口腔攝影系列
第一話：為什么照片和實際看到的東西不一樣
在口腔臨床實踐中，近年來攝影技術的應用逐步受到重視。通過對患者口腔內圖像信息的采集，既達到記錄臨床信息的目的，并且通過治療前后圖片的對比，又可以清楚直觀地反映治療效果。照片不僅使口腔醫師和患者的溝通更加直觀，而且更加方便了口腔醫師、口腔技師之間的信息交流。同時，通過對患者治療過程中各個階段口內圖像信息的完整采集，建立完備的臨床治療檔案，可避免不必要的醫患糾紛。而對于口腔醫師本人，每個病例的完整影像記錄，有助于其分析和總結經驗教訓，進行技術交流，提高臨床技能。因此口腔攝影已成為口腔臨床中一項重要的技能，作用日趨明顯，應用日益廣泛。
然而口腔環境存在特殊性，充滿各種對攝影的不利因素，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，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；口腔內各解剖結構的特殊性使其對光的反射率存在很大差異。例如牙齒表面的反光率遠遠高于口腔黏膜表面的反光率，造成被攝物體光比很大，難以正確精準地曝光，無法在一張照片上同時表現出高光部分和陰影部分的細節；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、顏色、表面質地、半透明效果等）。但是口腔的具體特點又決定了攝影的技術參數很難做到標準化，用一張照片記錄所有的信息幾乎是不可能的；此外口腔內被攝主體很小，需要使用微距攝影技術，各種相應的技術難題隨之而來，例如難以控制的放大比，較淺的景深，不易克服的相場畸變，很難達到的均勻照明等。
口腔環境的特殊性給攝影帶來極大的挑戰，攝影者需要靈活并且精準地運用光和影的效果，對主體的某一特點進行記錄，然后用一系列的照片來系統地記錄被攝主體的各種特征；還需要充分利用相機的設計優勢，揚長避短，避免因相機和鏡頭相對于人眼而言存在的設計缺陷對圖像質量造成明顯的影響，從而使捕捉到的圖像盡量接近人眼的視覺。
在實踐中，初學者最常被一個問題困擾：“為什么拍到的照片和看到的景物不一樣？”。對這個問題，究其原因主要是由于人眼和相機的差異造成。即便是設計精良的相機，在很多方面也很難與人眼的光學能力媲美。相機的構造雖然和人眼類似，但在結構和功能上具有極大不同（表1）。這些不同直接導致了人眼和相機成像結果的巨大差別，也就是我們經常留意到的“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. 感光的物質基礎
在可見光譜（波長400-700nm）范圍內，正常人眼大約能分辨出超過200種不同的色調。人眼視網膜上有兩類視細胞，視桿細胞對光線的強度有很高的敏感性，但是缺乏對顏色的分辨能力；視錐細胞具有分辨顏色的能力，但對光線強度的敏感性遠遠低于視桿細胞。視錐細胞和視桿細胞的協同作用使人眼能同時分辨物體的亮度和顏色[1]。一般認為視錐細胞有三種，每一種對不同波長光線的敏感性不同，恰好分別對應了紅、綠、藍三原色的波長，并且這三類視錐細胞對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基礎。
圖1 A：正常人眼三種視錐細胞對不同波長光波的敏感性，三種不同視錐細胞對光波的敏感性之間有相當的重疊。并且這三類視錐細胞對光譜的感知范圍有一定重疊。
與人眼不同，相機感光元件對光譜的敏感范圍大于人眼，除可見光外，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，經過后期處理，會以可見光的形式出現在照片中，對成相造成影響[5]。相機對光線強度和波長的信息采集由三種不同的成相單元同時完成。這三種成相單元分別對紅、綠、藍三原色的光敏感，并且三者的敏感范圍沒有類似人眼的相互重疊（圖1B）。相機捕捉到的光線經過后期的處理（膠片的沖印/數碼的計算）后合成出最終影像。
圖1B：數碼相機感光元件，三種成相單元在芯片上的排列。（圖片B來自 fujifilm.com）
正因為人眼和相機結構上的差異直接導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上形成的視覺和照片也就會不一樣。
2. 對焦范圍
人眼通過對晶狀體的曲度進行調整，能使無窮遠處（遠點）至250mm 處（近點）的光線匯聚在視網膜上形成實相，而距人眼距離小于250mm的物體將不能在視網膜上準確成像。這一非意識性的調整過程稱為人眼的“調節（accommodation）” [6,7]。相機的對焦則是依靠一組光學鏡片之間相對位置關系的改變來完成的，聚焦后將光線準確地匯聚到感光元件上。相機的成像范圍受到不同鏡頭的設計的影響，一般鏡頭的遠點位于無窮遠處，不同的鏡頭的最近對焦距離（近點）不同，常見的微距鏡頭約在10cm左右。單從對焦范圍的表觀數據來看，似乎相機的對焦能力優于人眼。但是由于對焦范圍的擴大，對于各種相差的控制難度大大增加，結果導致鏡頭對相差和色差的控制能力遠遠遜于人眼[8]（將在“鏡頭的選擇”部分詳細闡述）。
3. 立體視覺（Stereopsis）
正常人雙眼的瞳間距離一般為65mm，對同一景物，雙眼捕捉到的影相會有細微的差別，這兩幅不同的影相經過大腦的整合，形成對景物的立體感覺[9]。這種立體感覺不依賴于景物的距離和排列方式（例如光影效果）的輔助。目前市場上流行的3D技術（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，相機每次只捕捉一個單一影相，只能在平面上表現物體的位置關系而缺乏空間立體信息，捕捉到的影相常會造成視覺的錯覺，這是相機的內在缺陷。在攝影時，需要通過精確控制光影效果（布光）和巧妙地安排景物的相對位置（構圖），來一定程度上補償空間立體信息的損失；而微距攝影中常用到的環形閃光燈，因其會消除必要的陰影，使整個畫面喪失立體感，因此應該根據不同的攝影目的進行選擇性使用（圖2）。
圖2 需要充分利用光和影的配合來彌補攝影時被攝物體的空間信息損失。A：運用45°側光的陰影使景物具有立體感。B：環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償
在正常照度下，人眼捕捉彩色影像的方式很特別。由于對顏色高度敏感的視錐細胞集中分布在黃斑區域，人眼僅在該區域具有對形狀和顏色的高度敏感性（雖然視桿細胞在視網膜的分布很廣泛，但是由于視桿細胞主要在低照度下形成黑白視覺，故不做詳細討論）。在進化中，人眼逐漸形成了一種被稱作“掃視（Saccade）”的特殊成像模式[10]。對一個視野，人眼每次只利用投照在黃斑區的清晰的實相（一個馬賽克圖像），再通過眼球的非規律性運動，掃描整個視野，再將掃描到的多個馬賽克圖像經過大腦的整合功能拼接成一個完整的視覺圖像（類似Image Pro軟件的Stage Pro功能，和Photoshop軟件的Photomerge功能）（圖3）。而目前常用的相機只是簡單的一次性成像，成像范圍取決于相機的畫幅設置，成像的質量取決于鏡頭的光學特征及對攝影參數的控制等因素。
圖3 人眼掃視成像：正常照度下，人眼隨機捕捉黃斑區域的小范圍清晰的圖像，再通過眼球的不規則運動掃描整個視野，最后將馬賽克圖像整合拼接成完整的視覺圖像。
比較這兩種成像方式，人眼的成像方式具有很多優勢，包括：
4.1曝光量的控制
相機的成像模式和感光元件的構造以及對原始信息的計算方式決定了相機對圖像的采集具有時間敏感性，曝光度可以隨曝光時間呈現累加效應，故而攝影時曝光量是否精確決定了攝影的質量。由于人眼采取掃視的成像模式，并且有精確的反饋系統，所以能對每一個馬賽克圖像實現精準的曝光，使整個圖像的曝光量協調、穩定，而不會出現曝光量隨時間的累加效應。
4.2視野的大小以及相場畸變的控制
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，使得人眼對周圍相當大范圍內的物體的感知具有準確性，不會受到相場畸變的明顯影響；而對于相機而言，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畸變的嚴重影響，攝影畫面出現夸張的變形。這一點也是相機相對人眼的另一個幾乎難以彌補的巨大缺陷。
4.3相差和色差的控制
高斯的理想光學模型認為平行于光軸的光線通過凸透鏡后能匯聚于焦點。但實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，而通過透鏡邊緣的光線的匯聚位置會偏離透鏡的焦點。所謂相差即是指由于這種實際情況和理想模型的差異導致的透鏡所成的實相與理論計算結果之間的各種差異。常見的有球形相差（Spherical Aberration）、彗形相差（Coma）以及各種畸變（Distortion）等[11]。色差（Chromatic Aberration）是白光中不同波長的光線在同一折射界面上表現出不同的折射角度而導致不同顏色的光波在實相上不能完美地重疊，從而出現不同的色帶的現象，在攝影時常表現為照片的紫色或者藍色的邊緣[12]。對相差和色差的控制是鏡頭設計中非常重要的問題且難以達到完美。
對于人眼而言，黃斑區恰好是視軸和視網膜垂直相交的區域，是近軸光線的成相區域。由于大腦的整合過程只利用局限于黃斑區域的馬賽克圖像，故只有近軸光線的實相被用于后期整體視覺的形成。近軸光線高度符合高斯的理想光學模型，相差非常小；并且由于視網膜存在天然的曲度，成像時彎曲相場的佩茲伐曲率（Petzval Curvature）也得到了良好的補償，減少了相差的影響[13-15]。對于色差而言，最難校正的是紫色和藍色光的色差，而角膜和晶體的組織結構能吸收光譜的藍色、紫色以及紫外端的輻射，再加上黃斑區本身具有的濾鏡的功能[16,17]，人眼能對色差能做到非常好的控制[18,19]。
綜上考慮，由于折射造成的對鏡頭成像質量的影響，在人眼成像系統的精巧構架下，輔以人眼特有的成像模式，得到了很好的修正，對視覺幾乎不造成明顯影響。而攝影時由于相機在這些方面的內在缺陷，很容易出現成像質量遜于人眼視覺的情況。
5. 對光線的寬容度（又稱“動態范圍”DynamicRange）的差異
在拍攝牙齒時經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非常明顯，但是在拍攝照片時，即使曝光量正確，往往記錄不到這種特殊視覺效果（圖4A）。這個問題的成因，和相機感光元件對光線的寬容遠遠小于人眼對光線的寬容度有關。
圖4 不同曝光量對暗細節的影響。中切牙的中1/3與切1/3半透明區域之間的明暗強度比超過相機感光元件對光線的寬容度（Dynamic Range）。A：在對中切牙中1/3達到正常曝光時，切1/3的半透明區域在照片上難以分辨（暗細節丟失）
所謂感光元件的寬容度，是指感光元件對同時存在的明、暗光線的感知能力；是感光元件記錄被攝范圍內最亮的光線到最暗的光線的強度范圍的能力。人眼具有10000：1左右的寬容度，也就是說，人眼所能察覺到的最亮光線的亮度是其能察覺到的最暗光線亮度的10000倍，人眼同時可以區分兩個極端之間的任意強度的光線。現有感光元件對光線的寬容度遠遠低于人眼（即使特殊設計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同一場景同時進行兩次拍攝，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據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已經有顯著提升，約400：1，但是仍然遠遠低于人眼的寬容度）[20,21]。當一個構圖范圍內的最強光線和最弱光線的強度比超過感光元件的寬容度時，相機便難以記錄超出寬容度范圍的光線，在照片上表現為不能區分的白色（亮細節丟失）或者黑色（暗細節丟失）。
在拍攝前牙的切端半透明效果時，牙齒表面和半透明效果區的亮度比遠遠超過了相機感光元件對光線的寬容度，因而難以記錄到切端釉質的特殊效果。要解決這個問題，首先要明確相機不可能像人眼一樣同時精準地捕捉到亮細節和暗細節，只能利用相機對光線有限的寬容度，用不同的曝光量，在不同的照片中集中表現亮細節或者暗細節。例如：對于切端的半透明效果，屬于暗細節，可以通過減低照度從而降低曝光量的方法來加以表現（圖4B）。
B：當降低照度使整個畫面低曝光時，可以很清晰地記錄切1/3半透明區域（箭頭所指區域）
6. 白平衡
人對物體顏色的感知能隨著入射光線的變化而在一定范圍內進行相應的精確調整。例如同樣一張白紙，陽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大腦的整合和調整，在不同的光線條件下都能認出這是一張白紙，即人眼對白色的認知并沒有隨光線的變化而顯著變化，這一精細功能的實現有賴于大腦的調節作用。但是相機不具有這樣的調節功能，只能如實記錄入射光線中三原色光的強度信息；即相機記錄到的顏色信息在相當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攝影造成的偏色問題，數碼攝影技術采用了“白平衡”的后期處理技術，簡言之就是根據光源的光譜分布重新設定顏色計算的零點，校正照片的偏色問題。但是相對于人眼—大腦系統的校正精度，白平衡的計算方式就顯得很粗略，很難模擬大腦的調節作用，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）。精細的色彩還原，有賴于攝影過程中顏色標準的確立以及攝影后圖像處理軟件的精細調整。
圖5: 同一照明條件下，不同白平衡設置對圖像顏色的影響。A：日光燈；B：熒光燈
7. 視覺的主觀性和視錯覺
雖然人眼—大腦系統具有很多相機難以比擬的優勢，具有目前拍攝后處理技術難以企及的精確反饋調節能力，但其卻難免受到情緒和意識的影響，形成一些視覺錯覺，影響人對周圍事物的客觀感知。視錯覺常對比色結果造成不良影響，但是對于一些特殊病例（例如少量的間隙不調）也可以利用視錯覺來達到良好的美學效果。相機對被攝物體的記錄相對客觀，不容易受到視錯覺的影相，可以作為人眼視覺的補充。白平衡和視錯覺對顏色記錄的影響將在“色彩記錄和還原”部分詳細論述。
以上這些因素造成了“拍到的和看到的不一樣”的問題，口腔環境的特殊性也增加了口腔攝影的難度。為達到理想的攝影效果，需要了解不同相機的設計特點，充分利用其設計優勢，靈活運用光和影的組合，使捕捉到的圖像盡量接近人的視覺，并針對不同的目的，優化各種參數，使照片能夠表達不同層次的涵義。在后續部份中，將對如何選擇鏡頭、設定攝影參數、還原原始信息等方面進行闡述。希望通過本系列的交流，能夠使廣大口腔醫師了解更多關于攝影的信息，掌握實用技巧，真實而生動的記錄患者特征，為臨床實踐服務。
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來源：劉洋 咬合工作室
