口腔攝影系列
第一話：為什么照片和實(shí)際看到的東西不一樣
在口腔臨床實(shí)踐中，近年來(lái)攝影技術(shù)的應(yīng)用逐步受到重視。通過(guò)對(duì)患者口腔內(nèi)圖像信息的采集，既達(dá)到記錄臨床信息的目的，并且通過(guò)治療前后圖片的對(duì)比，又可以清楚直觀地反映治療效果。照片不僅使口腔醫(yī)師和患者的溝通更加直觀，而且更加方便了口腔醫(yī)師、口腔技師之間的信息交流。同時(shí)，通過(guò)對(duì)患者治療過(guò)程中各個(gè)階段口內(nèi)圖像信息的完整采集，建立完備的臨床治療檔案，可避免不必要的醫(yī)患糾紛。而對(duì)于口腔醫(yī)師本人，每個(gè)病例的完整影像記錄，有助于其分析和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，進(jìn)行技術(shù)交流，提高臨床技能。因此口腔攝影已成為口腔臨床中一項(xiàng)重要的技能，作用日趨明顯，應(yīng)用日益廣泛。
然而口腔環(huán)境存在特殊性，充滿各種對(duì)攝影的不利因素，增加了口腔攝影的困難，這些不利因素包括：口腔攝影的被攝主體位于口腔內(nèi)，位置深在并且有軟組織的遮擋，難以建立直接并且均勻的照明；口腔內(nèi)各解剖結(jié)構(gòu)的特殊性使其對(duì)光的反射率存在很大差異。例如牙齒表面的反光率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于口腔黏膜表面的反光率，造成被攝物體光比很大，難以正確精準(zhǔn)地曝光，無(wú)法在一張照片上同時(shí)表現(xiàn)出高光部分和陰影部分的細(xì)節(jié)；口腔攝影的主要目的是作為記錄信息的載體，需要使各種攝影條件（構(gòu)圖、放大比、曝光量等）保持一致，并且需要包含被攝主體多方面的信息（形態(tài)、顏色、表面質(zhì)地、半透明效果等）。但是口腔的具體特點(diǎn)又決定了攝影的技術(shù)參數(shù)很難做到標(biāo)準(zhǔn)化，用一張照片記錄所有的信息幾乎是不可能的；此外口腔內(nèi)被攝主體很小，需要使用微距攝影技術(shù)，各種相應(yīng)的技術(shù)難題隨之而來(lái)，例如難以控制的放大比，較淺的景深，不易克服的相場(chǎng)畸變，很難達(dá)到的均勻照明等。
口腔環(huán)境的特殊性給攝影帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，攝影者需要靈活并且精準(zhǔn)地運(yùn)用光和影的效果，對(duì)主體的某一特點(diǎn)進(jìn)行記錄，然后用一系列的照片來(lái)系統(tǒng)地記錄被攝主體的各種特征；還需要充分利用相機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，避免因相機(jī)和鏡頭相對(duì)于人眼而言存在的設(shè)計(jì)缺陷對(duì)圖像質(zhì)量造成明顯的影響，從而使捕捉到的圖像盡量接近人眼的視覺(jué)。
在實(shí)踐中，初學(xué)者最常被一個(gè)問(wèn)題困擾：“為什么拍到的照片和看到的景物不一樣？”。對(duì)這個(gè)問(wèn)題，究其原因主要是由于人眼和相機(jī)的差異造成。即便是設(shè)計(jì)精良的相機(jī)，在很多方面也很難與人眼的光學(xué)能力媲美。相機(jī)的構(gòu)造雖然和人眼類似，但在結(jié)構(gòu)和功能上具有極大不同（表1）。這些不同直接導(dǎo)致了人眼和相機(jī)成像結(jié)果的巨大差別，也就是我們經(jīng)常留意到的“拍到的和看到的不一樣”的情況。了解這些差別也是正確完成口腔攝影的前提。
1. 感光的物質(zhì)基礎(chǔ)
在可見(jiàn)光譜（波長(zhǎng)400-700nm）范圍內(nèi)，正常人眼大約能分辨出超過(guò)200種不同的色調(diào)。人眼視網(wǎng)膜上有兩類視細(xì)胞，視桿細(xì)胞對(duì)光線的強(qiáng)度有很高的敏感性，但是缺乏對(duì)顏色的分辨能力；視錐細(xì)胞具有分辨顏色的能力，但對(duì)光線強(qiáng)度的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于視桿細(xì)胞。視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞的協(xié)同作用使人眼能同時(shí)分辨物體的亮度和顏色[1]。一般認(rèn)為視錐細(xì)胞有三種，每一種對(duì)不同波長(zhǎng)光線的敏感性不同，恰好分別對(duì)應(yīng)了紅、綠、藍(lán)三原色的波長(zhǎng)，并且這三類視錐細(xì)胞對(duì)光譜的敏感范圍有一定的重疊[2-4]（圖1A）。這是人眼能分辨各種顏色的物質(zhì)基礎(chǔ)。
圖1 A：正常人眼三種視錐細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)光波的敏感性，三種不同視錐細(xì)胞對(duì)光波的敏感性之間有相當(dāng)?shù)闹丿B。并且這三類視錐細(xì)胞對(duì)光譜的感知范圍有一定重疊。
與人眼不同，相機(jī)感光元件對(duì)光譜的敏感范圍大于人眼，除可見(jiàn)光外，還能捕捉到紫外光譜（膠片）和紅外光譜（Charge-Coupled Device，CCD）。被記錄的紫外和紅外光，經(jīng)過(guò)后期處理，會(huì)以可見(jiàn)光的形式出現(xiàn)在照片中，對(duì)成相造成影響[5]。相機(jī)對(duì)光線強(qiáng)度和波長(zhǎng)的信息采集由三種不同的成相單元同時(shí)完成。這三種成相單元分別對(duì)紅、綠、藍(lán)三原色的光敏感，并且三者的敏感范圍沒(méi)有類似人眼的相互重疊（圖1B）。相機(jī)捕捉到的光線經(jīng)過(guò)后期的處理（膠片的沖印/數(shù)碼的計(jì)算）后合成出最終影像。
圖1B：數(shù)碼相機(jī)感光元件，三種成相單元在芯片上的排列。（圖片B來(lái)自 fujifilm.com）
正因?yàn)槿搜酆拖鄼C(jī)結(jié)構(gòu)上的差異直接導(dǎo)致二者記錄到的原始信息存在較大差別，基于不同的原始信息基礎(chǔ)上形成的視覺(jué)和照片也就會(huì)不一樣。
2. 對(duì)焦范圍
人眼通過(guò)對(duì)晶狀體的曲度進(jìn)行調(diào)整，能使無(wú)窮遠(yuǎn)處（遠(yuǎn)點(diǎn)）至250mm 處（近點(diǎn)）的光線匯聚在視網(wǎng)膜上形成實(shí)相，而距人眼距離小于250mm的物體將不能在視網(wǎng)膜上準(zhǔn)確成像。這一非意識(shí)性的調(diào)整過(guò)程稱為人眼的“調(diào)節(jié)（accommodation）” [6,7]。相機(jī)的對(duì)焦則是依靠一組光學(xué)鏡片之間相對(duì)位置關(guān)系的改變來(lái)完成的，聚焦后將光線準(zhǔn)確地匯聚到感光元件上。相機(jī)的成像范圍受到不同鏡頭的設(shè)計(jì)的影響，一般鏡頭的遠(yuǎn)點(diǎn)位于無(wú)窮遠(yuǎn)處，不同的鏡頭的最近對(duì)焦距離（近點(diǎn)）不同，常見(jiàn)的微距鏡頭約在10cm左右。單從對(duì)焦范圍的表觀數(shù)據(jù)來(lái)看，似乎相機(jī)的對(duì)焦能力優(yōu)于人眼。但是由于對(duì)焦范圍的擴(kuò)大，對(duì)于各種相差的控制難度大大增加，結(jié)果導(dǎo)致鏡頭對(duì)相差和色差的控制能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜于人眼[8]（將在“鏡頭的選擇”部分詳細(xì)闡述）。
3. 立體視覺(jué)（Stereopsis）
正常人雙眼的瞳間距離一般為65mm，對(duì)同一景物，雙眼捕捉到的影相會(huì)有細(xì)微的差別，這兩幅不同的影相經(jīng)過(guò)大腦的整合，形成對(duì)景物的立體感覺(jué)[9]。這種立體感覺(jué)不依賴于景物的距離和排列方式（例如光影效果）的輔助。目前市場(chǎng)上流行的3D技術(shù)（例如3D電影和3D照相等）其工作原理多是基于模擬人雙眼的這種整合成像方式。與人眼不同，相機(jī)每次只捕捉一個(gè)單一影相，只能在平面上表現(xiàn)物體的位置關(guān)系而缺乏空間立體信息，捕捉到的影相常會(huì)造成視覺(jué)的錯(cuò)覺(jué)，這是相機(jī)的內(nèi)在缺陷。在攝影時(shí)，需要通過(guò)精確控制光影效果（布光）和巧妙地安排景物的相對(duì)位置（構(gòu)圖），來(lái)一定程度上補(bǔ)償空間立體信息的損失；而微距攝影中常用到的環(huán)形閃光燈，因其會(huì)消除必要的陰影，使整個(gè)畫面喪失立體感，因此應(yīng)該根據(jù)不同的攝影目的進(jìn)行選擇性使用（圖2）。
圖2 需要充分利用光和影的配合來(lái)彌補(bǔ)攝影時(shí)被攝物體的空間信息損失。A：運(yùn)用45°側(cè)光的陰影使景物具有立體感。B：環(huán)形閃光燈消除了必要的陰影，使景物的立體感喪失。
4. 成相模式差異和相差的補(bǔ)償
在正常照度下，人眼捕捉彩色影像的方式很特別。由于對(duì)顏色高度敏感的視錐細(xì)胞集中分布在黃斑區(qū)域，人眼僅在該區(qū)域具有對(duì)形狀和顏色的高度敏感性（雖然視桿細(xì)胞在視網(wǎng)膜的分布很廣泛，但是由于視桿細(xì)胞主要在低照度下形成黑白視覺(jué)，故不做詳細(xì)討論）。在進(jìn)化中，人眼逐漸形成了一種被稱作“掃視（Saccade）”的特殊成像模式[10]。對(duì)一個(gè)視野，人眼每次只利用投照在黃斑區(qū)的清晰的實(shí)相（一個(gè)馬賽克圖像），再通過(guò)眼球的非規(guī)律性運(yùn)動(dòng)，掃描整個(gè)視野，再將掃描到的多個(gè)馬賽克圖像經(jīng)過(guò)大腦的整合功能拼接成一個(gè)完整的視覺(jué)圖像（類似Image Pro軟件的Stage Pro功能，和Photoshop軟件的Photomerge功能）（圖3）。而目前常用的相機(jī)只是簡(jiǎn)單的一次性成像，成像范圍取決于相機(jī)的畫幅設(shè)置，成像的質(zhì)量取決于鏡頭的光學(xué)特征及對(duì)攝影參數(shù)的控制等因素。
圖3 人眼掃視成像：正常照度下，人眼隨機(jī)捕捉黃斑區(qū)域的小范圍清晰的圖像，再通過(guò)眼球的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)掃描整個(gè)視野，最后將馬賽克圖像整合拼接成完整的視覺(jué)圖像。
比較這兩種成像方式，人眼的成像方式具有很多優(yōu)勢(shì)，包括：
4.1曝光量的控制
相機(jī)的成像模式和感光元件的構(gòu)造以及對(duì)原始信息的計(jì)算方式?jīng)Q定了相機(jī)對(duì)圖像的采集具有時(shí)間敏感性，曝光度可以隨曝光時(shí)間呈現(xiàn)累加效應(yīng)，故而攝影時(shí)曝光量是否精確決定了攝影的質(zhì)量。由于人眼采取掃視的成像模式，并且有精確的反饋系統(tǒng)，所以能對(duì)每一個(gè)馬賽克圖像實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的曝光，使整個(gè)圖像的曝光量協(xié)調(diào)、穩(wěn)定，而不會(huì)出現(xiàn)曝光量隨時(shí)間的累加效應(yīng)。
4.2視野的大小以及相場(chǎng)畸變的控制
雖然正常人雙眼的視角只有120°，但是由于采取特殊的掃視成像模式，使得人眼對(duì)周圍相當(dāng)大范圍內(nèi)的物體的感知具有準(zhǔn)確性，不會(huì)受到相場(chǎng)畸變的明顯影響；而對(duì)于相機(jī)而言，雖然有些廣角鏡頭的視角可以明顯大于120°，卻不可避免地受到相場(chǎng)畸變的嚴(yán)重影響，攝影畫面出現(xiàn)夸張的變形。這一點(diǎn)也是相機(jī)相對(duì)人眼的另一個(gè)幾乎難以彌補(bǔ)的巨大缺陷。
4.3相差和色差的控制
高斯的理想光學(xué)模型認(rèn)為平行于光軸的光線通過(guò)凸透鏡后能匯聚于焦點(diǎn)。但實(shí)際情況與高斯的理想模型有一定的差異：只有透鏡的近軸光線符合該定律，而通過(guò)透鏡邊緣的光線的匯聚位置會(huì)偏離透鏡的焦點(diǎn)。所謂相差即是指由于這種實(shí)際情況和理想模型的差異導(dǎo)致的透鏡所成的實(shí)相與理論計(jì)算結(jié)果之間的各種差異。常見(jiàn)的有球形相差（Spherical Aberration）、彗形相差（Coma）以及各種畸變（Distortion）等[11]。色差（Chromatic Aberration）是白光中不同波長(zhǎng)的光線在同一折射界面上表現(xiàn)出不同的折射角度而導(dǎo)致不同顏色的光波在實(shí)相上不能完美地重疊，從而出現(xiàn)不同的色帶的現(xiàn)象，在攝影時(shí)常表現(xiàn)為照片的紫色或者藍(lán)色的邊緣[12]。對(duì)相差和色差的控制是鏡頭設(shè)計(jì)中非常重要的問(wèn)題且難以達(dá)到完美。
對(duì)于人眼而言，黃斑區(qū)恰好是視軸和視網(wǎng)膜垂直相交的區(qū)域，是近軸光線的成相區(qū)域。由于大腦的整合過(guò)程只利用局限于黃斑區(qū)域的馬賽克圖像，故只有近軸光線的實(shí)相被用于后期整體視覺(jué)的形成。近軸光線高度符合高斯的理想光學(xué)模型，相差非常?。徊⑶矣捎谝暰W(wǎng)膜存在天然的曲度，成像時(shí)彎曲相場(chǎng)的佩茲伐曲率（Petzval Curvature）也得到了良好的補(bǔ)償，減少了相差的影響[13-15]。對(duì)于色差而言，最難校正的是紫色和藍(lán)色光的色差，而角膜和晶體的組織結(jié)構(gòu)能吸收光譜的藍(lán)色、紫色以及紫外端的輻射，再加上黃斑區(qū)本身具有的濾鏡的功能[16,17]，人眼能對(duì)色差能做到非常好的控制[18,19]。
綜上考慮，由于折射造成的對(duì)鏡頭成像質(zhì)量的影響，在人眼成像系統(tǒng)的精巧構(gòu)架下，輔以人眼特有的成像模式，得到了很好的修正，對(duì)視覺(jué)幾乎不造成明顯影響。而攝影時(shí)由于相機(jī)在這些方面的內(nèi)在缺陷，很容易出現(xiàn)成像質(zhì)量遜于人眼視覺(jué)的情況。
5. 對(duì)光線的寬容度（又稱“動(dòng)態(tài)范圍”DynamicRange）的差異
在拍攝牙齒時(shí)經(jīng)常遇到這樣一種情況：切端的半透明效果雖然用肉眼觀察時(shí)非常明顯，但是在拍攝照片時(shí)，即使曝光量正確，往往記錄不到這種特殊視覺(jué)效果（圖4A）。這個(gè)問(wèn)題的成因，和相機(jī)感光元件對(duì)光線的寬容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼對(duì)光線的寬容度有關(guān)。
圖4 不同曝光量對(duì)暗細(xì)節(jié)的影響。中切牙的中1/3與切1/3半透明區(qū)域之間的明暗強(qiáng)度比超過(guò)相機(jī)感光元件對(duì)光線的寬容度（Dynamic Range）。A：在對(duì)中切牙中1/3達(dá)到正常曝光時(shí)，切1/3的半透明區(qū)域在照片上難以分辨（暗細(xì)節(jié)丟失）
所謂感光元件的寬容度，是指感光元件對(duì)同時(shí)存在的明、暗光線的感知能力；是感光元件記錄被攝范圍內(nèi)最亮的光線到最暗的光線的強(qiáng)度范圍的能力。人眼具有10000：1左右的寬容度，也就是說(shuō)，人眼所能察覺(jué)到的最亮光線的亮度是其能察覺(jué)到的最暗光線亮度的10000倍，人眼同時(shí)可以區(qū)分兩個(gè)極端之間的任意強(qiáng)度的光線?，F(xiàn)有感光元件對(duì)光線的寬容度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人眼（即使特殊設(shè)計(jì)的具有很大寬容度的Tri-X黑白膠片，其寬容度也僅500：1左右；Fuji公司的Super CCDEXR采用高精度曝光控制對(duì)同一場(chǎng)景同時(shí)進(jìn)行兩次拍攝，一次采用高感光度而另一次以低感光度拍攝，然后將兩次拍攝的影像數(shù)據(jù)合并最終獲得超高寬容度的完美拍攝效果。雖然其寬容度較一般CCD已經(jīng)有顯著提升，約400：1，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人眼的寬容度）[20,21]。當(dāng)一個(gè)構(gòu)圖范圍內(nèi)的最強(qiáng)光線和最弱光線的強(qiáng)度比超過(guò)感光元件的寬容度時(shí)，相機(jī)便難以記錄超出寬容度范圍的光線，在照片上表現(xiàn)為不能區(qū)分的白色（亮細(xì)節(jié)丟失）或者黑色（暗細(xì)節(jié)丟失）。
在拍攝前牙的切端半透明效果時(shí)，牙齒表面和半透明效果區(qū)的亮度比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相機(jī)感光元件對(duì)光線的寬容度，因而難以記錄到切端釉質(zhì)的特殊效果。要解決這個(gè)問(wèn)題，首先要明確相機(jī)不可能像人眼一樣同時(shí)精準(zhǔn)地捕捉到亮細(xì)節(jié)和暗細(xì)節(jié)，只能利用相機(jī)對(duì)光線有限的寬容度，用不同的曝光量，在不同的照片中集中表現(xiàn)亮細(xì)節(jié)或者暗細(xì)節(jié)。例如：對(duì)于切端的半透明效果，屬于暗細(xì)節(jié)，可以通過(guò)減低照度從而降低曝光量的方法來(lái)加以表現(xiàn)（圖4B）。
B：當(dāng)降低照度使整個(gè)畫面低曝光時(shí)，可以很清晰地記錄切1/3半透明區(qū)域（箭頭所指區(qū)域）
6. 白平衡
人對(duì)物體顏色的感知能隨著入射光線的變化而在一定范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的精確調(diào)整。例如同樣一張白紙，陽(yáng)光和日光燈照射下反射出的光線雖然不同，但是人眼捕捉到的信息通過(guò)大腦的整合和調(diào)整，在不同的光線條件下都能認(rèn)出這是一張白紙，即人眼對(duì)白色的認(rèn)知并沒(méi)有隨光線的變化而顯著變化，這一精細(xì)功能的實(shí)現(xiàn)有賴于大腦的調(diào)節(jié)作用。但是相機(jī)不具有這樣的調(diào)節(jié)功能，只能如實(shí)記錄入射光線中三原色光的強(qiáng)度信息；即相機(jī)記錄到的顏色信息在相當(dāng)大程度上受到入射光線色溫的影響。為了消除不同光源條件對(duì)攝影造成的偏色問(wèn)題，數(shù)碼攝影技術(shù)采用了“白平衡”的后期處理技術(shù)，簡(jiǎn)言之就是根據(jù)光源的光譜分布重新設(shè)定顏色計(jì)算的零點(diǎn)，校正照片的偏色問(wèn)題。但是相對(duì)于人眼—大腦系統(tǒng)的校正精度，白平衡的計(jì)算方式就顯得很粗略，很難模擬大腦的調(diào)節(jié)作用，不可避免地在看到的物體和拍攝到的物體影相之間形成色差（圖5）。精細(xì)的色彩還原，有賴于攝影過(guò)程中顏色標(biāo)準(zhǔn)的確立以及攝影后圖像處理軟件的精細(xì)調(diào)整。
圖5: 同一照明條件下，不同白平衡設(shè)置對(duì)圖像顏色的影響。A：日光燈；B：熒光燈
7. 視覺(jué)的主觀性和視錯(cuò)覺(jué)
雖然人眼—大腦系統(tǒng)具有很多相機(jī)難以比擬的優(yōu)勢(shì)，具有目前拍攝后處理技術(shù)難以企及的精確反饋調(diào)節(jié)能力，但其卻難免受到情緒和意識(shí)的影響，形成一些視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，影響人對(duì)周圍事物的客觀感知。視錯(cuò)覺(jué)常對(duì)比色結(jié)果造成不良影響，但是對(duì)于一些特殊病例（例如少量的間隙不調(diào)）也可以利用視錯(cuò)覺(jué)來(lái)達(dá)到良好的美學(xué)效果。相機(jī)對(duì)被攝物體的記錄相對(duì)客觀，不容易受到視錯(cuò)覺(jué)的影相，可以作為人眼視覺(jué)的補(bǔ)充。白平衡和視錯(cuò)覺(jué)對(duì)顏色記錄的影響將在“色彩記錄和還原”部分詳細(xì)論述。
以上這些因素造成了“拍到的和看到的不一樣”的問(wèn)題，口腔環(huán)境的特殊性也增加了口腔攝影的難度。為達(dá)到理想的攝影效果，需要了解不同相機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，充分利用其設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，靈活運(yùn)用光和影的組合，使捕捉到的圖像盡量接近人的視覺(jué)，并針對(duì)不同的目的，優(yōu)化各種參數(shù)，使照片能夠表達(dá)不同層次的涵義。在后續(xù)部份中，將對(duì)如何選擇鏡頭、設(shè)定攝影參數(shù)、還原原始信息等方面進(jìn)行闡述。希望通過(guò)本系列的交流，能夠使廣大口腔醫(yī)師了解更多關(guān)于攝影的信息，掌握實(shí)用技巧，真實(shí)而生動(dòng)的記錄患者特征，為臨床實(shí)踐服務(wù)。
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來(lái)源：劉洋 咬合工作室
