衍射、像素与锐度

发布日期：2013-09-26

正好有朋友在微博留言中和我谈到了关于衍射的问题，借此机会就像素与衍射之间的关系简单说几句。

不想详细解释衍射，因为有计划今后写一个基础知识系列，所以这些内容留到以后再写。简单来说，衍射是光波通过孔隙或阻碍时发生的一种行进路线改变的现象。这个基本概念应该在中学物理课上都学过。简单来说，衍射可能造成成像质量的下降。假设某一点发出的光线应该正好投射在一个像素单元上形成一个点，但是因为存在衍射，该点光源的成像可能就不是一个点而会发生模糊，由此影响成像的锐度。理论上来说，镜头光圈越小、感光元件单位像素面积越小，衍射对锐度的影响就会越大。

随着数码相机的像素总数越来越大，衍射对成像锐度的影响相应也变得越来越实际。需要指出的是，与衍射影响直接相关的是单位像素面积，而不是像素总数。因此，判断衍射对图像带来的影响，不但要考虑总像素，还要考虑感光元件的尺寸。

例如，尼康D700为全幅相机，其像素总数是1200万，大约在f/16的时候衍射对锐度的影响才会比较明显。同样为1200万像素，D300的感光元件尺寸是APS-C，因此在f/11的时候衍射效应就会影响成像锐度。索尼RX100将1寸感光元件切割为2000万像素，衍射效应的影响在f/5左右就会出现。普通的便携型数码相机使用1/2.3英寸感光元件，在f/3的时候衍射效应就会对锐度产生显著影响！

风景摄影通常会将光圈设定到f/8-f/11之间，也有人喜欢f/16以获得更大景深。风景摄影对锐度的影响又相对较高，所以衍射效应对风景摄影会有实际的影响。以D300的像素密度制造一台全幅相机，像素总数大约在2700万。因此，如果使用D600、5D Mark III这些相机，你可以比较放心地使用f/11进行拍摄。要让D800获得最佳锐度，光圈设置不应小于f/9，甚至不应小于f/8——不知你是否记得，尼康的D800拍摄指南中还专门谈到过这个问题。

风景摄影需要小光圈，而像素密度的提高会直接影响小光圈的成像质量，由此可以推论，过高的像素有害无益。f/8-f/11对于全幅相机来说是普通风景摄影较好的光圈设置，所以2400万像素的全幅相机是一个很好的平衡，3600万已经有些高了。

这是很长一段时间里我的观点，所以我也曾经属于 “高像素低画质”派门人，更何况高像素密度还面对性噪比下降等其他问题。但是，后来我意识到这种观点是错误的。

衍射对锐度确实会产生影响，而且像素密度越高、光圈越小，影响也就越大。但是这是以单位像素的成像质量为观察对象得出的结论。举例来说，以相同的工艺水平——我经常会设置这个前提，因为这是非常重要的前提，很多人都忽略了这个基本事实——制造一台1200万像素的相机——代号N7——和一台3600万像素的相机——代号N8——然后用f/13拍摄照片。在这个光圈设置下，衍射对N7的成像没有什么影响，但是对N8的影响很明显。于是，对单位像素进行观察，N7的锐度要好于N8。然而，N8的像素数是N7的3倍。我们观察照片看的不是某个像素，而是整体锐度。所以，要评价到底N8成像锐利还是N7成像锐利，应该把N8缩小到N7相同的水平，也就是1200万像素。在制造水平相当的情况下，这两幅1200万像素照片的结果从理论上来说应该是相同的！

一些评测证明，即使用小光圈拍摄，缩小到1200万像素后，D800的成像明显优于D700，这是因为D800的制作工艺水平显然要比D700高。假设CMOS制作工艺永远停留在D800目前的水平，若干年后我们看到了一台1亿800万像素的全幅相机——按照诺基亚Lumia 1020的像素密度，你可以制造一台7亿像素的全幅相机——那么只要把它缩小到3600万像素，你会获得与D800相同的结果。问题是CMOS的制作工艺肯定会进步，所以你应该能获得比D800更好的成像质量，即使衍射影响了f/5.6以下的所有光圈。

因此，提高像素并没有给你带来什么不好的事情。衍射的影响其实更大程度上是理论性的，画质并没有真的受到影响，你还有了更高的分辨率，差不多能当个望远镜用，多好？你说你损失了什么？

你损失的是理智！对不起，不是损失，是丧失。你丧失了理智！

我们需要更多像素的初衷是为了获得更好的成像质量，并且满足我们的日常需求。在上一篇文章中，我已经为你解释了我们的日常需求到底是怎么计算的。因为衍射效应的限制，当达到一定的像素密度之后，像素增加对画质的影响其实和光学原件已经不匹配了。我们可以用“无害原则”继续搞像素竞赛，但是我不明白为什么要这样。你干嘛不老老实实拍一幅3600万像素的照片，而非要把1亿800万像素缩小到3600万来使用？这不是你要干的事情，而是相机制造商该干的事情，就好像佳能在70D身上干的那样。Lumia 1020明明是一台好好的500万像素摄影手机，却偏要搞成4100万像素，因为不是这样就没法引起社会关注——标题党一样的逻辑。

我很赞同那位留言朋友的话，关于成像质量和像素必须进行综合衡量。虽然衍射对锐度的影响事实上可以通过缩小尺寸来消除，可是从整个系统的均衡性出发，我无法认同这种理念。我干嘛要花更多的钱、买更好的电脑、买更多存储卡来获得一个只是“画质没有下降”的结果？因此，相机的像素密度不应超出特定的光学限制，包括镜头的衍射。在我看来2400万像素的APS-C相机像素总数已经太高了——衍射影响发生在f/7左右，但是我的大多数照片是使用f/8拍摄的。给我一台D7100，我依然会毫不犹豫地用f/8或者f/11，心里却很不爽：就不能搞一台价格便宜点、像素低一点的玩意儿吗？

我并不简单否定高像素，但是真正需要高像素的人是非常有限的。有些场合需要极高的像素，比如哈勃太空望远镜。要是哪一天你能带着相机到哈勃太空望远镜上去拍照片，我衷心祝愿你能够带上一台2400亿像素的照相机，管它什么衍射，什么镜头分辨率！

在地球上拍照片？还是用地球人的头脑思考问题来得好些！