1、高像素时代的挑战
2015年6月，佳能公司推出了5DS/5DSR机身，把像素大战推到了一个前所未闻的高度——半亿像素的135全画幅机身。一大批风光摄影师立刻加入了5DSR的阵营。
整整3年过去了，5DSR依然是目前市场上高像素的王者。虽然从几年前刚发布的时候，我就说和5D3/5D4比，5DSR是一个偏科生。它主要就是为了需要高像素的一部分风光摄影师和商业摄影师而设计的。 不过三年后，虽然这台机器也到了需要更新的时候了，市场上也出现了很多素质极高的竞争者，但我们可以说，5DSR宝刀不老，它依然是目前市场上最好的135风光机之一。
不过这样的高像素，对我们整个拍摄流程都提出了更高的要求。如果支撑系统不够稳，如果镜头不够好，如果拍摄参数设置不对，那么就可能达不到最好效果。
当然这绝不只是5DSR要面临的问题，所有当代高精度摄影系统，从高像素135机身到中画幅数码后背，都对整个摄影系统和摄影师技术提出了更高要求。
2、衍射效应
今天我要讲的，是一个被很多人忽视，但却严重影响画质的因素 – 衍射效应。
本来我以为这个问题是一个小白都知道的常识。可是这几年我做了大量线下实体讲座，讲课过程中我发现，大部分听众（也许有80-90%）根本不知道这个概念。这包括一大批很有经验的摄影师。
有一次我讲完课，下面的一名听众告诉我他恍若大悟。
他说有一次他帮一名著名风光摄影师作展览，但发现他所有的照片放大后画质都不清晰，都经不起放大。 这位摄影师几乎所有的作品都用是f/22这样的小光圈拍摄。本来以为这样可以有大景深，照片应该处处清晰。结果却不是。
听了我讲后他才明白，原来f/22是我们应该极力避免的光圈值。
什么是衍射效应？学过中学物理的都知道，波（比如水波，声波）在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后會发生不同程度的弯散传播 （这是Wiki的解释）。
当波通过一个小孔的时候，孔径越小，波束扩散越大。下图左边的孔径大，右边的孔径小，因此右边的波束扩散的更厉害。
（图片来源：.co.uk）
光其实也是一种波。而镜头的光圈是一个小孔。光线通过光圈的时候，同样会发生衍射。光线本来应该会聚成一个小点，因为衍射效应扩散，结果成了一个明暗条纹间隔的光斑，这种斑物理学家称之为埃里斑。
上图是计算机模拟的埃里斑，图片来自wiki
这是一束红色激光通过小孔形成的埃里斑，图片来自wiki
3、我们为什么要关心这个？
理工男，你说这些枯燥无聊的物理理论干吗？对摄影有一毛钱的用途吗？
有。有成千上万元的用途。因为衍射效应会严重影响画质。它能把你价值几万人民币的顶级单反系统，或价值几十万元的中画幅后背系统的解像力，降低到价值数千元入门机的水平。
任何光圈都会导致衍射。光圈越小，衍射效应越严重，埃里斑越大。
我们想象一下，本来画面中相邻但不重叠的两个小点，我们的传感器能分辨。数毛党们最喜欢干的事，就是去看能不能在照片上分辨出两根毛出来。
但由于衍射效应，这两个小点变成了两个大光斑。如果衍射效应严重，这两个光斑很大，会重叠严重，导致传感器完全没法分别它们，把它们当成一个点了。如果是两根毛，现在融合成一根毛了。
结果自然是解像力大大下降。对数毛党来说，这可是天大的事。
4、衍射极限光圈
这里我们要引入一个概念 (DLA) – 衍射极限光圈。
对任何一个相机来说，我们缩小光圈都会损失画质。一开始损失有限，人眼可能看不出来。 但凡事有一个极限。超过这个极限，画质就开始明显受损。
那么我们怎么来确定这个极限？什么样的光圈才会影响画质？
这个问题和像素大小和光圈值有关。
像素越小，像素密度越高，受衍射效应的影响就越严重。
在下面的图中 (上有这个计算器），每一个细方格代表一个像素。在计算的时候，我们选择佳能 EOS 7D/60D 机型，因为这些机型的CMOS像素大小是４.3微米，很接近5DSR的像素大小。显然：
当光圈是f/4的时候，埃里斑直径是5.3微米。不过这个直径包括了光斑外围比较弱的部分。如果我们只看中间最亮部分，我们可见它的直径小于一个像素。f/4光圈对解像力不会有可见影响。
2.当光圈是f/8的时候，埃里斑直径是10.7微米。不过这个直径还是包括了光斑外围比较弱的部分。如果我们只看中间最亮部分，我们可见它的直径稍微大于一个像素。f/８光圈对解像力开始有轻微影响－这个影响很小，肉眼不容易看出。f/８就是５DSR这个相机的衍射极限光圈。
当光圈是f/11的时候，埃里斑中间最亮部分开始跨越1.5个像素，两个相邻点或线条现在可能会重叠到一起，不可分辨。解像力进一步受限，虽然这个影响一般大家依然可以忍受。
显然，如果相机的像素比较大（传感器像素低，比如5D Mark4），那么f/11大概也看不到什么衍射效应。那么f/11可以算是它的衍射极限光圈。
3.当光圈是f/22的时候，埃里斑中间最亮部分开始跨越9个像素! 这意味着什么？本来5000万像素的相机，现在分辨率下降到5000/9 = 555万！
当然实际计算分辨力没这么简单。CMOS传感器是马赛克安排，解码时候还要猜色，但f/22导致分辨率急剧下降是理论上铁板钉钉的事。
5、实拍衍射效应对分辨率的影响
理论归理论，不少人不碰南墙不回头，面对理论，还是拒绝相信的。实际拍摄效果如何呢？我们来看看下面一个拍摄实例（这是我书中用过的例子）：
我们再看另外一个新例子，这是有一次我出门讲课前，突然想到要另外一个衍射效应例子，于是拿出相机脚架，用长焦拍摄我家后院远方的树林。
我放了4张原始RAW文件（f/8、f/11、f/16、f/22）在百度云盘上。如果读者拒绝相信我的话，并且有兴趣的话，可以自行下载研究：
链接： 密码：oqyp
拍摄器材：Canon 5DSR + Canon EF 70-200mm f2.8L IS II。相信我，一定是最稳定的支撑系统，锁定对焦，实时取景，２秒延迟拍摄。
注意，为了手机和投影仪看图方便，下面的例子全部是放大约400%的屏幕截图，因此哪怕是f/8的成像看起来也有点不实。如果是100%图像截图，f/8会很清晰，但手机上看可能就太小了。
但这些图应该能足够说明问题。如果想看细节，读者可以去解码我提供的RAW文件。
f/8(未锐化）的400％截图
再看看f/22(未锐化）的400％截图。差别大吧？
怎么样，差别大吧？
不止是5DSR有这个限制。所有的高像素相机，不管是135系统还是中画幅系统，都面临同样的问题。
飞思博客网站上给出了一个飞思一亿像素后背在不同光圈下的表现。结论是f/8清晰，f/11开始画质下降。 f/16画质损失就很明显了。 f/22非常糟糕。
6、见证奇迹：小光圈分分钟让牛机变垃圾
我们能不能定量估计一下，在高像素机上，f/22 这样的小光圈，到底有多糟糕？我们来做一个实验（你也可以自己做）。
在PS里，我们首先把刚才那张5DSR的f/8的图片缩小。边长缩小到原来的50%。我们知道，边长缩小50％，结果图片像素会只有原来的1/4。也就是说，原来是5000万像素，现在只剩下1500万像素。
我们再把这个1500万像素的图像插值回到原来大小。现在我们把这张模拟的1500万像素，f/8照片，和刚才那张5000万像素,f/22照片比比看：
模拟的1500万像素，f/8图片的400％截图
5000万像素，f/22的400％截图
怎么样？1500万像素，f/8图片细节和清晰度都明显更好。换句话说，
如果你和某些老法师一样，坚持用f/22，坚决不相信科学和理论，那么你用5000万像素高级机身拍摄的照片，其清晰度大概相当于用1000万像素左右的老掉牙机器拍摄的！！！
这也符合我们前面的快速估计。
7、关于衍射效应的很多奇谈怪
关于衍射效应，某些人，包括某些名人，有一些奇谈怪论。比如布赖恩·彼得森（Bryan ），这个著名老法师代表。这位是《理解曝光》等全球畅销书的作者。
他在书上和自己的讲座里一直说： “网上关于衍射效应的说法全部是胡扯。为啥胶片时代我用小光圈从不担心衍射？”这句话已经成为笑柄。能这样完全罔顾理论和事实，我也是醉了。
胶片时代的确有很多人用f/22-f/32，亚当斯这群人还用f/64呢，给自己的小团体取名f/64小组。可是原因是啥呢？
那时候极少有人把照片放的特别大。一般最多放大7-10倍。135胶片放大风光片，一般也就到12寸，再大就没法看了。这也就是那时候拍风光几乎一定要中画幅起步的原因。 135胶片真没法看。数码时代不一样了。高像素135相机拍的文件，可以轻易放大到一米或更大。放大倍数高这么多，我们对原始画面清晰度要求自然也高的多。对了，虽然我现在的主力机器是中画幅，可如果有人说严肃拍风光的都是中画幅起步，我得说“醒醒，醒醒”。老镜头素质差，分辨率差，掩盖了衍射效应。 最关键的原因，是胶片本身分辨率有限。
比如，135反转片的有效分辨率大约相当与8百万-1千万像素 。比EOS 5D（1千2百万）这样的老古董还低。我们看看如果是EOS 5D（8.2微米像素大小），f/22，结果会怎样？
显然，5D这个古董相机的像素大小是5DSR的近４倍。f/22对5D的影响，约等于f13-16对5DSR的影响。影响还是在那儿，但的确不那么明显。大部分反转片实际分辨率还不如5D，所以f/22虽然不是最佳光圈，但还是可以用的。特别是胶片时代我们很少把照片放那么大，因此一般是没问题的。
至于说现代高像素相机上用f/22也没问题, 那就纯粹是胡说了。
还有另外一个老法师说“衍射效应的确存在，但根本不用担心。简单锐化一下就可以了”。拜托，锐化只能提高反差，不能增加细节。模糊成一片的图片，你如何锐化？
把f/11的结果锐化成接近f/8是可能的，把f/22的结果锐化到f/8-f/11是不可能的。而且f/8的图也可以进一步锐化，让图看起来更锐利。
所以古代人可以用f/22, 并不等于现在可以用。其背后的原因我们需要想一想。
8、衍射校正
那么，后期到底能否消除衍射效应带来的问题？
通过适当的锐化，我们能增强反差，让画面看起来锐利。 但失去的细节是不可能通过常规锐化(USM) 找回来的。
但是，有一种特殊算法（反卷积/）能找回部分细节。 这需要建立复杂的数学模型，然后反推衍射发生前的原图，用于处理哈勃望远镜的图像。
记住，PS里的USM锐化不是反卷积算法！
很多软件/硬件目前开始加入了反卷积算法。下面是一些例子：
佳能的DPP里的镜头优化模块已经包含了衍射补偿功能（反卷积算法)。你只要打开数码镜头优化功能就可以了。
One Pro 10引进了“消除衍射”功能， 能消除接近一档光圈的衍射影响。 f/16的照片可以接近f/11的效果。
是另外一个反卷积算法锐化软件， 它可以减轻因为衍射/抖动/失焦而导致的模糊， 但是目前只对TIFF/JPG锐化，不是对RAW锐化。
我们来看看佳能DPP的数码镜头优化模块的反卷积算法到底有没有用：
f/8无优化（400%截图）
f/16无优化
f/16打开优化
显然，DPP的反卷积算法是很有效的。虽然不能消除２档小光圈的影响，但效果还是很明显。
我们再来看看佳能DPP的数码镜头优化模块的反卷积算法对f/22光圈到底有没有用：
f/8无优化（400%截图）
f/22无优化
f/22打开优化
还是有明显效果。
咱们如果不玩这么高深的反卷积锐化，就用PS里的普通USM锐化可以吗？不可以！
我们来比较：
f/22原图无锐化（400%截图）
f/22 DPP 镜头优化模块锐化
f/22 USM锐化（我试验了不少参数，实在没法做的更好）
显然，USM锐化只是能提高一点反差而已。 而且它会导致大量的噪点。
9、更深入的一些内容
艾利斑大小还和光线波长有关。但我们不是拍单色光波，所以只能考虑平均。
另外，同样光圈值，在不同焦距下，其物理孔径大小是不一样的，衍射效应是不是一样？答案是一样，光圈大小和艾利斑直径直接相关。
我们看实际情况吧。 下图是的EF 16-35III + 5DSR的评测。这么镜头可能是当前最好的一枚广变焦了, 至少是之一吧。 和F16-35II比，真是彻底脱胎换骨。
16mm端的f/5.6, f/11, f/22的分辨率:
35mm端的f/5.6, f/11, f/22的分辨率:
变焦镜头的两端的分辨率绝对值不能直接相比，但我们看趋势吧，特别是比较小光圈地时候，镜头中央分辨率主要是受衍射极限而限制。
显然，不管是16mm还是35mm端，相对变化是相当一致的 （注意从f/11 到 f/22的变化）
的这个测试，也对我们选择什么样的光圈 有一些启发：
考虑到用广角拍风光基本是需要包括前景的。用f/5.6大部分情况景深是不够的，而且边缘分辨率又那么差。因此我觉得最好的光圈还是f/8左右，再加上后期衍射补偿，我们依然能最大限度利用这个系统的分辨率。
有必要的话，放宽到f/11（换取更大景深），再加上后期衍射补偿，也是可以的。
当然不同镜头不一样。有些镜头（基本所有中长焦都是这样，很多定焦广角也是如此）全开或稍微收缩一点光圈，边缘画质就到顶，不会在提高了。
用长焦的时候我们一般不必考虑缩小光圈去提高边缘。但是景深还是需要考虑的，所以我还是会用f/8－f/11。
10、请说人话！
波长，衍射，艾利斑，反卷积，说了那多技术名词，很多文艺青年估计都懵了，到底我们应该用多大光圈？
下面是文科生也能看懂的结论：
这里假设我们只是拍风光，需要全景深。不拍摄背景虚化的人像。
大光圈的特点：
小光圈的特点：
当我们拍摄风光的时候，我们要在景深和清晰度之间作一个权衡。
对大部分当代高像素数码相机如5DSR来说，用f/5.6拍摄清晰度一般最好。所以有极少数狂人如Mark 哪怕是用14mm定焦超广角的时候， 也坚持只用f/5.6加多张景深合成。他认为这样画质最好。
但对多数人来说， f/5.6的景深通常不够，总做景深合成也麻烦，此外某些镜头边角残余相差也是一个问题，上面我们就举过一个例子，说明16-35 f/2.8III在f/5.6的时候边角分辨率不行。
前面例子显示，f/22能把5千万像素的机身分辨率变成比1千万像素还差。如果你和某些老法师一样，面对理论和事实还是做鸵鸟，请你自己用f/22拍片，然后来告诉我这画质没问题。
注意，以后如果发布更高像素相机（比如已经发布的飞思的1.5亿像素后背，或者未来7-8千万像素的135系统），衍射效应带来的限制会更严格。那个时候我们主要用f/5.6-f/8。
如果用f/8-f/11拍摄景深不够怎么办？我们有两个办法。
如果我们需要用比较慢的快门速度拍流水，海浪，和瀑布，请不要把光圈收小到f/16-f/22或更小（有的镜头还能到f/32呢）! 虽然流水本身没有太多细节，但周边的岩石，树枝等在小光圈下画质损失严重。
如果有可能，我一定会用中灰滤镜而不是小光来控制快门速度，中灰滤镜我建议采用卡色中灰滤镜，因为其偏色低，画质高清，总体品质相当不错。而且我也一直在用它与飞思一起创作。如果因为特殊原因（比如带了灯泡镜头却没有相应滤镜系统）没法用滤镜，我会用小光圈拍水，然后用f/8-f/11再拍摄一次岸边景物。 我在我的书中讲解过这种“速度合成”技术。
当然，如果你的摄影的全部目的就是在手机上发朋友圈或网上发小图，不印大照片，那么你用f/22-f/32好了。可是，你干嘛要用相机呢？手机更好用。
今天的衍射效应这一课到此结束。
END
我是云漫（胡亦鸣），旅居美国的华裔风光摄影师。 我是一个当今时髦的跨行业斜杠人：美国大学计算机终身教授 / 电子工程博士 / 职业自由风光摄影师 / 卡色光学全球形象大使 / 瑞士阿尔帕相机荣誉摄影师 / 佳能合作摄影师 / 《旅行者杂志》非凡旅行者 / 畅销风光摄影教科书《极致之美》作者。
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