【计算摄影】图像美学专栏上线，先从学点摄影知识开始
大家好，这是专栏《计算摄影》的第一篇文章，这一个专栏来自于计算机科学与摄影艺术的交叉学科。这是第一篇文章，本篇文章的重点不是技术，但却是一个很有意思的主题，也是后面内容的基础。
作者&编辑 | 言有三
1 为什么要从摄影开始说
摄影是一门艺术，如今更是一门被大众学习和使用的技术，学好摄影可以更好地记录生活中的美好。计算机很多领域和摄影是分不开的，比如图像的质量评价，自动裁剪，图像增强，各类图像编辑技术，都属于摄影和计算机视觉以及图像处理的交叉领域，这还诞生了一个学科，即图像美学(computer aesthetics)，又可以称之为计算机美学，或者干脆俗称计算摄影。
第一幅摄影作品与第一部原型莱卡相机
现在我们单独开这么一个专栏，除了分享相关的技术之外，其实也是想与大家一起追求快乐工作和品质生活。玩摄影可以提高我们的生活品味以及获得乐趣，而玩技术则可以挣钱养家，为何不一起玩呢？那么接下来就跟紧我们的脚步，认真关注我们的新专栏《计算摄影》吧。
2 初学者该掌握的摄影基本概念
在这里，摄影的历史我们是不讲的，毕竟有三AI不是摄影公众号。另外关于图像的很底层的基础，比如图像分辨率这一些知识，我们公众号已经有过相关主题，见文章《【技术综述】图像与CNN发家简史，集齐深度学习三巨头》。
本小节主要讲的是摄影学的一些基础知识，不过我们聚焦于图像，而不是相机本身，所以一些相机相关的概念，大家还是要自己去学习。
2.1 焦距
相机镜头是一组透镜，当平行于主光轴的光通过透镜时，光会聚到一点，这一点被称为焦点，从焦点到透镜中心(即光学中心)的距离称为焦距。具有固定焦距的镜头是定焦镜头，焦距可以调节的镜头是变焦镜头。
焦距越大，越能拍摄出远处的作品，比如下图所示为在不同焦距下拍摄的太阳，左图是用Canon EOS M3的套头EF-M 18-55mm f/3.5-5.6 IS STM在39mm焦距拍摄，右图是用佳能长焦镜头 EF 70-200 f/4.0L USM 在 200mm 焦距拍摄，可以看出两者的太阳尺度差异很大。目标越远，需要使用焦距越长的镜头。
不同焦距拍摄的日落图
2.2 光圈
光圈是镜头内控制进入机身感光面的光量的装置，它的大小决定了通过镜头进入感光元件的光线多少。在快门不变的情况下，光圈越大，进光量越多，画面越亮。
光圈大小用 f 值表示。其中 f 值=镜头焦距/镜头有效口径的直径。常见的光圈值包括f1.0、f1.4、f2.0、f2.8、f4.0、f5.6、f8.0、f11、f16、f22、f32、f44、f64，f 后面的数值越小，光圈越大。由于光圈可以限制由镜头进入的光通量，所以它可以调节影像的亮度，下图所示为不同光圈值下的日落照片，可以看出控制光圈值可以获得颜色完全不同的落日。
不同光圈拍摄的日落图
2.3 ISO与噪点
ISO感光度指图像传感器 CCD/CMOS 或胶卷对光线的敏感程度。在光圈固定时，更高的ISO 能够使用更高快门速度获得同样的曝光量。如果在固定场景中，ISO等于100，快门2秒可获得正确曝光，那么ISO等于 200 时只需 1 秒快门时间，ISO 等于 400 则只需 0.5 秒快门时间。
常用的 ISO 档位从 100、200、400 开始倍增，好的相机可以高达 25600。虽然高的 ISO可以使用较高的快门速度获取正确曝光的照片，但是图像噪声也会随之增加，因此高 ISO 配置下的图片质量也成为衡量数码相机的最重要指标之一。
一般来说，我们在白天或者光照充足条件下使用较低的 ISO，在晚上拍摄时使用较高的ISO，下图是在不同时间拍摄的同一建筑物的图片，左图ISO=200，右图ISO=3200。
不同ISO拍摄的统一建筑物
2.4 快门与慢门
快门用来控制相机曝光时间的长短，快门越快，曝光时间越短，反之则越长。
当我们想要拍摄快速运动的目标时，就需要使用高的快门速度进行快速曝光，才能定格瞬间，不至于获得模糊的图片，如下图动物的抓拍。
快门抓拍猫图
所谓“慢门”是指较低的快门速度，它也被称为长曝光，我们可以通过降低快门速度延缓时间的流逝，常用于车流，水流等拍摄，制造一种时空静止的感觉。
慢门与长曝光图
2.5 色温与白平衡
当我们以温度来区别某种色光的特性，诞生的概念即色温。色温越高，光色越偏蓝，色调风格为冷色；色温越低，光色越偏红，色调风格为暖色。
在摄影机中依据色温的不同有各种模式，包括自动、日光、多云、阴天、钨丝灯(白炽灯)、闪光灯、荧光灯等，各种模式也对应不同的温度。
不同色温
需要注意的是色温和冷暖色调的关系与我们日常感受不同，色温的‘温度’越低，图片越偏暖色系。
3 摄影基本审美功底
我们这一个专栏是计算摄影，光有图像处理的知识是不够的，还需要大家有一定的审美功底，这也是学习后面内容的基础，我们从3个角度简单聊一聊。
3.1 颜色的运用
世界是由各种颜色搭配组合而成的，不同的色彩和色调会给人带来不同的心理感觉，一个优秀的摄影师一定善于运用颜色和色调来创造能够强化所需要表达主题的作品。
下图展示了一些红色主题的作品，包括灼烧的落日，鲜美的食物，代表姻缘的饰物，节日的灯笼，它们都展现出了热情和温暖的气氛。
红色系作品
下图展示了一些黄色主题的作品，包括秋天的银杏，春天的花，设计的 LOGO，它们相对于红色，更加轻快活泼，同时黄色系也常用于设计等较为正式的领域。
黄色系作品
下图展示了一些绿色主题的作品，包括植被特写，5月的稻田，它们代表着生机和希望。
绿色系作品
下图展示了一些蓝色主题的作品，包括天空，远山，水面倒影，它们的气氛宁静祥和，可以表达广阔的空间感。
蓝色系作品
一幅作品要有较好的美感，往往满足一定的色调学原理，常见的包括单一色调和互补色调。
所谓单一色调，即整张图表现为统一和谐的颜色，如下图彩色图和对应的色相直方图。
统一色调
所谓互补色调，即图中存在着两种色调，并且在色相环上相隔 180 度，如下图。
互补色调
恰当的颜色会赋予作品恰当的感情，是每一个摄影爱好者应该掌握的基本素质。
3.2 构图
构图来源于绘画，它指的是根据题材和主题思想的要求，把要表现的形象适当地组织起来。摄影构图方法是根据优秀的摄影作品归纳总结出来的一套实践经验进而上升而成的“理论方法”，好的构图方法一定要能够表达作品的核心思想内容并有一定的艺术感染力。
常见的构图包括对称构图，三分构图，消失点与引导线构图，框架式构图，对比构图等。
对称式构图是指所摄内容，在画面正中垂线两侧或正中水平线上下呈现出对等或大致对等，下图展示了一些采用对称构图的建筑，倒影作品，其中虚线表示对称线。
对称构图
三分构图是大家比较熟悉和非常经典的构图方法，将一张图划分为九宫格，会有四条线和四个交点，把主体放在这些线条或者交点的附近会得到比较和谐的作品。
下图展示了一些将动物，植物，落日，云朵主体放在三分之一位置的作品，其中虚线表示主要参考线，实际拍摄不严格处在三分之一位置。
三分法构图
消失点是一个无穷处多条线的汇聚点，当画面中存在消失点时，观众的注意力焦点会自然转移到该点，因此我们可以善用引导线，以线条方向指向要表达的重点。
下图展示了一些包含远处消失点的作品，其中虚线表示消失线，它们的交汇就是消失点。
消失点构图
框架式构图需要在拍摄的场景中寻找可以围绕着拍摄主体的东西，它可以是人造的门、篱笆或者是自然生长的树干、树枝等。框架式构图利用视觉遮挡，可以增强画面的吸引力，空间纵深感和立体感。
框架式构图
对角线构图法是一种导向性很强的构图形式，通过把主题安排在对角线上，使得画面有延伸感。另外，这一类构图中常常会包含突出的曲线元素。
对角线构图
在前面介绍的三分构图等方法聚焦于让照片画面中前背景分布和谐，而对比构图则致力于制造强烈的反差，这可以来自于前背景的大小，多少，布局位置，颜色明暗对比，浅景深带来的虚实，动静对比。下图展示了一些常见的对比构图案例。
对比构图
仰视构图所拍摄的主题经常是楼宇、树林以及天空，拍摄出的作品会使观众有种置身其中的感受。俯视构图常用于从高楼拍摄车流，动物等，它可以用上帝视角观察全貌，获得独特的感受。
俯仰构图
通常情况下我们会采用横排的模式拍摄照片，但是有的时候采用竖拍会更加符合主题的空间分布特点，如下图。
竖直构图
为了获得更好的构图，有时候还需要借助外部设备，比如无人机，有待读者去进行实践。
3.3 用光
摄影就是用光线在进行绘画，因此摄影用光是一种基本功。光线的运用主要在两个方面，第一个是正确曝光，第二个是学会使用各类光线来拍摄作品。
(1) 曝光
怎样才算正确曝光，这取决于摄影者具体的创作意图，并没有完全统一的标准，但是错误的曝光却很容易被识别，包括两种，即欠曝光和过曝光。
所谓欠曝光，即曝光不足，重要元素偏暗，在外部光线不足的情况下容易发生，如下图。
欠曝光
所谓过曝光，即曝光过度，出现大量亮度超出动态范围的像素，或者某些主体亮度过高，在光照充足场景下使用错误的参数或者逆光等场景下容易发生
过曝光
欠曝光的作品在后期比较好调整，因为照片细节往往都被记录下来，只是亮度较低。而过度曝光的作品则往往难以拯救，因为被过度曝光的部分容易丢失纹理细节，难以恢复。
(2) 光线的运用
摄影作品的质量高低和光线的运用有很大关系，常见的光分为自然光和人造光两种。
自然光是最常见的光照，当我们在室外进行拍摄时多半采用自然光，自然光按照光的强度和方向分为许多种。以强度来说，可简单分为强光，弱光，微光。以方向来说，可以简单分为 4 种，顺光，逆光，侧光，散射光。
顺光，就是顺着光的方向拍摄，此时拍摄者背对光源，光线直接照射在被摄物体上。在这样的光线环境下，主体色彩以及形态等细节特征都可以得到很好的表现，适合记录自然风景。不过顺光拍摄会使主体没有明显的明暗变化，从而缺乏层次感和立体感，使画面表现略显平淡，如下图第一幅图。
侧光，此时光源与拍摄方向形成夹角，可以使被摄主体产生鲜明的明暗对比效果，用于表现层次分明，具有较强立体感的画面，如下图第二幅图。
逆光，就是逆着光的方向拍摄，此时前景背景在亮度上有着很大的反差，常用于在清晨或者傍晚拍摄人像和景物，制造唯美的氛围，如下图第三幅图。另外，逆光环境下可以拍摄各种剪影作品，突出主体的轮廓。
散射光，常见于阴天户外，此时光线没有方向感。散射光下适合记录，作品光线表达能力平淡。
除了自然光的运用，我们还会经常使用人造光，比如室内和夜景中的各种灯光，闪光灯等，下图左边第一幅图就是使用浴室灯光拍摄。
人造光往往需要有专门的设备，那如果没有设备怎么办呢？就需要善于借助道具，如下图第二三幅图就是利用了一些家具进行遮挡获得特殊的光影效果。
用光的恰当与否，可以直接影响摄影作品的艺术魅力，各种光线的熟练运用需要大量的实践。
下一次我们开始结合技术来讲解摄影中的各个维度的知识，科技与艺术的结合，会让我们能够更好地了解和热爱这个世界。
有三AI秋季划-图像质量图
图像质量小组需要掌握与图像质量相关的内容，学习的东西包括8大方向：图像质量评价，图像构图分析，图像降噪，图像对比度增强，图像去模糊与超分辨，图像风格化，图像深度估计，图像修复。了解详细请阅读以下文章：
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