好啦！在看這篇文章之前，我們先做一個調查:
不管您愛與不愛，您註定將是一個特別的攝影師---人體攝影師！
本文投稿作者：張羽 (weibo:DrZhangYu)
編輯：慕魚 來源：超聲俱樂部
在超聲圈裡，有不少圈友都是色友。當有人說B超人玩攝影那就是不務正業時，B超人總會義正言辭地反駁:攝影和B超本是同根生。那B超和拍照到底有嘛關係？且聽B超人跟你慢慢道來。有人說洗照片和B超都是在暗室裡瞎折騰，可如今已經步入數碼年代了，貌似也不用在暗室裡洗照片了。B超人想像自己去拍照的時候，右手食指輕輕地搭在快門上，左手託著相機不斷上下左右調整視野，眼睛透過取景器搜尋視野範圍內的潛在目標，一旦發現目標右手食指立馬按下，有時生怕沒抓到，直接來個多張連拍咔咔咔，拍完在LCD屏上查看照片的效果；而當B超人坐在B超機器前面的時候，左手食指輕輕地搭在凍結鍵上，右手把著探頭上下左右在身體上「抹油」，眼睛時刻盯著屏幕，生怕可疑目標從眼前溜走，一旦發現目標時，左手以迅雷不及掩耳盜鈴之勢按下凍結鍵，在最後的連續幾幀B超圖像裡找一張最滿意的圖像存圖「留作紀念」。照相和做B超檢查的整個過程除了左右手互換了，其他貌似沒啥本質區別，難道這也是如有雷同純屬巧合了嗎？先從大家更熟悉的攝影說起吧，隨著智慧型手機的進步和普及，出現了一大批手攝黨，而一些手攝黨們時不時就與單反黨PK。手機廠家也紛紛為手攝黨站臺造勢，頗有把單反趕下歷史舞臺之勢。這年頭無論哪家新手機都在宣傳大光圈，動不動就說俺老孫這是可以和單反相媲美的F 1.8的大光圈和N千萬像素的拍照手機，光圈和像素成了手機廠家競爭的不二法寶了。各位「皇上」、「老佛爺」們每天批閱微信朋友圈呈上的各地美食、錐子臉自拍美圖「奏摺」的時候，就該知道為啥所有手機廠家都辣麼賣力地誇自家的攝像頭黑科技了。光圈值的確是衡量相機鏡頭的一項很重要的指標，英文叫Aperture Value，簡稱AV（雖然小日本的相機不得不承認是一流的，但此AV和彼AV還是不同的）。上面說的F 1.8就是AV嗎？其實不然，F 1.8是光學成像裡的F number（也有翻譯成焦距比數的，聽著拗口，下文還是以F#代替），查維基百科可以發現AV和F#並不相等，但是他們是可以等效轉換的，轉換的公式就是正因為他們之間的一一對應關係，而F#又沒有AV那麼朗朗上口，所以久而久之兩者在很多人的理解上就變成一回事了。根據F#的定義，它是透鏡焦距和透鏡孔徑（直徑）之比，即F#=D/A。焦距就是鏡頭中心到CMOS感光平面的距離D，而孔徑就是鏡頭前面那個許多葉片組成的通光孔的大小。因為那個花瓣葉片組成的孔不是圓的，所以根據面積等效的方式想像成一個圓形的光圈，這個等效的圓形的直徑就是孔徑A。可見在焦距D一定的前提下，孔徑A越大即光圈越大，則光圈值F#是越小；而光圈值越大，則代表的光圈是越小，AV少個V意義卻是相反的。光圈（孔徑）越大，就有越多的光進入鏡頭，相同時間裡圖像就會越亮堂。那麼除了亮堂之外，孔徑大還有什麼其他影響嗎？某期《非誠勿擾》節目裡，一南大物理博士創作了一首「物理情詩」，其中開頭是「那一天，你在我的參照系裡靜止，你透過我的瞳孔衍射，在視網膜上刻下一組艾裡斑，於是我知道，事情經歷了不可逆過程，我恨自己眼睛不夠大，以至於遺憾地丟失了許多高頻次波…」雖然男博士最後悲催的被全部滅燈了，但卻講述了一個透鏡光學成像的基本原理。光學成像在高中物理裡大家都學過，而且是當年高考物理必考題，一般就是一個簡單的幾何關係，所以往往被放在高考物理應用題的第一題給大家送福利（不過悲催的是，B超人當年愣是想多了，洋洋灑灑分情況討論了一大篇，結果白白丟了這個大禮包，最後被物理老師兼班主任作為反面典型一代一代教育後來人，哎！一世英名毀於一題、往事不堪回首）。但高中物理裡的光學是理想的情況，也就是平行光經過任何透鏡後在焦點位置會得到一個無限細的亮點。但實際情況並非如此，由於透鏡的口徑有一定大小，限制了光線的傳播，所以凸透鏡就會發生衍射，這導致透鏡無法把光線匯聚成無限小的點，而只會在焦點位置形成具有一定能量分布的艾裡斑。正如物理博士所言，他心儀的美女身上的每個點就通過他的眼球這個凸透鏡，在視網膜上留下了一個艾裡斑，整個美女的像就是大量艾裡斑疊加起來的結果。那麼對於一個理想透鏡來說，產生的艾裡斑大小和哪些因素有關呢？焦點平面上艾裡斑半徑的大小可以近似為其中λ為波長，D為透鏡焦距，A為透鏡的直徑。由於F#=D/A，因此艾裡斑的大小也可以表示為可見艾裡斑的大小是與波長和F#成正比的。艾裡斑越小就越接近理想的一個無限小的光點，也就是通常所說的解析度越高，因此在光照已經固定的條件下，為了獲得更小的艾裡斑、更高的解析度就需要降低F#。可見光的波長範圍是390~780nm，取個中值大約600nm，F#分別是2和20的時候，艾裡斑的直徑分別約為：3um和30um。光看這兩個數值可能沒什麼概念，5D Mark III的像素尺寸大約是6um，就是說大光圈F2的時候，一個成像點的面積還不到感光器像素麵積的1/4，而當光圈縮小到F20的時候，一個艾裡斑差不多要覆蓋20個像素點了。誰高清誰低清你懂的。前面提到的拍人專用鏡頭是定焦的，剛拍完鎂鋁臉部特寫又想拍個半身甚至全身照的時候，基本只能靠攝影師的兩腳來回走了，也就是俗話說的「定焦鏡頭變焦基本靠走」。為了把遠的景物拉近了看，也就有了變焦鏡頭。大部分變焦鏡頭的廣角端F#小於長焦端，而為了獲得恆定的F#，則光圈孔徑需要隨焦距線性增大，比如一個佳能「小白」恆定F 2.8，焦距從70到200，對應的孔徑就得從25mm增加到71mm。而「大白」不是恆定光圈，在400mm焦距的時候F#只有5.6，等效光圈孔徑和「小白」的200mm焦距其實是一樣大。對鏡頭來說孔徑每增加1mm那都是銀子啊，燒得厲害的色友們要配齊所有焦段的鏡頭，而且最好還都得是恆定大光圈的，所以才有了玩單反窮三代的警世恆言。對一幅照片來說只能讓某一個特定距離（即合焦位置）的目標在某個焦距的感光平面上成出清晰的圖像，而由於其他距離的目標最清晰的成像平面是在焦平面的前面或者後面，這些點在焦平面上的投影就變成了一個個的圓（彌散圓），也就是在焦平面上就獲得了一個模糊的投影，出現了所謂的虛化效果，這其實是景深在作怪。鏡頭的景深決定了在合焦位置前後多大距離範圍內的目標是可以清晰成像的，也就是在這個距離範圍內的非合焦平面上的點在焦平面上投影的圓與像素尺寸是相當的，肉眼認為是夠清晰了。具體的景深公式是根據幾何光學推導獲得的，大家可以在網上查到，這裡就不copy了。這裡簡單介紹一下景深的特點：在相同焦距下，光圈越大景深越淺，虛化效果越明顯。順便提醒一下，雖然大家平時的口頭禪是加大背景虛化，但實際上前景也同樣是虛化了，而且前景深的距離會更短，因此景深就像一個小蠻腰，合焦位置很細，合焦位置前後就逐漸變粗。帥鍋給鎂鋁拍照的時候就得掌握好火候，要不鎂鋁會叫囂背景虛化效果忒差，木有突出鎂鋁的重點，或者是鎂鋁的大眼睛是清晰了，可鎂鋁胸前抱著的小貓咪就朦朦朧朧了。但對於許多風景攝影這種需要看大場面的時候，小蠻腰一般就不受人待見了，我們寧願犧牲一點合焦位置的解析度，也希望合焦位置前後很大的距離內的目標都能夠比較清楚地成像，因為這時候更加關注全局畫面的均勻性，而不是某個細枝末節的清晰度，所以在這種風景攝影的時候往往會把光圈儘量調小。在一些特殊的應用場合，要求拍攝的多個目標在空間距離上可以明確區分，而且還變態地希望每個目標都很清晰，也有人提到可以用大光圈對每個目標分別對焦成多幅圖像，最後對獲得的多幅圖像進行後處理融合顯示，B超人還沒玩過，不知道是不是別有一番風味。從景深公式看，鏡頭的景深除了和光圈有關外，還和焦距D也有關係，甚至關係還更大，景深與光圈F#的關係是接近線性關係，但是與焦距的關係則是接近平方的關係。簡單說來就是焦距越長，景深越淺，虛化效果越明顯。此外，景深還與目標距離鏡頭的距離L（即合焦位置）有關，離鏡頭越近景深越淺，而且也是近似的平方關係，這在微距攝影的時候就尤其需要注意了，淺景深會讓一條小毛毛蟲的頭部清晰但尾巴模糊得一塌糊塗，這時候就得考慮通過加大F#來抵消一部分距離太近導致的景深太淺的問題了。根據上面的描述，我們可以把景深與焦距和光圈的關係簡單表示為：現在回過頭來，我們再來扯淡一下手機上的F1.8大光圈那點事。手機攝像頭的焦距一般是4mm，F1.8對應的光圈等效孔徑也就2.2mm。再渣的狗頭18mm焦距F3.5對應的孔徑是5mm，光圈直徑差了2倍多，通光量就差5倍多了。再來看看相同目標距離時候，F#/D^2係數是0.1125 Vs 0.0108，也就是狗頭廣角端的景深是手機的1/10左右。因此，所謂的手機大光圈虛化效果媲美單反的說辭有多扯大家心裡該有譜了。現在無論是相機還是手機的像素都越來越高了，哪怕是向來宣傳800萬就夠用的水果腎機也在6S裡升級到1200萬像素了。攝影論壇上經常也會出現一些文章宣傳多少像素就夠了，再高的話因為小光圈衍射問題導致圖像質量不行之類的高論。實際上前面例子中已經給出了小光圈無非就是艾裡斑變大了之後，讓艾裡斑的尺寸明顯大於像素的尺寸了。隨著像素量的提高，每個像素的尺寸降低，對應的所謂最小可用光圈的F#也就降低了，號稱對需要大景深的場景就不適用了。但實際上這種擔心是多餘的，從解析度的角度來說，當大光圈小艾裡斑的時候，由於艾裡斑的尺寸可能遠小於像素的尺寸，這時候解析度就取決於像素的尺寸；隨著光圈的減小，艾裡斑尺寸變大到和像素尺寸相當的時候，解析度是像素尺寸和艾裡斑尺寸共同影響的結果；光圈再進一步減小的時候，艾裡斑尺寸明顯大於像素尺寸了，這時候解析度就取決於艾裡斑的尺寸了。因此，從解析度的角度來說，像素越高越好，而且有好事之徒專門用相同的鏡頭參數和不同的解析度做了對比，所謂的圖像銳度在100%放大的時候高像素變肉了，但如果把高像素圖像降採樣到低像素水平的時候銳度照樣比低像素的好。當然，像素的提高，會導致單個像素感光靈敏度下降、整幅圖像讀出時間加長影響連拍速度等等的問題，這些問題要是廠家都能很好解決的話，高像素還是利大於弊的。前面提到的場景通過變焦或者換鏡頭都能拍出想要的場景了，但當你登頂五嶽，一覽眾山小的時候，舉起相機或者手機，想把眼前的宏偉景觀收入機中的時候，發現怎麼照也只能拍下小小的局部，照片自然就沒法表達你那一刻洶湧澎湃的心情了。智能機裡都有了全景模式，B超人這時候經常會手臂伸平，雙腳併攏，點擊開始，以雙腳中心為圓心，手舉著水果機做緩慢、弧線、勻速運動，最後咔嚓一下，一幅氣壯山河的全景圖像就出來了。相機上一般就通過給不同角度拍多幅照片，然後用電腦或手機上的後處理軟體離線合成了。扯了那麼多攝影的概念和基本原理，接下來就來扯扯B超人的老本行的犢子。話說自己在初學超聲成像原理的時候，也遇到了孔徑、F#、解析度之類的概念，而且經常被這些概念和之間的關係搞得雲裡霧裡。直到自己親自動手攢一臺超聲系統的時候，才逐漸搞明白了大概是怎麼回事。首先，發射和接收的掃描線都不像雷射束那樣細細的，而是有一定寬度且粗細不均勻的聲束。發射和接收波束合成常常被用來表示發射和接收聚焦的過程。無論是發射聚焦還是接收聚焦，在焦點位置的超聲波波束都不是無限細的，也是有一定的寬度的，焦點位置波束的寬度與超聲波的波長和F#成正比，即其中F#就是焦點到探頭表面的距離與孔徑之比，D/A。可見焦點位置超聲波束的寬度定義和透鏡的艾裡斑一樣，在成像頻率固定後波長也就固定了，為了獲得更細的波束，就需要降低F#，而在焦點距離固定了之後，可以通過提高孔徑尺寸的方式讓焦點變得更細。一個探頭裡同時參與發射或接收聚焦的陣元數越多，則對應的成像孔徑就越大。由於同時參與發射或接收的每個陣元都需要獨立的一個通道的發射或接收電路，因此想要獲得更好的聚焦效果自然也就需要更大的通道數支撐。每個通道的發射和接收電路成本都不算低，尤其是在早期集成電路水平不高的時候更是可以用昂貴來形容，再加上通道數越多控制所有通道的成本也增加，因此市面上不同檔次的機器會有不同通道數的配置。當然每個通道都是為了給探頭的每個陣元服務的，因此發射和接收聚焦通道數得和探頭匹配才能達到好馬配好鞍的效果。比如一個相控陣心臟探頭如果只有64個陣元，把它插到一臺支持128通道的機器上的時候，有一半的通道就被白白浪費了。從上面的聲束寬度公式我們還可以看出當F#恆定的時候，聲束的寬度也保持不變。現代的B超設備裡接收聚焦一般都採用動態聚焦了，也就是對接收回來的每個通道的數位訊號在不同的焦點深度採用不同的聚焦延時，實現幾乎所有焦點深度的聚焦。如果在動態聚焦的同時，保持接收孔徑的F#恆定，則可以讓接收波束在所有深度都是均勻的。從F#=D/A可知，為了達到F#的恆定，隨著焦點深度D的增大，接收聚焦的孔徑A也需要線性增大，而A的增大則通過不斷加大參與接收波束合成的通道數來實現，這就是所謂的動態孔徑技術了。不同焦距點上用恆定的F#進行接收波束合成，這個過程頗有點恆定光圈變焦鏡頭的趕腳。正如前面所說，系統的通道數是有限的，對於彩超來說少則32通道，多則256通道，一旦焦點深度太大了之後，打開的通道數達到了系統的最大值了，再深的焦點D不斷增大、A保持不變，從而F#不斷增大也就使得波束寬度Wb不斷增大，就像非恆定光圈的變焦鏡頭在長焦端光圈F#變大了，導致艾裡斑的半徑變大了一樣，超聲成像到了遠場，再牛的B超也會讓人覺得圖像被橫向拉伸畸變了。低檔的機器由於通道數少得多，自然在不那麼深的位置孔徑就不能再開大了，因此橫向拉伸就更明顯了。攝影只是被動的接收目標反射的光線，對這些光線只需要做一次聚焦，而超聲成像則是主動地發射超聲信號，然後接收目標反射回來的超聲信號。也就是說存在兩次聚焦，成像的效果同時取決於發射聚焦和接收聚焦的效果。上面說的都是接收聚焦的情況，現代完全數位化的接收聚焦由於是對採集回來的數位訊號緩存下來之後，可以施以不同的延時實現動態聚焦，而發射則是嫁出去的女兒潑出去的水-收不回，因此也就沒法像接收聚焦一樣來個不同深度都發射聚焦了。每次發射只能在一個焦點位置聚焦，在焦點位置發射波束最細，而在其他位置由於不是焦點波束就發散變寬了，也就在焦點位置出現了一個小蠻腰。這時候即便全場的接收都是恆定F#的動態聚焦獲得粗細均勻的接收波束，也無法掩蓋發射波束的小蠻腰，而且最後成像的波束就是發射波束和接收波束的乘積，因此，實際上這時候發射波束的小蠻腰就決定了成像波束的小蠻腰了。這個小蠻腰的深度Df和F#、波長有關係：從公式可見，和攝影的景深小蠻腰一樣也存在F#越小波束越細的現象，只不過在超聲成像裡Df與F#平方成正比，也就是蠻腰縮短的速度比波束變細的速度更狠。誰也沒法忍受某個深度點附近圖像很清晰，而離開這個深度點的其他位置的圖像很快就變渣了。就像大多數的風景攝影模式一樣，希望獲得一個全視野都差不多清晰的圖像，因此在發射聚焦的時候就不能太追求發射波束多細了，而是犧牲一點小蠻腰的纖細程度而換來上身和下身的身材勻稱了。在接收聚焦的時候，由於是動態聚焦，每個接收的焦點都只需要考慮自己的纖細程度，無需擔心前後其他點的纖細與否，因此接收聚焦時所用的F#往往比發射聚焦小得多。由於發射聚焦帶來的即便是不太細的小蠻腰的存在，設備上也多了一個Focus旋鈕，就像攝影裡的手動對焦選擇不同深度的目標成像最清晰，B超人就可以用Focus旋鈕來手動調節發射焦點的深度，在掃查的時候把發射焦點位置調節到特別關注的深度附近，確保那個深度附近的圖像是最清晰的。當然如果對基本靜止的組織掃查，我們可以分別在多個深度位置做發射聚焦，然後對接收回來的信號分別取不同次發射焦點位置對應的接收信號進行拼接，拼接出來的信號獲得的圖像就更加清晰和均勻了。這就是所謂的多焦點拼接技術，雖然攝影上不同對焦深度的圖像融合不常見，但超聲成像上多焦點拼接還是挺常用的一項改善圖像清晰度的技術。但多焦點拼接還是有一定的局限性，因為是多次發射和接收的信號拼接，對運動劇烈的組織（如心臟）就會帶來嚴重畸變而不適用了。前面既然說到波束就不得不提掃描線，也就是掃描一幅圖像需要有多少個波束。是不是掃描線密度越高越牛呢？線密度歷史上也曾在各項招標惡戰中扮演過重要的角色。前面我們講了無論是發射還是接收波束都是有一定寬度的，尤其是在遠場比較深的位置，受制於孔徑不能無限變大，讓遠場的波束更加寬。兩個胖胖的波束隔老遠才能分辨開，他們稍微挨近一點就完全融合在一起無法分辨了，就像兩個大胖子並排站的時候得左右錯開很寬的位置才能讓大家分辨出他們兩。可見，當掃描線之間的間隔寬度大於聲束的寬度的時候，就像艾裡斑比像素尺寸小得多的情況，解析度取決於掃描線的寬度；而當掃描線寬度和聲束寬度相當的時候，是兩者寬度的綜合影響，當掃描線寬度遠小於聲束寬度的時候，如同艾裡斑尺寸遠大於像素尺寸時，解析度則取決於聲束的寬度。每掃描一個波束都是需要一定的時間的，而且成像深度越大，所需要的時間就越長，因此掃描線密度高固然可以讓圖像更加平滑，再怎麼放大也不會有馬賽克，但成一幀圖像所需要的時間就要長，也就影響了實時成像的幀率，對運動組織的「連拍」效果就會大打折扣。雖然在大部分情況下，我們在超聲系統屏幕上看到的矩形或者扇形的圖像視野已經能夠覆蓋我們期望看到的組織或器官了，但有時候我們需要掃查的目標尺寸卻遠遠大於我們的視野，怎麼辦呢？與攝影裡的全景技術一樣，超聲設備裡也可以通過採用所謂的寬景成像技術大大拓寬成像視野。具體操作的時候，B超人拿著探頭，沿著探頭陣列排列的方向緩慢移動探頭，就能獲得這個大目標不同部位的圖像，由於探頭移動緩慢，相鄰兩幀的掃查圖像具有不少的重疊部分，這些重疊部分的圖像在相鄰兩幀上匹配了之後就能把兩幀圖像拼接起來。每一次新來的一幀圖像都可以和上一幀圖像做匹配和拼接，最後就能拉出一幅很長的拼接圖像。而掃查寬景圖像是有技術含量的，因為要求相鄰幀的圖像是有比較多的重疊部分，因此在掃查的時候就要儘量保持探頭方位固定，多次掃查的圖像儘量是在相同的平面內的。扯了那麼多廢話，B超人可以阿Q地自我安慰一下，玩攝影還是具有一定的先天優勢的，超聲成像與攝影在很多方面是相通的，希望各位超聲圈裡的攝友們能對手中的利器（無論是超聲設備還是照相機）更加熟悉，從而更好地掃查出清晰的超聲圖像或者是創作出好的攝影作品。BTW：B超人不是光學科班出生，對於相機光學的理論描述以定性概念解釋為目的，雖然自覺沒有大的錯誤，但勢必有不嚴謹之處，還懇請光學磚家多多指點。僅以本遐想（或瞎想）獻給奮戰在醫學超聲一線的各位超人們，為大家茶餘飯後扯淡提供點素材。本文為作者投稿，轉載請註明作者及來源。
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