如何通过照片信息还原“犯罪现场”(一)

 

 

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"喂喂喂!错了错了,不是这个。。。是这个。。。"

 

要利用一张照片给出的信息来对拍摄时的现场情况进行还原,首先需要列出摄影的两个经验法则,它们也是进行推理的前提。

第一条法则是

阳光十六法则: "On a sunny day set aperture to f/16 and shutter speed to the [reciprocal of the] ISO film speed [or ISO setting] for a subject in direct sunlight."(1)

在天气晴朗日光充足的白天,设定相机光圈为f/16,则被阳光直射物体的正确曝光时间为胶片感光或者数码感光设置的倒数。

比如设定f/16, ISO100, 则正确的曝光时间应为1/100s(整档修正为1/125s),如果使用了ISO400的胶片,那么正确曝光时间为1/400s.

由于文章容量关系,第二条法则下次再具体叙述。。。

 

。。。

 

然而法则的应用是有条件的,我们首先要分析它的适用条件以及推论(对物理和数字有恐惧感的同学可以绕行至数字结束)

 

  1. 假设阳光十六法则是在阳光最为充足的夏日中午可以使用的基本事实。并进一步认为是太阳在天顶时可以使用的经验法则。

  2. 太阳照度常数Esc=128,000 lx,经大气衰减修正后取1x10^6 lx作为晴朗天气的直射正常照度(3)。这个结果会被地球距太阳距离(公转变化),阳光照射角度(自转变化),以及观测者所处的纬度所影响。照度数据下篇会进一步使用,本文只在此列出。

  3. 公转所带来的地球距太阳距离影响大致在 ±2%,根据光的平方反比原理,其对光强度的影响在±5%以内,对于相机可控进光精度而言,这部分影响只能忽略不计

  4. 自转带来的影响较大,因为太阳角度(东西向)和光照强度会随一天时段变化而变化,日出和日落时较弱,正午较强。下图为Paul Burgess对于光照辐射研究一个记录曲线,(4)

太阳辐射功率 vs 时间变化 夏季,以色列(32°N)

太阳辐射功率 vs 时间变化

夏季,以色列(32°N)

 

5.如果把可见光强度与太阳辐射强度之间看做线性关系,那么由上图可知光强在相机一档范围内变化的时间约为9小时,而中午附近光强度在相机1/3档内变化的时间约为5小时。如果把当时光线强度本身也看做正确曝光的一部分,则阳光十六法则的使用时间可以模糊判定为8:30AM至3:30PM。但仅适用于上面的时间地点。

 

6. 现在加入因地轴存在角度而在公转过程中引起的太阳直射点变化。地球自带地轴角度约为23.5°,因此在公转过程中太阳直射点对某一纬度的角度变化(南北向)为47°(5)。假设观测者身处20°N,那么冬至当天太阳距离天顶的角度为偏南43.5°,夏至当天太阳距离天顶角度为偏北3.5°。阳光照射在地球表面的范围可以近似看做圆形,所以太阳直射点变动的模型可以简化为一天内太阳角度变化曲线的一部分。

地轴引起的太阳直射点变化,以及阳光照射地球范围为圆形 图片来源:universetoday.com

地轴引起的太阳直射点变化,以及阳光照射地球范围为圆形

图片来源:universetoday.com

 

把之前判断的正确曝光时间范围换算成太阳角度,得到为 ±50°,结合已经得出的结论,身处南北纬26.5°范围内的人是可以在全年的全部时间内使用阳光十六法则的。而处在南北纬73.5° 范围内的人是可以在一定时节范围内使用阳光十六法则的。由于上述数据是基于夏季北纬32°当天照射曲线推测的,故而实际情况一定还会有所不同,但是大致情况已经明了。

 

       

确定了阳光法则的使用条件后,再来看今年荷赛奖的时事话题类单张一等奖,《雾霾在中国》,现在我们就可以进一步推测作者的故事。

雾霾在中国            张磊 2015/12/10            天津,中国 EXIF:  相机: Nikon D4             快门: 1/500s 光圈: f10            焦距: 44mm            ISO: 100

雾霾在中国            张磊

2015/12/10            天津,中国

EXIF: 

相机: Nikon D4             快门: 1/500s

光圈: f10            焦距: 44mm            ISO: 100

 

天津地处北纬39°±1° (6)。2015年冬至时间是12月22日。这张照片拍摄于12月10日,也就是距离冬至仅有12天之前,毫无疑问脱离了可以正常使用阳光十六法则的范围(冬至当天可以使用阳光法则的地域是北纬26.5°至南纬73.5°)。

 

通过Excel对曲线数据的拟合,带入数据计算后可以得出当天的曝光强度应该比直射天正午低1又1/3档,比上文模糊界定的使用范围(8:30AM至3:30PM,中线两侧x轴50%范围内)仍低2/3档。 

Excel拟合后的曲线及趋势公式

 

根据天气网的记录,12月6日至10日是天津重污染黄色预警(8日起升级为橙色预警)时段,记录表明,10日冷空气到津后,天气出现了改善,下午16时解除应急措施。而10日当天上午8时还发布过雾霾橙色预警,因此拍摄时间不会出现在早晨,只能是日落前。

 

当天的日落时间是16时48分(数据来源esk365.com),所以推测照片的拍摄时间大致在16时左右,刚好在雾霾散去阳光出现的时刻。这个时刻拟合曲线给出的结果是比正午低2又1/2档曝光。

 

这张照片本身的数据,f10比f16大1又1/3档,1/500s比1/125s小两档。也就是说数据本身已经比正午曝光低了1/3档,加上上面的光线推测,照片数据看起来似乎应该比当时光线环境欠曝4档!

 

惊人的“真相”是这张照片的原片应该几乎全黑。

     

 

 

 

使用Photoshop减弱4档曝光后的这张照片

 

从照片角度来看,这张照片应该是从高空中拍摄的。结合照片数据,44mm中焦段以及高速快门,很自然地推测作者应该是航拍,为了防止飞机运动导致图片模糊而使用了1/500s,结果曝光不足。可是查询了对张磊的采访后,发现他特别说明这张照片不是航拍,而是在高楼上拍摄的,当时还未完工的天津市117大厦。

 

这样一来,这个拍摄的故事就可以推断为:

 

张师傅为了在天黑前拍摄雾霾匆忙登上施工楼顶楼,并没有携带脚架,也来不及更换刚刚采访工作中佩戴的24-70mm镜头。

 

到达楼顶后,为了拍摄全城的景观,他使用了小光圈f10以便扩大景深。没有增加相机感光度而使之保持在100,是因为张师傅本人对高感光噪点排斥,尤其是对D4的高感并没有什么自信。

 

就在这时,西南边的天空中漏出了夕阳。散去的雾霾衬托着夕阳,绝对是一副有意义的画面,

 

张师傅赶忙端起相机去拍摄。因为直接拍摄太阳,亮度非常的高,所以张师傅调节了快门时间至1/500s。

 

连续拍了几张夕阳以后,他感觉差不多了,太阳也快消失了,便停下来想检查一下刚才拍摄的照片,于是他背过身去(有经验的人都知道看相机屏幕的时候会习惯用身体遮住太阳的方向),突然就看到了远处市中心依然被雾霾笼罩而近处的几座楼房被残阳照亮这一景象。。。

 

张师傅赶忙又端起相机,匆匆按下快门——竟然忘记了调整参数——没拍几下,最后的太阳光线也从楼房顶端下去了。。。

 

回到家里,看到最后那几张欠曝的照片,心情也是十分懊悔。没嘛办法了,往电脑里一导,硬拉一下lightroom看看吧。

 

没成想,欠曝了4档的照片竟然硬生生地拉回来了,细节不缺,天空颜色,楼房夕照,雾霾围城样样都有,张师傅不禁心满意足————这可都亏了我们Nikon相机强大的动态范围啊!!

 

没错,选相机,就要选尼康。

 

(本文的推测只是理论上的结果,是以承认经验法则为前提的。实际结果受更多因素影响,可能会与本文推论并不相同。利用数据来尝试还原更多信息只是一种基于理论研究的应用,作者希望能够为摄影理学和侦破领域提供一些新的想法,毕竟,相互启发才会有不断地创新与进步。本篇只介绍了白天部分的曝光理论,夜晚的光线理论和相机工艺之间关系更加复杂,在还原犯罪现场二中会进一步探索。另外,本文写的故事只是娱乐性推断,为的是增强文章趣味性。向获得荷赛奖的张磊致敬。)

 

 

(1)Sunny 16 rule, Wikipedia

(2)K. Krisciunas and Schaefer B.E., “A model of the brightness of moonlight”, Publ. Astron. Soc. Pacif. 103 (667), 1033-1039 (1991)

(3) Sunlight, Wikipedia

(4) Paul Burgess, "VariationIn Light Intensity At Different Latitudes And Seasons, Effects Of Cloud Cover,And The Amounts Of Direct And Diffused Light", CCFG Scientific Meeting 29 (2009)

(5) Earth's rotation, Wikipedia

(6) bjtime.cn