合成的攝影學 - 第一章: 基本像差
- 常見的鏡頭光學瑕疵
我們知道合成的最終表現基本上跳脫不出「從某個攝影鏡頭看出去以及所有出現在鏡頭內的人事物都極近地遵循著物理法則在同一個時間空間下運動」
而鏡頭是不完美的。從鏡頭的設計原理來看，各種凸凹面鏡會讓光線在鏡頭裡反射、折射、散射、進光量差異等等造成不可避免的光線瑕疵出現在最後的成像中。作為合成，一部分很重要的能力是如何觀察這些現象，進而修正，最後還原這些瑕疵
通常在一個專案開始的前期就會有合成總監或組長級的人負責分析整個需要負責的片段，但在個別的鏡頭中就是考驗合成藝術家功力的時候。這篇文章就是來進行剖析所謂的”不完美”因素有哪些，讓我們先從最常見的六點開始
鏡頭變形(Lens Distortion)
注意的是鏡頭變形屬於幾何光學，因此不會影響畫質
主要的鏡頭變形有兩種:
- 桶狀變形(Barrel Distortion)
變形數值為負，類似放大鏡的效果但主要由影像的四角向外凸，形似酒桶。越短焦的鏡頭變形量越大
- 枕狀變形(Pincushion Distortion)
變形數值為正，因形似坐墊枕顧名，由四角向中心拉長。越長焦的鏡頭變形量越大
通常在大型影集或電影製作中會由追蹤藝術家Matchmoving Artist在處理鏡頭追蹤時根據拍攝的攝影機資訊進行鏡頭的變形校正
失焦(Defocus)
談到失焦就離不開景深(Depth of Field, DOF)，這個部分可以用一整片文章來討論，但簡易定義上為一個相對於鏡頭距離區段，物體的成像被歸屬在焦點範圍上，DOF內的物件都是屬於肉眼可接受的銳利，DOF前後的物件屬於焦點範圍外(Out of Focus)
DOF的範圍會隨著焦點距離(Focus Distance)、光圈(f Stop)等因素所影響，但這不在本篇範圍內，找機會再開一篇討論攝影三角
在DOF外的物體會隨著離DOF越遠模糊程度越大，失焦狀態也越大。這時候我們就需要介紹另一個比重相當大的新名詞：散焦
散焦(Bokeh)
從日文衍變而來，意思即為「模糊」。散焦在大小上受DOF影響，這部分前面提過；在形狀上受光圈葉片影響，或是手動放上客制形狀在鏡頭前遮擋. B&H有一篇詳細的剖析散景，有興趣可以看看Understanding Bokeh
散焦在合成裡是一個重點做review的項目，一旦散焦的形狀、程度不對就會感覺物件不在同一空間。
貓眼(Cat’s eye)
從上圖左上角也可以看出比起中心的圓形，畫面的四角開始出現一些檸檬形狀的散景。通常出現在較廣的鏡頭，成因是比較偏協的光線打入鏡頭的時候部分光線會被鏡頭遮蔽。
如同你從鏡頭前面45度角看向鏡頭，會發現鏡頭最前面的鏡頭也是檸檬型非圓形。而因為形狀形似貓科動物的瞳孔，所以稱作貓眼散景，這個效果在電影製作中也很常出現
色散(Chroma Aberration)
色散是一種因為光的不同波長從些微不同的角度形成折射效果，造成在對焦上的誤差
色散又分成兩種:
- 縱向色差(Longitudinal Chromatic Aberration)
如圖左，縱向色差主要在於不同波段的顏色會分別落在焦平面的前後，因此不同顏色會有些許景深上的差異。這種色差會影響整個畫面包含畫面中心部分。現在專業攝影機通常都已經透過鏡頭設計加以修正
- 橫向色差(Lateral Chromatic Aberration)
這種色差是我在大型電影製作中依然經常遇到的
如圖右，同樣因為不同波長不同折射率，但不同的是這些顏色都落在焦平面上，因此邊緣依舊是銳利的，差別是在焦平面上的位置會位移，通常以畫面中心以放射狀效果呈現。專業攝影機在畫面中間的部分基本上已經不會有色差，但如果是使用廣角鏡、在高對比、淺景深的區域還是會出現強烈色差
紫邊(Purple Fringing)
會把這部分拉出來講因為它也是專屬名詞，有自己的wiki頁面，但紫邊會出現在整個畫面的高對比區域，隸屬於縱向色差。由於在光學像差下光線穿過透鏡散為不同波長的顏色，也就是所謂的光譜。這些波長具有不同的焦平面，各家攝影機廠商無所不用其極的使用各種手段位移不同波長的焦平面使這些顏色能夠盡可能的落在同一焦平面上。但這種透鏡像差在短波長的部分，如紫外線，更為嚴重，再加上數位攝影機相對於傳統底片攝影機能夠捕捉較廣的波長。因此在定位較為入門級的鏡頭中可能不具備對紫邊的修正能力，此外也容易發生在對比強烈的邊緣，強光像素會拓展至旁邊的暗部像素。
暗角(Vignette)
可以說是無可避免的物理現象，是鏡頭光學設計上的不配搭或瑕疵所造成。
雖然造成的結果類似，但非人為的部分還是可以分為三類:
- 機械暗角(Mechanical Vignetting)
通常是由外在物件直接物理上的阻擋邊緣進光，如遮光罩、濾鏡環、轉接環。光圈越大，進光量越多，在橢圓狀的四角處就有越多的光線被擋住
- 光學暗角(Optical Vignetting)
光學暗角的成因是因為鏡頭中有多層透鏡，每個後面的透鏡都會被前一個透鏡形成的陰影影響，造成非正入射角的光線被減弱
- 自然暗角(Natural Vignetting)
跟其他成因不同，自然暗角是因為光線根據定律衰減，在廣角鏡或傻瓜相機中較常受影響。一些現代鏡頭經過專門設計，使光線垂直或接近垂直地照射影像，從而消除或大大減少自然暗角
鏡頭耀光(Lens Flare)
個人覺得這個是比較難的部分，要怎麼用的好很吃重對攝影的掌握，好的耀光對鏡頭是加分，用的不好會看起來很廉價
鏡頭耀光廣義分兩種，眩光和可見瑕疵
眩光
雜散眩光(Veiling Glare)
眩光是光源不在鏡頭可視範圍內但仍然會從鏡頭側邊進入鏡頭後折射到感光元件。特徵是眩光較為全面性的將畫面「洗白」，把暗部提亮，亮部加上偏白色並降低飽和度
可見瑕疵
這種是屬於強烈光源直接影響感光元件，包含不同型態的耀光。如果有使用過OpticalFlare這個外掛的人應該有看過
散景型(Iris)
屬於光源的鏡像殘影(Ghosting)，形狀取決於光圈的葉片，葉片越多越趨向圓形；數量則包含多重因素，如透鏡數量、光線角度、透鏡塗層、透鏡反射折射率等等都可能造成數量差異
常常在電影裡看到一長串的六角形鏡像殘影、散景、彩虹圓圈等，成因是這種電影級鏡頭裡面通常都有數量很多的凸凹透鏡，除了造成明顯的色散外，光線在這麼多的凸凹透鏡中不斷折射反射到感光元件造成多重耀光
尖角型(Spike/Sparkle/Glint)
這不是鏡像殘影，是因為光線進入狹窄的光圈，並且由非圓形光圈形成的繞射所產生的光學瑕疵，稱為繞射尖角(Diffraction Spike)或星爆(Starburst)
此段節自Wiki，「由於葉片均勻分佈在圓週上，在具有偶數葉片的光闌上，來自相對兩側葉片的衍射尖峰重疊。因此，如果n為偶數，則具有n 個葉片的隔膜 會產生n 個 尖峰 ，如果n為奇數，則會產生 2 n 個 尖峰」
圓環型(Ring/Disk/Hoop)
形成的原因有很多，例如使用廣角鏡加上小光圈、鏡頭前方有晶狀透明物體如玻璃、水晶、鑽石等、畫面內有強烈點光源，以及移除鏡頭透鏡上的塗膜等均有可能產生環狀色散的耀光
這種環狀耀光太常出現在電影畫面中了，只是最好還是能夠分析一下畫面，參考可能的鏡頭焦段、光圈、太陽角度來適度的加上才能為畫面加分
橫條型(Streak)
特殊耀光，只出現在使用變形鏡頭的畫面中，變形鏡頭牽扯到除了耀光還有散景等，另外討論
紅色點狀矩陣(Flare Grid Pattern)
非常少見，成因是當光圈縮到非常小的時候，光線被擠壓到一個非常小的孔徑中，光線到達感應器後回彈回鏡頭的後部元件。感應器上受到明亮光源照射的每個像素都會反射一些光線回到後部元件，最終在畫面呈現網格圖案
這種我除了自己拍的照片，不然從來沒有在工作的時候遇過
鏡頭呼吸(Lens Breathing)
指的是在固定焦段下，部分透鏡在鏡頭內前後移動來改變對焦距離，但同樣也會影響鏡頭視野(Field of View)。一般當對焦點越往攝影機靠近，畫面會小幅度放大；反之亦然。品質越好的鏡頭，受到鏡頭呼吸的影響越小
