数码摄影中的ISO感光度

数码摄影中的ISO感光度

　　这段简短的文章解释了数码ISO感光度(以下简称ISO)如何被确定，以及使用更高或更低的ISO会给数码照片带来什么影响。

　　请注意，关于胶片及数字传感器ISO感光度标准的文档是受版权保护的。如果你希望阅读这些资料，需要购买相应的ISO标准。本文，我们只总结一些最重要的原理和结论。

　　简介

　　ISO感光度，与光圈和快门被合称为曝光三角形。它们共同作用决定了一张照片的曝光。

　　如果你使用过胶卷，很可能已经注意到在每一个胶卷盒子外面标注着的，表示胶片对光线敏感度的数字。这个数字就是胶卷的ISO。ISO数字越大，胶卷对光线就越敏感。

　　在数码摄影中，ISO扮演着相同的角色。这就是：ISO数字衡量着相机传感器对光线的敏感程度。且同样是数字越大，传感器对光线就越敏感。

　　一款胶卷或一块传感器的ISO值由制造商来确定。国际标准组织(简写为ISO)制定了一系列相关标准，制造商就遵循这些标准来为胶卷或传感器确定  ISO值。这些标准的作用是为确定ISO值提供一个统一的框架。对数码相机来说，这些标准保证了具有相同ISO的传感器和胶卷对光线具有相同的敏感程度。这意味着所有适用于胶片摄影的测光表与曝光技术，对数码摄影同样适用。

　　一段简短的历史介绍

　　ISO的定义实际上存在两种刻度，一种是线性刻度，另一种是对数刻度，即ASA和DIN。创建于1987年的ISO感光度将这两种古老的刻度合二为一。线性ISO使用古老的ASA刻度，而对数ISO则使用DIN刻度。

　　当出现两个数字时，它们需要用斜线/分开，而且对数值需要加上度数单位°。例如：ISO  200/24°。如果只写出一个数字，那么总是表示线性刻度。例如：ISO 200。

　　在对数ISO刻度中，每两级感光度之间差3;而线性ISO刻度中，每两级感光度相差一倍。

　　在实际中，对数ISO已经不再使用。因此，本文我们将忽略这一刻度，只讨论线性ISO。

　　我们已经知道，线性ISO刻度是成倍变化的。换句话说，ISO 200对光线的敏感度比ISO 100强一倍。

　　ISO值和ISO范围

　　在谈到ISO时，实际上有两种说法：ISO值和ISO范围。前一个表示一种特定的感光度，也就是我们一般情况下说的ISO多少;后一个表示一段感光度范围。在这个ISO范围内，照片的画质是可以接受的。

　　ISO范围决定了可以使用的ISO值的范围。

　　对胶片来说，改变ISO值需要改变冲洗液、温度或冲洗时间。如果ISO值被提高了，就称其为迫冲;如果ISO值被降低，就称为降感。

　　对传感器来说，ISO值通过模拟或数字放大来实现。在下文我们会详细讨论这种放大方法和其产生的结果。

　　胶片ISO

　　在讨论数码之前，我们先简单地提一下胶卷的ISO如何被确定。

　　为胶卷定义ISO的原理记录在3份独立的标准中：《ISO 6:1993》、《ISO 2240:2003》和《ISO  5800:1987》。它们分别适用于黑白负片、彩色反转片和彩色负片。

　　标准中记录的处理流程是用一系列规定的光亮照射待定胶片，然后对胶片分别用规定的显影液进行规定等级的显影。在这一系列胶片中，当规定的最小密度出现时，就按照标准确定出了胶卷的ISO值。这就是胶片的基准ISO。

　　通过迫冲或降感，胶卷的ISO可以被升高或降低。降感会降低胶片的对比度，同时提高动态范围;迫冲则具有相反的效果，同时也会增加可见颗粒。

　　数码ISO

　　胶片通过曝光和显影来确定ISO。不幸的是，这种方法不能用于传感器。数码ISO必须通过其他的方法来确定。确定数码ISO的具体方法记录在标准《摄影技术.数字静物照相机.曝光指数、ISO感光度标定值、标准输出灵敏度和推荐曝光指数的测定;ISO  12232:2006》中。

　　与胶片相同的是，传感器也有基准ISO。对现代传感器来说通常是ISO 100或ISO  200。基准ISO通常是传感器表现最佳的ISO，即动态范围最大且噪点最少。

　　佳能从未公布过其传感器的基准ISO。不过佳能用户相信一些早期的佳能数码单反在ISO 100下拥有最大动态范围和最少噪点，而后期的机型则在ISO  200下表现最佳。

　　尼康早年曾经公布过数码单反传感器的基准ISO。低于基准ISO的感光度被标为L0.3、L0.7和L1.0。尼康公布过的机型中大部分基准ISO 是ISO  200。从一些新机型(D3100和D7000)开始，尼康不再使用L设置，而是简单地把最低ISO标为ISO 100。经过测试，这些相机在ISO  100下的动态范围比ISO 200时的要小。看起来尼康也开始学习佳能，不再公布基准ISO了。

　　在数码相机中，光线转变成数据的过程是这样的：电子传感器通过光子井收集光电子(由光子撞击传感器产生)。这个过程会在光子井中积累电荷。一个光子井中积累的电荷量，代表着在整个曝光过程中这个光子井收集到的光线数量。

　　在光子井中累计的电荷可以转化成电压。这些电压经由模/数转换器(A/D转换器)产生RAW数据，最终变成一个个像素，组成一张照片。

　　上面这张图显示了在一台采用1tuLaoShi.com2位A/D转换器的数码相机中，一个光子井在整个曝光过程中输出数据的情况。图表的左边从0开始(没有光子撞击传感器)，右边表示传感器感受到了非常多的光子。图中蓝色区域表示有效信号，红色区域表示噪点信号。注意横竖坐标都是对数。

　　光子井的工作过程是线性的，但是存在极限。当一个光子井积累了超过极限的电荷(图中绿线位置)，继续感受更多的光线就会产生溢出，甚至影响相邻的像素(传感器光晕)。基准ISO就由光子井的集电能力，和基准量子效率(入射光子产生光电子的时间比率)共同决定。

　　出了有效信号外，这个过程中也会产生噪点信号。这些噪点包括了暗电流噪点(即使没有光照，传感器中也有电流)、输出噪点以及热噪点。噪点在上图中以红色区域显示。在最暗的阴影位置(图中左侧)，噪点就已经出现了，而且淹没了信号。随着信号越来越强，开始反过来淹没噪点。在信号被噪点淹没的区域，我们称其为在噪点层下。

　　注意线性变化的光子井在左右两端都被截止了。在左侧，信号被噪点层截止，在右侧则会溢出。这一点和胶片非常不同。胶片对入射光的反应是S形曲线。这意味着胶片对欠曝和过曝都有相当大的容忍度。RAW转换程序通常默认采用S形曲线的影调映射，来模拟胶片的表现，但影调映射也无法挽回非线性区中丢失的信号(比如低于噪点层或溢出的信号)。

　　动态范围和影调范围

　　传感器的动态范围是指从左边信号开始淹没噪点，到右边信号开始溢出之间的范围。影调范围是指代表不同亮度级的可用位数。

　　动态范围和影调范围是有关的，而且有时可以互换。但是，正如下面这张图所展示的那样，它们是彼此独立的东西。我们可以得到动态范围高或低的图像数据，也可以得到影调范围高或低的数据，而且任何两种组合都可以同时出现(高动态范围高影调范围，高动态范围低影调范围，低动态范围高影调范围，低动态范围低影调范围)。

　　动态范围衡量从最暗到最亮可以记录多少信息。通常用EV表示，相邻1EV表示光亮增加1级。

　　影调范围衡量在将真实世界的影调映射到记录媒介上时的过渡。高影调范围数据的过渡非常平滑;低影调范围的过渡很生硬，在照片上能够看到明显的色带。

　　调整数码ISO

　　要想改变胶卷的ISO(迫冲或降感)，必须对整卷胶卷以相同的ISO曝光。

　　正如每位数码相机用户都知道的：数码相机的ISO可以对每张照片单独调整。事实上，大部分数码相机都允许摄影师使用比基准ISO更低或更高的ISO。当你改变ISO时，相机也会调整内部处理程序来适应新的ISO。

　　当你设置了一个比基准更高的ISO时，相机的测光系统会以此为基础来决定曝光。数字化的RAW数据同样也会受到影响。(通常是通过一个放大电路来实现，而且放大电路位于A/D转换器之前，即先放大电压信号，再数字化。例如，如果在ISO  100时的电压是100mV，调到ISO 200时，电压就变成200mV，在ISO 1600时电压变成1600mV，以此类推。)

　　允许摄影师调整ISO的设计思路是为了充分利用A/D转换器的完整输入电压范围。充分利用A/D转换器的位深，我们就能得到最高的影调范围。不过，传感器对光线的敏感性实质上并没有提高，相机只是放大了传感器产生的信号。当我们放大信号时，噪点也同时被放大，所以会损失一些画质。这与对胶片迫冲的结果有些类似。

　　尽管设置高ISO并没有改变传感器的基准ISO，但它也会影响A/D转换器产生的RAW数据。具体的影响根据各机型而不同，不过对于多数相机来说，提高ISO拍摄比用基准ISO拍摄然后通过软件增加曝光，可以得到更少的噪点和更高的动态范围。

　　下面展示的两张图片说明了这个问题。这两张照片都用尼康D700拍摄，使用相同的光圈和快门(1/40s，f/5.6)。左边的照片使用ISO  3200拍摄，没有经过后期处理(使用ACR直接从RAW转成JPG)。右边的照片使用ISO  200拍摄(D700的基准ISO，欠曝4档)，然后使用ACR增加4档曝光。下方是两张照片的100%截图。

　　这组照片的对比说明提高ISO获得正确的曝光，比坚持用基准ISO拍摄(然后后期提高亮度)的噪点更少。

　　当我们迫冲胶卷时，增加的噪点有时会产生更好的视觉效果。但提高数码相机ISO产生的噪点不会。不过最新款的数码相机已经拥有出色的控噪性能，具有更好的高感画质。

　　使用比基准更低的ISO基本没有实际意义。出于市场对低ISO的广泛要求，大部分相机都提供了低于基准的ISO。然而，我们并不建议用户使用这些设置，这将导致损失动态范围。

　　这里我们做出解释：当你设置一个低于基准的ISO时，光子井产生的电荷仍然由入射光的多少而决定，但是为了模拟低ISO效果，信号需要减弱。这样做不会改变噪点层，所以传感器产生了与基准ISO相同的噪点，但有效信号却被减弱。换句话说，使用低于基准的ISO没有带来任何好处(但给了快门速度更多选择)。

　　一部数码相机提供的ISO选择由制造商决定，他们会努力将噪点控制在一个可以接受的范围内，而基准ISO通常拥有最少的噪点。

　　关于ISO范围，ISO值的上限由最多可接受的噪点水平决定，而下限则由制造商认为可以接受的动态范围损失而决定。

　　由于曝光时间、温度和湿度会影响画质，在ISO标准中对每一项都做了规范。在实际中，我们会在非常多变的环境中拍摄，不必考虑标准中的那些受到控制的实验条件，但(在实验室中得到的)ISO值仍然对画质具有参考价值。

　　使用更高位数的A/D转换器

　　在很长的一段时期内，12位A/D转换器被广泛地应用在数码相机中。除了使用模拟放大电路外，也可以通过采用更高位数的A/D转换器来提高ISO。  A/D转换器中的1位表示1次倍增。如果我们有一块基准为ISO 100的传感器，在每个光子井输出不变的情况下，使用16位A/D转换器可以将感光度提高到ISO  1600，而不需要使用放大电路。有些相机就通过这项技术来提供高ISO，还有些相机将高位A/D转换器和放大电路结合起来使用。

　　使用16位A/D转换器不会减少噪点，因为数字倍增时噪点也会倍增，就像放大电路的结果一样。不过，对未经放大的数码信号流可以采用其他的降噪技术，有些观点认为这种方式可以得到更好的控噪结果。

　　数码ISO与噪点

　　正如有些ISO 400彩色反转片比其他ISO  400胶片画质更好一样，有些传感器在指定ISO下也会比其他传感器画质更好。通常，大尺寸的光子井能够产生较强的信号(得到较好的信噪比)。

　　在上面这张示意图中，光子井被比喻成收集雨水的水桶。一个空桶代表全黑，满的水桶代表全白。在曝光时，快门打开，水桶开始收集雨水。通过测量水桶中收集雨水的多少，我们可以确定这个水桶/像素的灰度。

　　如上图所示，小水桶和大水桶会以相同的速率接水。但是水桶的表面积越大，在特定时间内收集到的雨水就越多。

　　在收集光子时，表面积较小的光子井就像小水桶一样，表面积大的光子井就像大水桶。水的多少就代表着每个光子井产生的信号的强弱。更大的水桶收集更多的水，代表着更大的光子井在同样时间内可以产生更强的信号，有着更好的信噪比。

　　光子井的物理尺寸由两个主要因素决定：传感器的物理尺寸，以及传感器上的光子井数量。大尺寸传感器显然有着更大的表面积。而在相同尺寸的传感器上放置更少的光子井，也能增加每个光子井的表面积。对拜耳阵列传感器来说，每个光子井可以粗略地看作一个像素。

　　在相同像素的情况下，物理尺寸越大的传感器拥有更大的光子井。这就是为什么全画幅单反相机在ISO 1600可以得到干净的照片，而便携相机在ISO  1600时画质糟糕的原因。

　　在相同传感器尺寸下，更小的像素数也可以得到更大的光子井。这就是为什么尼康D3s(1200万像素)高感光度照片的画质比D3x(2400万像素)更好的原因。看100%原图时，D3s在ISO  1600的噪点，相当于D3x在ISO 400水平。

　　不过，如果我们把D3x的照片从2400万像素缩小到1200万像素，与D3s的分辨率相同，则两台相机在相同ISO下的噪点会变得差不多。缩小分辨率会减少噪点的原因是，它增强了每个像素中决定亮度和颜色的信息(有效信号)。

　　尽管传感器尺寸和像素数是决定噪点水平最主要的两个因素，这里还有其他参数也会影响噪点水平。

　　例如：一块传感器需要电力来驱动。如果电子零件位于传感器表面，它们就会占用一部分表面积，从而减少光子井拥有的空间。将这些电路设计到传感器背面，或缩小电路体积，就可以增加光子井的表面积，得到更强的信号。在不增加光子井物理尺寸的前提下，使用微透镜令光子井收集光线的表面积拥有相同的效果(这就像在小水桶上加一个大开口的漏斗)。此外，设计更好的信号处理系统也能够提高信噪比。目前传感器和信号处理系统的设计水平都在进步之中，我们还将在新传感器上看到更好的控噪能力。

　　测试ISO画质

　　你也许会希望对自己的相机进行测试，看看在不同ISO下的画质情况。

　　使用不同ISO设置拍摄相同的场景，看看在多高的ISO下仍然能得到可以接受的画质。

　　很多数码相机都有内置的高感降噪功能，但是在降噪的同时也会损失细节，使照片看上去很假。如果有，应该在关闭和打开ISO降噪功能下都进行测试。

　　了解自己相机的限制，可以使你避免在一次重要的活动之后得到一堆因为画质不堪而作废的照片。

　　使用高ISO拍摄会增加噪点，使用降噪功能会损失细节，使用长时间快门会增加抖动的风险。你需要通过测试找到最适合自己的一个平衡点。