆。它的大小会有所不同,具体取决于您距离镜头的距离。我们在成像平面或传感器平面上对其进行测量。

相机镜头在设计时会考虑特定的格式。全画幅镜头必须覆盖全画幅传感器的尺寸,并且要更大一些(以获得更好的质量)。因此,它的投影设计得足够宽。

这意味着,如果没有其他障碍物,您也可以轻松地将全框镜头安装在较小的传感器上。

但是该镜头的行为不会像全画幅相机那样。该作物的因素 接踵而来其视野。

您有可能一直在这样做。最受欢迎的定焦镜头,有  五十多种(50mm f / 1.8)涵盖了全画幅传感器。它是为胶片相机设计的。

当您将其安装在较小的数码相机上时,就不会使用整个镜头!

看看不同的传感器如何“裁剪”:

该图比较了全画幅镜头与微型四分之三和1.6倍APS-C传感器

这种作物因素在现实生活中意味着什么?

作物因素不是问题。您可以利用作物因子的影响来满足您的需求。甚至可能导致特定镜头的清晰度增加。

例如,我经常使用佳能EF 24-105mm f / 4 IS镜头。这是一个锋利的镜头。但是它对像角有很强的球差,从而导致这些区域模糊。

当我将镜头安装在裁剪传感器相机上时,那些角被裁剪掉了。因此,图像的整体清晰度更好

这是您最容易理解视场的方式:

远摄效果得到了增强–在较小的传感器上,远摄镜头的远摄效果甚至更高。

另一面也有效。甲广角镜头设计用于全帧(比如说,24mm的F / 1.4)将寻找一个作物相机上更紧。

选择镜片时请记住这一点。

如果将镜头的实际焦距乘以裁切因数,则会得到等效的焦距。 它显示了什么焦距可以在全画幅相机上提供相同的视野。

请记住,焦距只是镜头的属性。因此,为作物传感器设计的镜头标有其实际焦距,而不是等效焦距。

信息图解释作物传感器

18-55mm套装镜头是为APS-C相机设计的。APS-C的产量约为1.6倍。因此,该组合提供了与28-90mm镜头全画幅相同的视图。

因此,作物因子对视场的影响不是好是坏,但必须要看到它。

作物因子对孔径的影响

如您先前所见,我们必须在相对光圈和光圈大小之间做出严格的区分。

相对光圈是您每天使用的光圈。这是接触的重要组成部分。这是相对的,因为它是焦距 与  光圈大小的比率。

另一方面,孔径大小是指孔径的物理大小。

用直径表示。从这一点,我们可以计算出的实际面积,使用πR 2公式。直径是半径的两倍,所以面积是π(d / 2)2

此计算表明,光圈确实受裁剪因子(二者的幂)影响。让我解释。

作物因素背后的物理学

奥林巴斯25mm f / 1.8镜头和佳能50mm f / 1.8镜头

我们有两个镜头。25mm f / 1.8是微型四分之三相机的流行选择。50mm f / 1.8镜头通常是全画幅相机的首选。

25mm f / 1.8的孔径为14mm,而50mm f / 1.8的孔径为28mm。与50mm镜头相比,25mm镜头的光圈大小为f / 1.8 的四分之一

他们仍然让相同数量的光通过。但是,这25毫米的光线从四倍于更大的区域会聚光。

让我们将它们安装在M4 / 3和全画幅相机上,以获得相似的视野。

以2倍的裁切率,您将裁切出 25mm覆盖范围的3/4,从而裁切出其光线。

如果您不相信自己会在此过程中损失光,请这样考虑:光就是能量。您不能同时在越来越大的区域中拥有相同数量的能量。

这个事实意味着,在相同的光圈值(相对光圈)和视场下,M4 / 3相机所获得的光是全画幅相机的1/4

为了用通用公式表示,在相同的f档下,作物传感器上的光(作物因子)减少2

如何避免作物因素?

简单。寻找适合您的农用相机具有相匹配的视野和 相同光圈大小的镜头。

因此,全画幅上50mm f / 2相当于微型四分之三上25mm f / 1。

但是,此规则仅适用于视野和总光线(以及景深)。清晰度和细节会受到其他方面的影响,稍后将对其进行详细介绍。

在下面,您可以看到接收相同光量的某些传感器尺寸和镜头组合。他们给出了相同的视野。如果其他因素保持不变,它们也具有相同的景深。

gif图,显示了将不同的光量和相同的视场投射到不同传感器的组合

作物因子对景深和背景模糊的影响

首先,让我们消除一个神话。

景深是  不 影响任一传感器的大小或焦距。影响它的是如何 适应传感器尺寸和焦距的变化。

它仅由两个因素决定:聚焦距离和  光圈大小

但是有一个转折。

我们经常使用f-stop来测量光圈。在恒定的光圈值下,焦距的增加导致光圈尺寸的增加。这给人一种错觉,即焦距会影响景深。

为了说明这一点,我使用了24-70mm f / 2.8镜头。所有三个图像都来自同一位置。我裁剪到24毫米镜头以匹配70毫米镜头。这种裁剪具有与3倍裁剪因子相同的效果。 

底部的两个图像具有相同的光圈大小。他们的景深是相同的。

顶部的两个图像具有相同的相对光圈(f-stop)。在这种情况下,它们的景深会有所不同。在70mm f / 2.8时,将较大的25mm光圈设置为较浅的景深。

电脑键盘在不同光圈下的三张照片

注意:如果您想知道DoF的精确数量,则需要计算混乱的圆。我在这里省略了它,因为在本文中我仅比较自由度,而不计算其实际数量。

使用等效镜头保持模糊和散景恒定

随着增加焦距,背景模糊也会增加。即使使用固定的光圈大小(按比例减小的光圈,该规则也有效)。

更长的远摄焦距可以在任何格式下带来更多的背景压缩。

而且大多数时候背景是什么?

您猜对了:模糊

因此,唯一发生的是模糊变得更加明显。如果在所有不同格式中使用等效的镜头,则模糊量将相同。

用不同的光圈拍摄的两张电脑键盘照片
第二张图像的景深较小-但散景更明显

借助焦距变倍器和增距镜改变视场并实现F-stop

是否想以近似等效的方式在较小的传感器上使用全框镜头?您可以选择

减焦器或增速器是光学透镜适配器,也称为减焦器。

本质上,它们减小了整个光学系统的焦距。

它们将镜头的投影更改为落在较小的区域上,从而导致该区域上的光密度更高。

因此,当您安装焦距缩小器时,不仅会扩大视野,还会增加f-stop。由此得名。

焦距降低器与50mm f / 1.8镜头和微型四分之三相机配合使用
焦距降低器与50mm f / 1.8镜头和微型四分之三相机配合使用

也有与此相反的解决方案。如果您想在不更换较小传感器的情况下扩大远摄镜头的距离,请使用增距镜。

它通过介入光学系统来增加焦距。它减小了视野和f-stop

增速器和增距镜都会降低光学质量。如果您选择其中任何一个,请注意这一点。最好从知名制造商或相机制造商本身购买。

例如,Metabones为微型四分之三相机提供了出色的速度提升器。使用这些镜头时,可以使用焦距为0.71或0.64的全画幅镜头和f-stop。这种助推器几乎可以还原其全画幅行为。

由于前面说明的原因,增速器或增距镜都不会影响景深。

作物因子对ISO的影响

显然(从光圈当量),您可以看到裁切因数也适用于ISO。F-stop掩盖了实际的光圈大小–相机必须对此进行校正。

您可能没有注意到它,但是证据就在您的眼前。

让我们看一下物理学。

作物因子对ISO影响的说明性例子

取两个矩形(还不是传感器)。一种是微型四分之三(MFT)传感器的尺寸。另一个是全画幅传感器的尺寸

将它们放在墙上,彼此叠放,上面的较小的一个。

现在,将投影机放在近距离。将亮度均匀的图像投影到墙上的矩形上。

在这种情况下,投影仪和矩形的行为就像照相机系统

该系统具有一个光源 -投影仪的灯,可投射一定量的光。

投影机内部有一个镜头。相机镜头的位置很奇怪,但工作原理相同。

并且,它具有一个传感器,该传感器在墙上呈平面矩形的形式。

图,使用投影仪解释作物因子对ISO的影响

突起是圆形的。注意:在真实的相机系统中,总是如此。镜头中的某些部分可能会将其切成矩形。玻璃本身总是投射出圆形图像。

它的光线均匀地照射矩形。每秒都有总计从投影机发出的光。显然,矩形并不能全部显示。

较大的矩形从投影中切出一部分。它没有意义,因为它超出了它的覆盖范围。撞击大矩形的光量已经小于总量。

较小的矩形放置在较大的矩形内-其覆盖范围更小。因此,它削减了总投影的一小部分。

图,使用投影仪解释作物因子对ISO的影响

如果投影的亮度均匀,则各处的光密度相同。这意味着较小的区域比较大的区域按比例获得较少的光线

计算方式

我们可以用数字来表达。我们必须计算矩形的面积,以获取落在每个矩形上的光的比例。

MFT大小的矩形的面积为2,24 cm 2,而全帧大小的矩形的面积为8,64 cm 2

将两者相除,您会发现落在全帧矩形上的光总量比MFT尺寸的多3.85倍。

这个数字(毫不奇怪)接近MFT的作物因子2 2。它不完全相等的原因是不同的宽高比。对于以下内容,我们将其向上舍入为4。

如果我们使用APS-C进行计算,则将为1.5 2 = 2.25。

比较全帧传感器和微型四分之三传感器的示意图

ISO等效在实践中意味着什么?

让我们将矩形换成真实的传感器。我们不必知道它们的像素数-我们只需要根据它们的面积以及它们的总光线感知来进行计算。

但是,我们必须假设它们具有相同的像素数–我们还不需要额外的变量。为了比较噪声水平,我们还假设两个传感器使用相似的技术,并且它们的寿命和磨损水平相同。

我可能会为此感到惊讶。每个相机的ISO等级都不相同。ISO值不代表任何定义的感光度

相反,ISO标准基于曝光值和场景亮度。它在1973年和1986年的两个ANSI暴露指南中进行了标准化。

因此,ISO值不取决于放大率或灵敏度。它们是由外部环境决定的

这意味着,如果某个传感器从特定场景获得的光少于另一传感器,则  必须更敏感才能达到相同的 ISO值。

让我们回到MFT和全画幅示例。在相同的焦距和相同的光圈值下,MFT传感器在任何给定场景中获得的光要比全帧传感器少4倍。

这意味着来自MFT传感器的数据必须放大4倍以上才能达到相同的曝光率。因此,MFT上的任何ISO级别的放大率都是全画幅传感器上的4倍。

因此,让我们用两个相机设置来说明这一点。一个是MFT传感器,带有25mm f / 2镜头。另一个是带有50mm f / 2镜头的全画幅传感器。再次,为了排除不必要的变量,我们假定它们具有相同的T停止。

我们使用两种设置拍摄对象的图像。我们将它们设置为手动模式:均为f / 2、1 / 100s和ISO100。曝光将相同

噪音水平

但是,如果将两者都放大到100%,您会发现一件事。MFT传感器上的噪声水平很有可能会更高。就像在全幅机上以ISO 400拍摄时一样。

到底发生了什么。为了在ISO 100下提供正确的曝光,MFT相机必须与全画幅相机在ISO 400下一样敏感。

您也可以采用不同的方法。在较小的传感器上,信噪比将较低。因此,要使信号达到设定的水平,您还必须提高噪声水平。

现在,无论如何这都不是问题。这只是物理学。在良好的照明条件下,任何传感器的性能都很好,没有明显的噪音。仅当您在光线较暗或以较大尺寸打印图像时,您才会注意到这一点。

即使在同一代,相同尺寸的传感器上,噪声水平也存在很大差异,这也是很常见的。原因在于技术变化,进步和价格差异。

那么,ISO的意义何在?

ISO是一个有用的设置,因为同一组曝光将在所有相机上工作。但是,它确实掩盖了传感器获得多少光。

像素级效果

到目前为止,我们进行了简化。我们假设传感器的工作方式类似于胶片,即对光敏感的连续表面。

他们不是那样的。传感器有像素。像素本身有一个大小-该大小包括有用和不有用的区域。

因此,让我们将百万像素带入这一思考过程。

希望我已经说服您,更大的表面意味着更多的光线。像素也一样。

较大的像素会聚集更多的光–较小的像素会聚集较少的光(如果其他所有条件不变)。

因此,如果我们对全域ISO效果不感兴趣,而对像素级效果感兴趣,则必须考虑像素大小。
24MP全画幅相机的像素比24MP裁剪相机(例如MFT相机)更大。

MFT上的24MP表示像素密度的两倍。96MP的全画幅相机将具有相同的密度。

在那种情况下,我们可以使用全画幅传感器的中间1/4来模拟MFT传感器的每个光学特性。

放大到100%,它们也将具有相同的噪声水平。

等价对细节的影响

现在,清晰度和镜头分辨率是一个非常不同的问题。等效性以与其他元素不同的方式影响细节。细节不受光圈的影响(尽管会受到影响)。

为了测量镜头分辨率,我们经常使用所谓的MTF图。这些图表将给定的镜片与“完美的镜片”进行了比较-完全没有光学缺陷。

MTF图表提供的另一件事是可以从变量中区分传感器大小的选项。它们通常会测量全帧投影,但是您可以简单地忽略不感兴趣的部分。

MTF网格结构图

他们对镜头性能给出了客观,绝对的评价。

再次假设我们有一个具有相同像素数的较大和较小的传感器。较大的像素具有较大的像素。较小的像素较小。

我们在两个相机上附加了两个等效的镜头。较短的焦距,较低的f光圈镜头会对准较小的传感器。较长的,较高的光圈镜头可安装在较大的镜头上。

我们可以看到,较小的镜头必须更锐利才能提供相同水平的分辨率和细节。

除ISO等效性和制造困难外,这还会导致具有更高像素数的更大传感器。

较小的相机不值得配备高像素数传感器。如果不是出于ISO原因,则出于镜头性能原因。

如今,微型四分之三相机的实际极限约为20MP。对于APS-C相机,它要高一些,为30MP;对于全画幅相机,则为60MP左右。

如果您想做得更大,中画幅Fujifilm GFX 100可提供100MP。如果搭配合适的镜头,那将是100MP的真实细节。

紧凑型相机和智能手机则不同。它们的传感器很小,但像素数很高。

一方面,他们有固定的(通常是定焦的)透镜,可能针对其确切的传感器同行进行了优化。

但是他们也更多地依赖高级算法,内插法和其他技巧。这些只会提高外观的清晰度,而不是真实的细节。因此,不可以,一部20MP智能手机的细节与20MP微型四分之三相机相同,更不用说全画幅相机了。

注意:出于相同的原因,有些人将景深解释为传感器尺寸的函数。如果我们包括混乱圈的变量,那是真的。但是,这是另一篇类似的长篇文章的主题,我不想使这篇文章更加复杂。

使用等效性选择正确的工具

那么,您如何利用所有这些新知识?

首先,您现在知道如何为不同的格式挑选等效的镜头(如果它们确实存在)。

但是有身体上的限制。在MFT上相当于24mm f / 1.4的全画幅为12mm f / 0.7。不存在这样的镜头。

您现在也熟悉了相互之间的关联。

等效的景深就是一个很好的例子–几乎没人知道它是如何工作的。(即使相关的维基百科页面过于复杂,尽管在摄影主题中通常是准确的。)

另外,如果您想在其他系统上模拟特定格式的外观,则从现在开始,您将知道该如何做。

当有人说“ 50mm镜头是DX传感器上的75mm镜头”时,您现在就明白了。您还知道那只是事实的一半。

结论

公平地说-从事摄影并不是您迫切需要了解的等同知识。只需使用 齿轮而几乎不考虑它,您可以获得惊人的结果。

但是,如果您想知道摄影的  背后  –这是您不能错过的事情。等效性是对相机制造商和购买者产生同等影响的核心知识。