刘宗凡
编者按：现代摄影术始于829年，至今已有将近200年的历史。摄影是文明手的手印，是近代文明的一大进步。用心发现身边的美丽，用光影留住美好的一瞬，摄像就是我们另一双发现美的眼睛。我们将用两期篇幅，带领大家回顾摄影的历史，盘点现在的主流相机，展望相机未来的发展方向，了解摄影和器材的方方面面，“擦亮”你发现美的“眼睛”。
“世界上并不缺少美，而是缺少发现美的眼睛。”法国著名雕塑家罗丹这句名言，让我们增添了对生活的许多遐想。大千世界，美不胜收；风情人物，让人流连忘返。人们长久以来让时光滞留的梦想，在摄影术发明以后，部分地实现了：“咔嚓”一声，按一下快门，把时光定格在最美的一刻。从此我们就多了一双观察这个世界的“眼睛”。原理：小孔成像
摄影，被称为光和影的艺术。摄影术实现的基础，是小孔成像原理。
两千四五百年前，墨子和他的学生做出了小孔成像的实验，解释了小孔成倒像的原因，并且记录在《墨经》中：“景。光之人，煦若射，下者之人也高；高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端，与于光，故景库内也。”（如图）大意是照射在人上部的光线，则成像于下部；而照射在人下部的光线，则成像于上部。于是，直立的人通过针孔成像，投影便成为倒立的。
我们移动中间的纸板，后面的成像大小会随着改变，清晰度也会改变。这反映了光是沿着直线传播的性质。
当然，因为小孔进入的光线太少，如果要直接用于摄影是很难将影像保留在感光器件上的，所以我们用一组凸透镜代替小孔，用于修正光路。至于如何将影像留下来，在现代化学蓬勃发展的背景中，大家不断尝试，从银版法、碘化银纸到胶片，直到现在用CCD（CMOS）直接保留数字影像，这就是摄影发展200年的历程。历史：摄影大事记
793年，法国人尼埃普斯及其哥哥Clud已经开始着手研究如何“拍摄”。826到827年间，拍下了史上第一张照片——鸽子屋（如图2）。他用了超过8小时的曝光时间，尝试了各种感光材料。
839年8月9日，法国科学院公布了达盖尔的银版法摄像术：将一块涂有感光剂的金属板通过照相机感光后，再通过药液的化学作用，直接获得逼真的影像。达盖尔的银版法奠定了摄像发展的基础，法国科学院的无私公开造福了全人类。一般我们也认为这一天是摄影术的诞生日。用这种方法拍摄出来的照片具有影纹细腻、色调均匀、不易褪色、不能复制等特点。当然银版法在技术上也有着致命缺陷，只有在特定角度拍摄出的图像才会比较清晰，冲洗处理中出现的水银蒸汽有较高的毒性。下页图3是达盖尔于838年拍摄的巴黎街头，是第一张有人的照片。将近200年时光流逝，我们还能在照片中感受到科技带来的感动。
840年，塔尔伯特在银版法公布不久，宣布发明了碘化银纸照相法，也称为卡罗式摄影法。塔尔伯特的技术是将碘化钾和硝酸银制作成一种半透明的纸质负片，然后曝光十几分钟，感光的地方出现银粉末，是黑色的，未感光的地方还是纸的颜色。然后，他再根据负片印制照片。虽然碘化银照相法的影像质量不如达盖尔摄影法，但它能用负片反复印制正片，成为我们今天摄影方法的基础。
早期的感光底片是湿片，拍摄完后要马上冲洗。87年，出现了用溴化银感光材料涂制的干版。878年，柯达的创始人乔治·伊士曼研发出明胶干板。885年，伊士曼推出第一卷伊士曼胶卷，使摄影逐渐走入千家万户，成为一种大众艺术和娱乐方式。
975年，柯达年轻的工程师史蒂夫·撒森将一个孩子与小狗的黑白图像用CCD传感器获取，记录在盒式音频磁带上。这是世界上第一台数码相机获取的第一张数码照片，影像行业的发展就此改变。但是因为柯达对数码相机的发展的错误判断，没有抓住机会大力发展数码相机技术，第一个发明数码相机的柯达，却败在数码相机上，于202年申请了破产保护，令人唏嘘。器材：鱼和熊掌的选择
想拍出这个美妙的世界，首先我们要选择一部适合自己的相机。不同种类的相机有不同特点，专业相机价格昂贵，家用产品廉价方便，我们可根据自己的实际需要和经济能力去选择产品。从感光元件来看，相机可以分为胶片相机和数码相机；从相机结构来看，相机可以分为单反相机、无反相机、旁轴相机等。
数码相机从发明到现在，不过短短四十余年，却因为其快捷、便宜、方便后期处理等优点，如秋风扫落叶般将胶片相机推入历史的角落。但如同数码音乐风靡全球，但还是有人苦苦追求黑胶唱片一样，胶片相机虽然远离大众视线，但还是有些人坚守胶片相机的阵地。和数码照片比，胶片拍出来的照片有很高的宽容度，在高光与阴影方面都保留着相当充足的细节。独特的胶片颗粒质感、大画幅摄影的画质、纯机械的操作体验等，都是数码相机无法比拟的。
胶片相机现在已经没有全新的出售了，如果想体验一下这种“情怀”，只能在二手市场去淘宝。在“文青”汇集的豆瓣推荐的四大神机：佳能AE-、尼康FM2、美能达X700、奥林巴斯OM，根据成色只要几百块起步，价格适中，操作各有特点，是我们入门时可以重点考虑的机器。当然我们在选择胶片相机前，就要估算到胶片、冲洗等成本及方便程度，这都是不菲的支出。
下面我們从相机的结构来看看各种相机有什么特点。
单反相机
单反相机，是“单镜头反光相机”的简称，意即相机取景和拍摄是通过同一镜头实现的，当取景时，光线（影像）通过镜头，投射到45度安放的反光镜上，折射到机顶的五菱镜，再通过五菱镜的两次折射，投射到取景目镜（如图4）。拍摄者即通过目镜看到了与实物一样的正立的影像。在拍摄时，摄影者按下快门，反光镜向上翻起，打开镜头通向胶片（或CCD或CMOS）的光通路，反光镜同时将通向五菱镜的光路遮挡，防止杂光反向通过目镜进入相机影响成像。此时光圈收缩到预设值，快门打开，影像记录介质记录影像。当快门关闭后，光圈回到最大，反光镜回位，准备下一次的取景、拍摄。数码单反和胶片单反的工作原理是一样的，只是成像的感光器件不同。
和单镜头反光相机对应，双镜头反光相机有两个镜头，上下放置，上面的镜头一般用来取景，下面的镜头用来拍摄。因为没有安装五菱镜，根据小孔成像原理，我们知道取景时看到的影像是上下、左右颠倒的。另外，因为取景和拍摄用的是两个镜头，所以看到的景象和拍出来的照片是有差距的。因为双镜头劣势比较明显，所以现在数码相机已经摒弃了这种设计。
单反相机的感光器面积比普通数码相机大很多，因此单反相机成像质量非常优秀，即使在暗光下也可以拍出清晰的照片。单反相机还可以更换各种焦距的镜头，能满足各种拍摄范围的需求。随着技术的成熟和市场竞争，各大相机厂不断推出物美价廉的产品，入门单反相机已经下探到3000元以内的价位，因此单反相机已经逐渐成为了人们的宠儿。
2无反相机
单反相机对于普通人来说，偏大的个头、沉重的身躯，始终与日常使用有些隔阂。为什么单反相机不能做得更便携更轻量化？反光板和五菱镜是其中的拦路虎。如果我们去掉反光板行不行？这就是后来的无反相机的思路。
胶片相机时代，索尼就采取了半透镜来代替反光板，拍摄时没有传统反光板上下运行所产生的振动、延迟、取景器全黑时间过长等不利因素，同时用EVF（电子取景）取代五菱镜，所以拍摄速度非常快。但是因为光线是通过半透镜光线来取景，取景器不够明亮，自动对焦速度慢，对专业用户来说是非常不利的，所以无以为继。
进入数码时代，无反相机又东山再起。更小的体积、更轻的重量、机身防抖、媲美单反的成像质量，让无反相机逐渐走入普通家庭，生活摄影、旅游留念，无反相机都非常有优势。
在无反相机中，还有一种叫微单的相机。微单其本质就是无反相机，只是索尼注册了微单这个商标，其他厂商不能再使用微单来命名相机，使得微单仿佛成了一类相机。从微单的名字就可以看出来无反相机的特点：微型小巧，具有单反的画质。
3旁轴相机
旁轴相机，也称为旁轴取景式相机，由于取景光轴位于摄影镜头光轴旁边，而且彼此平行，因而取名“旁轴”相机。旁轴相机是在单反取景系统出来之前使用比较广泛的相机，其取景器也是由早期平视取景器改进来的。旁轴相机不是通过镜头取景，而是通过独立取景器取景，所以取景时有一定视差，特别是近距离时比较明显。正是因为视差这种情况的出现，严谨的摄影师逐渐摒弃了这种相机，“所见即所得”的单反成为了市场王者。
4卡片机
卡片机并没有一个严格的定义，我们通常将单反、无反以外的小型数码相机称为卡片机，轻薄、小巧、时尚是卡片机的特点。当然，也因为这些特点，使得卡片机只能使用比较小的传感器。在俗称“底大一级压死人”的摄影圈，卡片机的成像质量是无法与单反、无反相提并论的。也正是因为这个道理，卡片机的成像质量，比更加小巧的手机要好上很多——因为手机用的成像传感器更小。加上卡片机一般不支持更换镜头，能手动控制的项目也不丰富，所以它只能在单反和手机之间挣扎。随着手机摄像质量的逐年提升，进一步挤压了卡片机的使用场景，卡片机日薄西山无法避免。只有一些对手机摄影不满足、又不愿意携带笨重的单反、无反相机的人群使用。未来：新型相机的研究
在近200年的摄影发展史上，科技始终引领着变革。更好的成像质量、更便捷的拍摄方式，始终是人们的追求。在全面迈入数码时代以后，各种“黑科技”和奇思妙想也正在进一步改变摄影界。
光场相机
数码相机因为拍摄成本低，很多人养成了拍照时没有经过深思熟虑就按下了快门的习惯；在瞬息万变的体育赛场上，在活泼好动的动物前，我们想精确对焦也殊为不易。这样拍出来的照片有很多会“糊”了，就是焦点没有聚焦在主体上，或者说主体没有在景深范围之内，典型的情况就是背景清晰、主体模糊，这样就形成了大量的废片。“先对焦，后拍照”，这是摄影界颠簸不破的真理，尤其是在胶片时代。
如何解决对焦不准的问题，“先拍照，后对焦”这个天马行空的想法被提出来并被变为现实，Lytr公司首先做出了实体的相机。它利用在感光元件前的诸多微镜头记录讯息，达成拍摄之后可以重新对焦的方式。这就是近年出现的光场相机（如图5）。
光场相机和传统相机最大的不同，就在于感光器前的微透镜阵列。光线从主镜头到达微透镜阵列，析出聚焦光线，将光线资料转换成数码方式记录。通过透镜阵列，传感器的成像点分布在00余个平面上，换句话说，拍照片时，光场相机会记录00多个物距的成像信息，几乎涵盖了所有景深情况。相机内置软件追踪每条光线在不同距离的影像上的落点，经数码重新对焦后产生照片，从而实现先拍照后对焦。
光场相机的另一个优点是它超大的景深。微透镜阵列记录的所有光线的信息，可以使照片前后景都非常清晰。当然，普通摄影时通常都是虚化背景从而突出主体，但前后清晰的照片在工业领域是非常实用的，这也是光场相机的发展方向之一。
虽然光场相机后对焦技术代表着更先进的方向，但光场相机出现仅几年时间，仍然有一些硬伤无法解决。因为要存储不同景深的照片，所以实际拍照时的有效像素非常有限，拍出来的照片画质不高。另外，因为要处理如此多的数据，相机的成像速度非常慢，即使用上目前最先进的硬件，拍一张照片也要分鐘左右，抓拍和连拍几乎无法实现，所以现在光场相机还是一款比较小众的产品，实用性不是太强。
先拍照后对焦的思维，给了摄影界很多想象。现在手机上也出现了很多后对焦软件，实现和光场相机一样的功能。当然，手机因为体积的原因，不可能在里面集成透镜阵列，实现的方法是拍摄大量不同焦点的照片，然后通过软件组合成一组数据，后期用户选择一个焦点，再输出相应的照片。
光场相机像一个刚出生的婴儿，但它颠覆性的后对焦技术必将改变摄像发展的方向。
2无镜头相机
206年，日立发布了无镜头相机。无镜头相机因为不带镜头，能大幅减小相机的体积，也能实现先拍照后对焦技术，计划使用在无人机、机器人和汽车上。
无镜头拍摄技术的实现，就是在感光元件上方有一块同心圆形状的镀膜。当光线穿透后会立即形成阴影，这时感光元件会将同心圆与阴影进行重叠，光线入角会产生摩尔纹，再经过特殊的运算处理后，就会成像出一张完整的照片。
日立的这款无镜头相机因为没有镜头，大致可以推测到它可以记录场景中的全部光线。通过改变同心圆镀膜的尺寸，就能直接改变焦点的位置，从而实现后对焦技术。
3飞秒瞬间成像系统
20年，麻省理工（MIT）实验室发布了飞秒瞬间成像系统（ftsdtrstsyst）的视频，利用这个原理，新型激光相机可以让视线拐一个弯，捕捉到隐藏面另一侧物体的三维信息。
该系统的光源使用的是飞秒激光（ftsdlsr），其发射脉冲极短，精确度达到±5微米。所以，飞秒激光具有精确的靶向聚焦定位特点，能够聚焦到比头发的直径还要小得多的超细微空间区域，可有效控制并且精确处理光的传播路径信息。
同时，该系统不是使用有角度的镜面去反射光线，而只需将墙壁、门和地板这样的普通物体当作反射面，使飞秒激光通过反射后可以进入视线隐藏区域，遇到遮挡物后再次返回相机，所得到的数据包括反射面上的反射点和激光的传播时间。通过研发算法对这些数据进行处理，即可得到光的传播路径，从而计算出隐藏面的反射点位置。通过在反射面上设置多个反射点，即可重建出隐藏面内物体的大致轮廓和深度信息（如图6）。
这种相机非常具有想象力，在一些特殊场合能起到非常大的作用，如生物医学、辅助驾驶、灾后搜救等。手机：压垮卡片机的最后一根稻草
2000年，夏普发布了J-SH04手机，这是第一款搭载摄像头的手机。这款只有万像素摄像头的手机，在当时虽然没有引起太大的波澜，但揭开了手机摄像的序幕，手机到今天已经成为普通民眾使用最普遍的摄影工具。
手机摄像，从最开始的玩具性质，到成为卡片机的终结者，是哪一起技术起到了关键作用？
手机摄像的发展，是在提高摄像头像素的路上一路狂奔。从2000年的万像素开始，到203年诺基亚发布4000万像素摄像头手机Lu020，只用了短短4年。曾几何时，摄像头像素成为拍摄能力最重要的噱头。我们常说的像素，就是感光元件通过光电信号转换输出组成图像的一个个小点，可见，“像素”是构成影像的最小单位。比如一部手机能拍出来3000×8000分辨率的照片，就可以说，这部手机的像素为2400万像素。像素越高则代表图片分辨率越高。那么成像质量是不是简单地和摄像头像素成正比呢？答案是否定的。
影响成像质量最重要的因素是感光元件的大小。感光元件越大，能够记录的图像细节越多，可捕捉的光子越多，感光性能越好，能够带来更细腻的画质。我们先来看一下相机画幅的情况（如图7）。
目前使用最广泛的数码相机，以APS-C画幅为主，比较专业的相机会用到35全画幅。那么手机的感光器件的尺寸又如何呢？目前入门级手机用到的/4英寸（感光器件对角线长度），主流的是/32英寸，诺基亚拍摄怪兽PurV808，做到的尺寸是/2英寸。大家从下面的画幅示意图就可以看出，手机宣传的超单反的拍摄效果，基本上都是耍流氓。即使一般的卡片机感光器件都是/23英寸，而现在一般的旗舰机也很难做到这样的尺寸，所以绝大多数手机的拍摄质量是赶不上普通的卡片机的。所以我们不能觉得像素高，拍摄效果就一定好，也许适得其反，在如此窄小的区域挤下太多像素点，每个像素点捕捉到的光子越少，所获得的信息量自然就少了，越容易产生噪点，特别是在暗光的情况下。
为什么不能提高手机传感器尺寸来提高画质呢？因为随着传感器尺寸的提升，镜头成像圈、镜头尺寸、接口、成像距离等全部要提高。而手机这种要随身携带、使用频率极高的电子产品，必须追求轻薄、小巧，谁也不想带一部砖头般的“大哥大”在身边。所以手机摄像只能是在螺蛳壳里做道场。
在像素发展到一定阶段以后，要提高画质就得在镜头上下手。比如，诺基亚很多款手机的摄像头是经过卡尔蔡司认证的，华为手机的摄像头经过徕卡认证，小米6开始，摄像头也经过卡尔蔡司认证。当然，认证和生产是有差距的，但无疑质量有一定的保证，拍出来的效果比较好。
买手机还有一个容易忽视的参数是摄像头的光圈大小。相机可以根据需要调节光圈大小，从而控制进入相机内部的光线多少，而相机光圈是固定的，光圈越大，进入的光线就越多，特别在光线比较暗的情况下，大光圈能够获得比较干净的画质，噪点比较少。
提升画质的另一个方法，是使用双摄像头。彩色+黑白双摄像头的解决方案，就是利用两个摄像头同时成像，再通过ISP后期合成，这样既保留了彩色摄像头的颜色信息，又可以保证黑白摄像头的清晰度，从而提升画质。华为、360等厂商就是用这种模式。双摄像头的另一种用处，是提供光学变焦。手机因为厚度原因，没有空间像相机那样以镜头伸缩来提供光学变焦。而所谓的数码变焦，是用软件来进行缩放，和我们在Phtshp里处理图像是一个道理。所以数码变焦只能说是聊胜于无。现在的解决办法是使用两个不同焦段的镜头（广角+长焦）来实现，小米6就是采用这种方案。另外一种双摄像头，是采用“主摄像头+景深摄像头”的模式，HTCOM8和最新发布的红米Nt5采用类似方案，这种方案的双摄像头，能拍出主体清晰、背景虚化的效果，和单反相机的长镜头、大光圈拍出的效果类似，很讨人喜欢，拍出的照片有专业的感觉。
手机拍照还有个弱点，就是一般不会随身携带一个三角架。在光线较暗的情况下，因为较长时间的曝光，手机轻微的晃动都可能导致图像模糊。为了解决这个问题，首先采用的是电子防抖。电子防抖是针对感光元件上的图像进行数字分析，然后利用边缘图像进行补偿，当然这样的效果是可想而知的。其次是光学防抖。光学防抖有两种，一种是镜头防抖，是在镜头内置一个陀螺仪，来侦测微小的抖动，然后将信号传至微处理器，计算好需要补偿的位移量之后，通过移动内置的浮动补偿镜片组来加以补偿，从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。另一种光学防抖是CCD防抖，原理是将CCD固定在一个能上下左右移动的支架上，通过陀螺仪感应相机的抖动方向和幅度，然后传感器进行处理之后，就能算出CCD应该抵消的移动量。光学防抖能较好地解决手抖动造成的照片模糊，在现在的旗舰手机中一般都会配备。
同样的硬件，也不一定会有相同的效果。这就是算法的作用。苹果手机摄像头像素在手机中一直算比较少的，但拍出的效果在手机中却是最顶类的，这除了优秀的硬件支持，还和苹果公司长期的图像处理积累下来的经验有关。谷歌在提升画质上独辟蹊径，采用了多张照片合成的算法，就是现在大名鼎鼎的HDR+。谷歌HDR+不仅可以提升画面的宽容度，还能有效消除噪点，增强细节还原能力。经过数年的演变，多张合成提升画质的功能已经成为主流手机的标配。
在人工智能席卷全球的过程中，谷歌在Pxl2代手机加入了AI单元，现在没有AI加持的手机CPU仿佛已经被人唾弃，至少和旗舰无缘。高通骁龙845、华为麒麟970等纷纷加入AI模块。手机摄影也开始迈入AI时代。比如荣耀V0和华为Mt0的AICr，就是在自动模式拍摄时，进行“智慧场景识别”，并根据场景来调整、优化参数，达到更好的拍摄效果。即使我们只会按快门，对光圈、快门、焦距、白平衡等专业知识一无所知，也能拍出令人满意的照片。
在各方努力下，手机摄影从无到有、从弱到强，画质已经逐步逼近卡片机。手机有更好的便携性，拍完就能通过大屏幕好好地欣赏，能通过网络进行分享，还可以通过各种软件进行修图，可玩性比卡片机好很多。虽然手机摄影的画质离卡片机还有一定距离，但在能基本满足需要的前提下，谁还在乎损失的那点画质呢？手机在成为收音机、随身听等电子设备的终结者以后，又磨刀霍霍向相机，现在只有一些有特色的卡片机还能在市场上分一杯羹，普通的卡片机在智能手机的打压下，已经成为明日黄花。
科技是第一生产力，在摄影领域也是如此。风云激荡200年，摄影见证、记录了历史的悲欢离合，留下了珍贵的史料。在科技的推动下，摄影从胶片时代全面进入数码时代。摄影这个旧时王谢堂前燕，已经飞入了寻常百姓家。我们用这小小的镜头，寻找美，记录美，它成为了我们了解世界、记录世界的第二双眼睛。
文章来源于：中国信息技术教育