[ 菲林研究所 ] 解读胶片的特性曲线-GZNOW

在胶片相机的时代,胶片宽容度是一个被普遍使用的概念。 
其含义是能正确还原场景的最大和最小亮度的范围。 
下图是一个典型胶片曝光特性曲线的例子。 
在图中,横坐标是以10为底的对数曝光量,纵坐标是以10为底的对数密度。 
 

  


 
胶片特性曲线一般分为三部分,趾部,直线响应区和肩部。趾部、肩部虽然也能对光线作出一部分响应,并不是完全无响应或完全过曝,而且有些专业人士还非常擅长从趾部和肩部还原信息,但是,由于趾部和肩部存在严重的影调或细节失真,不能很好再现实际场景,因此作为一个普遍接受的概念,仍然只有胶片的直线响应区被认为是胶片的宽容度(上图中Film Latitude对应区域)。 
 
在实际拍摄中,使用者只要掌握了所使用的胶片宽容度,就可以根据场景的光比情况,决定如何进行精确的曝光控制,让自己感兴趣的细节的曝光范围落在胶片宽容度的范围内,从而获得需要的拍摄效果。 
 
很显然,胶片宽容度是以场景还原能力为基础来定义的,因此是一个对相机使用者具有很大参考价值的实用指标。 
 

以下,我们详细来说说这方面的知识:


一、理解胶片密度


  胶片沉积银颗粒的密度或染料影像的密度可以用密度计(Densitometer)测定。

  透射密度(Transmission Density, Dt)是光线通过胶片乳剂的银颗粒或染料被阻档的量,通常用10的对数值计算,如果Po是入射光,Pt是透过的光,那么Dt = lg Po/Pt 。

  密度值的大小取决于曝光光谱的分布、胶片的光谱吸收和胶片对特定光的敏感性。如果胶片对光的敏感性与人类眼睛相近,那么这种密度就是可见光密度(Visual Density)。

  透射密度的测量有两种方式:漫射密度(Totally Diffuse Density)和单向密度(Specular Density)。如果将集光器紧靠被测胶片,集光器接受所有透射的光线,这就是漫射密度。如果用单向光束照射胶片,集光器离开胶片一段距离,只测定透射后非散射部分光线得到的密度,称为单向密度。

  单向密度与漫射密度在彩色胶片几乎是相等的,因为彩色感光材料的影像是由染料组成,光线可以穿透染料,差不多没有散射。黑白片的单向密度和漫射密度可以相近,也可以差异很大,视银颗粒巨细而定,一般而言,高感光度的黑白片两个密度差异大于低感光度的黑白片,原因是高感光度的乳剂银颗粒较粗。

  胶片上的这两种密度在印像和演示时有实际意义。对于接触印像,漫射密度决定像纸上的成像。对于放大扩印和投影(如幻灯和电影),成像是由单向密度决定的。不管是接触印像还是放大,常规质控还是用漫射密度以为准。

  不经滤色光谱较正的密度计测量的结果可以用于不同实验室的密度测试结果比较,这种密度计称为Status密度计(Status Densitometer)。实际工作中,为适应不同胶片的测量,常用许多滤镜与密度计配合使用,常用有两类这样的滤镜系列,分别称为Status A 密度计和Status M 密度计。前者用于彩色正片(如反转片、拷贝片)的测量,后者用于彩色印像片(如彩色负片、中间拷贝负片、低反差反转片和反转中间拷贝片等)。这些滤镜系列由一些公司生产,可以从这些公司购买到。胶片的特性曲线一般会注明使用什么密度计测量,比如E100VS、RVP等的特性曲线表注明Densitometer是Status A。


二、胶片的特性曲线(Characteristic Curve)

  感光材料的乳剂层经曝光和显影加工后,它的透明程度会由于金属银的淀积而降低。乳剂层的透明度的降低与许多因素有关,在冲洗过程标准化的前提下,曝光量(H)就成了影响透明度最重要的因素(为什么用H来表示曝光量?百思不得其解。有的书是用E,即Exposure,似更好理解)。

  为了寻找乳剂层透明程度与曝光量之间的关系的数学模式,19世纪90年代英国两位学者—化学家H-Hurter和工程师V-Driffield用了约十年的业余时间,终于找到乳剂层中沉淀银的密度与曝光量及适当条件下的显影程度之间的比例关系,并建议用曝光量的对数和阻光率的对数(即密度)作为横纵坐标来表述它们之间的关系。这个坐标系后来被称为H-D曲线,也称为特性曲线,或者,曝光量—密度曲线。许多文章也直接叫作密度曲线(Density Curve)。

  由于曝光量通常用H表示,特性曲线的横标就是lgH,所以H-D曲线实际是一语双关,既是指Hurter-Driffield曲线,也可以理解为曝光量(H)—密度(D)曲线。

  实际上,特性曲线描述的就是胶片显影后不同曝光量与相应密度的关系。密度值来源于一系列胶片试条,这些试条经精确较正的感光计(Sensitometer)曝光,然后严格标准化的冲洗。每个试条上的照度(E,单位是勒克斯lux)乘以曝光时间(t,单位是秒sec)得到曝光量(H),即,H等于乳剂层上所受光的照度(E)和照射时间(t)的乘积(H=E*t),单位是勒克斯-秒(lux-sec),也就是单位面积乳剂层上接受的总的光量。

  * 勒克斯(Lux)指的是一支标准蜡烛在一米距离产生的照度。如果胶片在距离标准蜡烛一米曝光一秒钟,那么胶片接受的曝光就是 1 lux-sec的曝光量。

  用密度计测度每个试条上的透光率(Transmittance,T),即透过胶片的光通量Qt与投射到材料上的光通量(入射光)Qo之比(Qt/Qo),计算出阻光率(Opacity,O)。阻光率O等于透光率的倒数,即O = 1/T,也就是Qo/Qt。

  胶片依沉积银颗粒的多少,光线穿透率可以从100%、50%、25%、10%……0.01%,相对的透光率是 1.0、0.5、0.25、0.1……0.0001,相应地,阻光率是1、2、4、10……10,000,这样巨大的数字在制作曲线时很不方便,标尺过小造成不够精确,故取阻光率O以10为底的对数,称为密度(Density,D),即D = lgO = lg(Qo/Qt),上述数值对应的D就是0.0、0.3、0.6、1.0……4.0。

  将H取以10为底的对数(即lgH)绘制横坐标,以密度(D)绘制纵坐标得到的曲线即为测试胶片的特性曲线(图1)。

  4.0一般是胶片所能达到的最高密度,所以纵坐标的最高值一般不大于4.0。横坐标上,曝光量每增加一倍,lgH增加0.3单位。

 
 
代表特性曲线(Representative Characteristic Curve)是对某产品大量批次测试后的平均结果制作的曲线。通常出现在产品Data Sheet上的都是代表特性曲线。 
 
  相对特性曲线(Relative Characteristic Curve)是没经较正的感光计曝光试条得到的曲线。一般是冲印车间为冲洗质控所采用的方式。 
 
  黑白胶片的特性曲线只有一条曲线,方向从左向右由低到高,图2显示Kodak T-MAX 100不同显影时间的特性曲线。(显影时间越长,密度和对比度就会越大) 
 

  
 
彩色胶片一般有三条曲线,分别代表红色(在彩负胶片是青色)、绿色(在彩负胶片是品红色)和兰色(在彩负胶片是黄色)染料层,方向也是从左到右由低到高(图3)。 
 

  
 
彩色反转片也是三条曲线,但因为获得的是正像,曲线的走向与负片相反,从左到右由高到低(图4)。 
 


三、分解特性曲线

  不管什么胶片类型,所有特性曲线都可以分为五区:最低密度区(D-min)、趾区(The Toe)、直线区(Straight line)、肩区(The Soulder)和最高密度区(D-max)。

1.最低密度区

  又称无响应区,是胶片片基的密度和未曝光的卤化银显影后得到的密度,这个区的密度是衡定的,是特定胶片的特有性状。

  对于黑白片,这个区也被称为灰雾(Fog),指的是未经曝光而显影产生的净密度。灰雾可以因为延长显影时间或提供显影温度而密度增加,显影剂的成份和pH值也会改变灰雾密度。

  在彩片只称为最低密度(D-min),而不称之为灰雾。反转片的最低密度被定义胶片充分曝光和充分显影后的密度,因此位于曲线的右侧。

2.趾区

  又称欠曝光区、曝光不足区。这个区曲线的斜率随等量增加的曝光而逐渐增加,换句话,当曝光量以等量增加时,密度的增量却是逐渐增加的,增加的幅度与曝光量增加不同步。如果影像出现在这个区,那么影像的密度对比不能正确得到再现,导致影调失真,层次也因为对比小而表现为平淡,暗部缺乏细节。

3.直线区

  又称曝光正常区。这个区曲线的斜率是相对恒定的,密度随曝光量对数值增大而等速增加。这个区可以正确地反映影像的影调、细节、层次,因此,为了获得最佳影像效果,图像中所有重要的信息和细节都应放在这个区。

4.肩区

  又称过度曝光区。这个区随曝光量增加,曲线的斜率逐渐减小,再增加曝光,密度不再增加,达到胶片的最大密度(D-max)。影像出现在这个区也会因为对比小而影调失真。这个区通常是由景物的高光区造成,所以往往造成高光部分没有细节。曝光过度也造成颗粒变粗。

5.最大密度区

  这个区所有卤化银或者染料都已曝光,再增加曝光并不增加密度,这是一种胶片所能达到最大的密度,对于胶片,D-max一般不会超过4.0。

  在黑白片中,极度过曝会使密度减少,也就是所谓的负感现象(Solarization),在安嫂-亚当斯的作品中,有一幅“黑太阳”,本该惨白的太阳在胶片记录成了黑太阳。彩片中是否也有负感现象不知道。


四、理解特性曲线

  特性曲线是了解胶片性能的重要数据。从特性曲线不仅可以看出胶片的一般性能,而且从中可以衍算出一些重要参数,对预测成像和解决拍摄和冲印过程遇到的问题非常有帮助。

1.感光度(Sensitivity,Speed,S)

  是胶片固有的对光反应的敏感性,是与在一定显影条件下产生的一定摄影效果的曝光量成反比的值,通俗地说,就是高感光度的胶片只需较少曝光量即能达到低感光度的胶片需较多曝光量所能达到的摄影效果。

  感光度,或称速度,的测定是基于特性曲线计算出来的。以黑白片为例,美国标准协会(American Standard Association, ASA)是这样规定的,在求取特性曲线时,试条曝光后在指定的条件下进行精确控制显影,使得显影后获得的特性曲线满足以下条件:以曲线中灰雾+片基密度+0.1的密度为基准点,该基准点处的曝光量对数 + 1.3相对应的密度值应该等于 0.8。如果符合这个条件,那么感光度S等于0.8除以基准点的曝光量。

  例如,如果某黑白片的基准点曝光量是0.004 lux-sec,那么这款胶片的速度就是0.8/0.004=200,如果是0.008 lux-sec,那么速度就是100。

  德国的DIN制(Deutsche Industrial Norm,DIN,即德国工业标准)对基准点定义不一样,计算方法也不同,但反映的实质是一样的。

  现在普遍采用的是国际标准化组织(International Standard Organization,ISO)标准,它结合ASA和DIN,同时标注二者数值,所以表示方法是ISO100/21O。从过去大家习惯的21定、24定到现在几乎只称100或者200……可以看出历史变迁,曾经是巨人的德国在这方面的影响已经日落黄昏了,渐渐地被美国所取代,也许,再过十年、二十年,许多人对21DIN会不知所云。

  彩片因为有三条曲线,而三条曲线很做到完全重合,那么应该用哪一层乳剂作为决定感光度的基准?一般情况下,三个染料层中,感兰层对光敏感性最高,感红层最低,如果以感兰为基准,那么感红层可能会欠曝,但如果以感红层为基准,感兰层可能要过曝。最后还得回到人类对光的反应性上,人眼睛对绿色最敏感,如果胶片上感绿层得到最佳再现,那么总体再现也最好。因此彩色负片是以感绿层做基准,同时兼顾感红层的感光性。

2.反差(Contrast)

  指的是片子中明暗色调的对比,通常所谓的片子表现“平、软”或“层次鲜明、硬”实际就是在描述反差。

  胶片的反差由特性曲线的斜率来体现。一般而言,曲线的斜率越陡峭,胶片的反差越高。常用Gamma值或平均梯度(Average Gradient)来量化反差。

  Gamma就是特性曲线的直线区的斜率。Gamma不代表趾区和肩区的的反差,因此超出直线区的部分,如强高光部和暗部的反差不能用gamma来描述。

  平均梯度指的是特性曲线的两段连线的平均斜率,因此涵盖了趾区、直线区和肩区的影调。

  胶片的Gamma值或平均梯度会因显影时间不同而改变,因此黑白负片一般会在Data Sheet里给出Time-Gamma曲线,可以根据这个曲线去对Gamma或平均梯度进行质控。但是,黑白反转片和所有彩色片的显影是标准化过程,无法用Gamma曲线去控制。

  为了降低彩色胶片总体反差,可以在显影前对胶片用均匀光线进行闪光曝光,实际上就是提高胶片的灰雾密度,所以也称之为闪灰。可以在拍摄前预先闪曝胶片,也可以在拍摄后再做闪曝,但一般还是拍摄前为好。闪曝量多大,需视具体情况而定,预试是必不可少的。记得在新浪时BOBO为反转片在降低翻拍时过高的反差曾做这过方面试验。

3.宽容度(Latitude,L)

  指的是胶片能按比例记录景物最大和最小亮度的范围,它是由特性曲线的直线部分决定的。如果特性曲线直线区的最低点是lgH1,而最高点是lgH2,那么L = lgH2 – lgH1。

  例如,直线区横坐标跨越2.1单位,那么该胶片的宽容度是2.1/0.3 = 7,也就是该胶片有7档的宽容度。胶片的宽容度受到显影条件的影响,显影时间延长,平均梯度增大,宽容度要减小。

  说到宽容度,应当指出的是胶片宽容度和曝光宽容度并不是一个概念。

  曝光宽容度是指胶片对不恰当的曝光所允许的范围。在景物亮度范围小于胶片宽容度时,曝光量的增减,只要仍在整体仍在特性曲线的直线区内,那么影像的层次色彩就能得到很好的再现,所以,曝光宽容度 = 胶片宽容度 – 景物曝光范围。比如,某胶片的宽容度是7档,而景物曝光范围有4档,那么曝光宽容度 = 7 – 4 = 3,即有3档。

  鉴于这两个宽容度易造成混乱,论坛里大家更愿意将胶片曝光量称为胶片的动态范围(Dynamic Density),而将曝光宽容度简称为宽容度。

  曝光宽容度只对负片意义较大。对于反转片,因为大部分影友不能对反转片进行定制冲洗,所以拍片基本是一锤定音,主体应该在曝光时恰当地放在适当的位置,这时曝光的宽容度相对意义要小些。但反转片也常被用于直印照片,或减薄,所以,反转片仍有宽容余地。


五、实例分析

从以下反转片的特性曲线可以看到的一个共同点是,和彩色负片的三条线分离不一同,反转片的三条曲线在直线区基本是重叠一致的。

图5是Kodak的四款反转片的特性曲线。从这些曲线可以看,它们的直线区的曝光量跨度基本是在1 .2左右,由此可见反转片的宽容度只有4 EVs左右。E100S、E100SW和E100VS的直线部分斜率较大,提示反差较高,而E200相对平缓,属于反差较低的胶片,目测直线区跨度近1.5,宽容度可将近5 EVs。这些特性与实拍感觉是一致的。

 
 
图 6 是三款富士专业反转片的特性曲线。这些胶片中,RDP III(Provia III)直线区曝光量跨越2.0单位,胶片的宽容度是这三款胶片中最大的,达到7 EVs,斜率也比较平缓,说明反差较小,这与实拍的结果是相符的,相同的景物,RVP表现得浓墨重彩,而RDP III总是显得更为平和。 
 
RVP(Velvia)的特征曲线与Kodak的E100VS非常相近,这两款胶片实拍性能也是非常相近,都属高反差、窄宽容度型,适于表现风光题材。值得注意的是,RVP的绿色和兰色密度在肩区和最高密度区明显高于红色密度,与RDP III和RAP不同,这使得RVP胶片总体显得更厚重,而且这也可能是RVP的绿色表现非常突出的原因。 
 
RAP(Astia)的宽容度与RDP III相近,但斜率比RDP III更平缓,反差更小,这是富士的人像胶片。 
 

 
 
负片的特性曲线与反转片差别很大,从图3的柯达Royal Gold 100特性曲线可以看出,负片宽容远比反转片要大,从这个特性曲线目测,胶片宽容度应在9 EVs或更高,但负片反差普遍小,平均梯度也远小于反转片。 
 

  
 
有底扫负片体验的朋友都抱怨效果不够理想,我们相信小反差是造成扫描图像不理解的原因之一,因为对扫描稿加大反差后图像看起来就会好看好很多。另外,负底过大的宽容度也给扫描图像最终怎样定稿提出疑义 (要细节还是要色彩?)  看来,扫描彩色负片从理论上看就已经是很考功夫的。 


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    好文章
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