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晕影（Vignette）

晕影，也称为“光衰减”（有时拼写为“光衰减”）在光学和摄影中很常见，简单来说则是图像角变暗。

根据Richard Szeliski大师在《Computer Vision: Algorithms and Applications》中的说法，晕影是图像亮度向图像边缘下降的现象。他把晕影分为了两类，一类叫做自然晕影(Natural Vignetting)，一类叫做机械晕影(Mechanical Vignetting)，在另外的文献中还专门分出了一类光学晕影(Optical Vignetting)。我们简单看看这些晕影的说明。

Natural Vignetting(自然晕影）

我们看下面这幅图，以场景点O为中心的、面积为δo的面片发出的光线会最终成像到传感器表面，以I为中心的面积为δi的像素集，这个过程中有几个因素会导致物方发出的光线产生衰减：

自然晕影来自光线的传输衰减

1. 由于镜头表面是曲面，因此δo和镜头表面并不是平行的，而是呈现一个夹角α。这意味着场景面片发出的光会衰减，实际穿过的光能我们用δo*cos(α)

2. 虽然δo的物距为zo，但实际上其发出的光线到达镜头表面会比zo更长，看下图很明显为zo/cos(α)。而光能是随距离呈平方率衰减的，更远的距离自然衰减更多。

3. 另外，虽然从Q点看上去理想透镜表面是个圆形。但从O点看上去镜头却是个椭圆，其面积相比原始圆面积缩小了cos(α)倍

综合以上因素，我们可以用书中的一个公式来描述自然晕影，即场景辐照度L和入射到传感器上的辐射能量之间的关系是余弦四次方的关系，其中离轴角度α越大，衰减越多，焦距f越大衰减越多，光圈直径d越小，衰减越多。事实上，由于光圈值N = f/d，因此光圈值越大（即光圈越小）衰减量越大。

自然晕影的数学模型

很明显，自然晕影的产生确实是物理现象，是任何使用镜头成像的设备天然就会遇到，这也是其名字的由来。

Optical Vignetting (光学晕影)

光学晕影是所有镜头都会自然产生的现象。受镜头光学设计和结构的影响，这种现象在某些镜头中可能较为明显，而在另一些镜头中则几乎不可察觉。值得注意的是，大多数现代镜头仍会出现晕影现象，特别是在采用最大光圈较大的定焦（固定）镜头时尤为显著。这种现象主要由两个因素导致：首先，在最大光圈下，进入镜头的光线会被镜筒边缘部分遮挡，如下图所示：

image.png

由于镜筒的长度及其前后框架的相对大小，以极端角度传播的周边光线被部分阻挡。因此，以此类角度到达图像平面的光线会自然地向帧的最角落衰减（亮度降低）。

请注意，这种晕影在大光圈中最为明显，因为物理镜筒主要阻挡了来自镜筒前后的周边光线。一旦光圈缩小，即使从角落也能看到中心较小尺寸的光圈，从而允许光线通过。这就是为什么大多数快速光圈定焦镜头在最宽光圈下都有大量的晕影，并且随着光圈的缩小而显着改善。

如下图所示，我们很明显看到，对于f/1.4的大光圈镜头，当从边缘朝镜头内部看的时候，光圈会被物理遮挡产生形变。但当光圈值变为f5.6，即光圈面积变小时，即使从边缘朝镜头内部看时，光圈依然是完整的。

光学晕影由光圈遮挡产生

Mechanical Vignetting(机械晕影)

由于光线进入镜头的角度有时非常极端（尤其在超广角镜头中），制造商通常会采用宽松的光学设计，为各类配件（如滤镜和遮光罩）的安装预留足够空间。如果您仔细观察镜头，您会发现镜头的遮光罩尺寸往往明显大于前组镜片。这种设计的原理在于：通过物理遮挡的方式，防止强烈光源（如直射阳光）以极端角度穿透镜头，在避免内部反射引发眩光、重影和对比度衰减的同时，仍能保证有效光线正常进入，从而消除因光线路径重叠导致的晕影现象。

因此，制造商在镜头遮光罩的设计中严格把控尺寸参数，确保其具备足够通光口径以避免产生渐晕效应。这正是镜头遮光罩存在多种规格形态的根本原因，同时也建议用户优先选用原厂配套遮光罩而非通用型第三方产品。

鉴于遮光罩采用镜头专属定制化设计，其本身通常不会成为渐晕现象的诱因。实际应用中，机械渐晕多源于滤镜系统组件（包括滤镜、滤镜支架等第三方附件）。尽管多数厂商在镜头研发阶段已为标准滤镜预留适配空间（无论是出于保护功能还是光学需求），但当加装特定附件时仍可能出现明显渐晕问题，特别是厚度较大的圆偏振滤镜，其物理尺寸往往超出常规滤镜规格。

尼克尔 16-35mm f/4G VR 就是这样一种镜头，当以 f/4 的最大光圈拍摄时，即使没有滤镜，它在 16mm 处也存在渐晕问题。当安装滤镜时，渐晕的效果会变得更糟，如果滤镜足够厚，即使将镜头缩小到 f/8 也不会减少它。其他镜头可能更擅长处理滤镜，但当使用多个滤镜或使用滤镜支架系统时，它们也会开始出现问题。

尼克尔 24-70mm f/2.8G 使用圆偏振镜可以很好地处理渐晕，但在使用 Lee 滤镜支架系统与标准环时，在 24mm 处的表现相当糟糕。必须使用特殊的广角环来减少渐晕。如果滤镜支架连接到另一个滤镜，则渐晕会变得非常严重，需要稍后进行裁剪。如果滤镜系统太厚，则暗角可能会非常糟糕，如下例所示：

image.png

尼康 D800E + 28-300mm f/3.5-5.6 @ 28mm，ISO 200,1/250，f/8.0

引用文章

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