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數碼攝影中ISO感光度的攝影技巧

時間：2022-04-30 18:37:26 攝影

數碼攝影中ISO感光度的攝影技巧

　　導語：請注意，關于膠片及數字傳感器ISO感光度標準的文檔是受版權保護的。如果你希望閱讀這些資料，需要購買相應的ISO標準。本文，我們只總結一些最重要的原理和結論。

　　數碼攝影中ISO感光度的攝影技巧

　　簡介

　　ISO感光度，與光圈和快門被合稱為“曝光三角形”。它們共同作用決定了一張照片的曝光。

　　如果你使用過膠卷，很可能已經注意到在每一個膠卷盒子外面標注著的，表示膠片對光線敏感度的數字。這個數字就是膠卷的“ISO”。ISO數字越大，膠卷對光線就越敏感。

　　在數碼攝影中，ISO扮演著相同的角色。這就是：ISO數字衡量著相機傳感器對光線的敏感程度。且同樣是數字越大，傳感器對光線就越敏感。

　　一款膠卷或一塊傳感器的ISO值由制造商來確定。國際標準組織(簡寫為ISO)制定了一系列相關標準，制造商就遵循這些標準來為膠卷或傳感器確定 ISO值。這些標準的作用是為確定ISO值提供一個統一的框架。對數碼相機來說，這些標準保證了具有相同ISO的傳感器和膠卷對光線具有相同的敏感程度。這意味著所有適用于膠片攝影的測光表與曝光技術，對數碼攝影同樣適用。

　　一段簡短的歷史介紹

　　ISO的定義實際上存在兩種刻度，一種是線性刻度，另一種是對數刻度，即“ASA”和“DIN”。創建于1987年的ISO感光度將這兩種古老的刻度合二為一。線性ISO使用古老的“ASA”刻度，而對數ISO則使用“DIN”刻度。

　　當出現兩個數字時，它們需要用斜線“/”分開，而且對數值需要加上度數單位“°”。例如：“ISO 200/24°”。如果只寫出一個數字，那么總是表示線性刻度。例如：“ISO 200”。

　　在對數ISO刻度中，每兩級感光度之間差3;而線性ISO刻度中，每兩級感光度相差一倍。

　　在實際中，對數ISO已經不再使用。因此，本文我們將忽略這一刻度，只討論線性ISO。

　　我們已經知道，線性ISO刻度是成倍變化的。換句話說，ISO 200對光線的敏感度比ISO 100強一倍。

　　ISO值和ISO范圍

　　在談到ISO時，實際上有兩種說法：ISO值和ISO范圍。前一個表示一種特定的感光度，也就是我們一般情況下說的“ISO多少”;后一個表示一段感光度范圍。在這個ISO范圍內，照片的畫質是“可以接受的”。

　　ISO范圍決定了可以使用的ISO值的范圍。

　　對膠片來說，改變ISO值需要改變沖洗液、溫度或沖洗時間。如果ISO值被提高了，就稱其為“迫沖”;如果ISO值被降低，就稱為“降感”。

　　對傳感器來說，ISO值通過模擬或數字放大來實現。在下文我們會詳細討論這種放大方法和其產生的結果。

　　膠片ISO

　　在討論數碼之前，我們先簡單地提一下膠卷的ISO如何被確定。

　　為膠卷定義ISO的原理記錄在3份獨立的標準中：《ISO 6:1993》、《ISO 2240:2003》和《ISO 5800:1987》。它們分別適用于黑白負片、彩色反轉片和彩色負片。

　　標準中記錄的處理流程是用一系列規定的光亮照射待定膠片，然后對膠片分別用規定的顯影液進行規定等級的顯影。在這一系列膠片中，當規定的最小密度出現時，就按照標準確定出了膠卷的ISO值。這就是膠片的基準ISO。

　　通過迫沖或降感，膠卷的ISO可以被升高或降低。降感會降低膠片的對比度，同時提高動態范圍;迫沖則具有相反的效果，同時也會增加可見顆粒。

　　數碼ISO

　　膠片通過曝光和顯影來確定ISO。不幸的是，這種方法不能用于傳感器。數碼ISO必須通過其他的方法來確定。確定數碼ISO的具體方法記錄在標準《攝影技術.數字靜物照相機.曝光指數、ISO感光度標定值、標準輸出靈敏度和推薦曝光指數的測定;ISO 12232:2006》中。

　　與膠片相同的是，傳感器也有“基準ISO”。對現代傳感器來說通常是ISO 100或ISO 200。基準ISO通常是傳感器表現“最佳”的ISO，即動態范圍最大且噪點最少。

　　佳能從未公布過其傳感器的基準ISO。不過佳能用戶相信一些早期的佳能數碼單反在ISO 100下擁有最大動態范圍和最少噪點，而后期的機型則在ISO 200下表現最佳。

　　尼康早年曾經公布過數碼單反傳感器的基準ISO。低于基準ISO的感光度被標為L0.3、L0.7和L1.0。尼康公布過的機型中大部分基準ISO 是ISO 200。從一些新機型(D3100和D7000)開始，尼康不再使用“L”設置，而是簡單地把最低ISO標為ISO 100。經過測試，這些相機在ISO 100下的動態范圍比ISO 200時的要小。看起來尼康也開始學習佳能，不再公布基準ISO了。

　　在數碼相機中，光線轉變成數據的過程是這樣的：電子傳感器通過光子井收集光電子(由光子撞擊傳感器產生)。這個過程會在光子井中積累電荷。一個光子井中積累的電荷量，代表著在整個曝光過程中這個光子井收集到的光線數量。

　　在光子井中累計的電荷可以轉化成電壓。這些電壓經由模/數轉換器(A/D轉換器)產生RAW數據，最終變成一個個像素，組成一張照片。

　　上面這張圖顯示了在一臺采用12位A/D轉換器的數碼相機中，一個光子井在整個曝光過程中輸出數據的情況。圖表的左邊從0開始(沒有光子撞擊傳感器)，右邊表示傳感器感受到了非常多的'光子。圖中藍色區域表示有效信號，紅色區域表示噪點信號。注意橫豎坐標都是對數。

　　光子井的工作過程是線性的，但是存在極限。當一個光子井積累了超過極限的電荷(圖中綠線位置)，繼續感受更多的光線就會產生溢出，甚至影響相鄰的像素(傳感器光暈)。基準ISO就由光子井的集電能力，和基準量子效率(入射光子產生光電子的時間比率)共同決定。

　　出了有效信號外，這個過程中也會產生噪點信號。這些噪點包括了“暗電流”噪點(即使沒有光照，傳感器中也有電流)、輸出噪點以及熱噪點。噪點在上圖中以紅色區域顯示。在最暗的陰影位置(圖中左側)，噪點就已經出現了，而且淹沒了信號。隨著信號越來越強，開始反過來淹沒噪點。在信號被噪點淹沒的區域，我們稱其為“在噪點層下”。

　　注意線性變化的光子井在左右兩端都被“截止”了。在左側，信號被噪點層截止，在右側則會溢出。這一點和膠片非常不同。膠片對入射光的反應是S形曲線。這意味著膠片對欠曝和過曝都有相當大的容忍度。RAW轉換程序通常默認采用S形曲線的影調映射，來模擬膠片的表現，但影調映射也無法挽回非線性區中丟失的信號(比如低于噪點層或溢出的信號)。

　　動態范圍和影調范圍

　　傳感器的動態范圍是指從左邊信號開始淹沒噪點，到右邊信號開始溢出之間的范圍。影調范圍是指代表不同亮度級的可用位數。

　　動態范圍和影調范圍是有關的，而且有時可以互換。但是，正如下面這張圖所展示的那樣，它們是彼此獨立的東西。我們可以得到動態范圍高或低的圖像數據，也可以得到影調范圍高或低的數據，而且任何兩種組合都可以同時出現(高動態范圍高影調范圍，高動態范圍低影調范圍，低動態范圍高影調范圍，低動態范圍低影調范圍)。

　　動態范圍衡量從最暗到最亮可以記錄多少信息。通常用EV表示，相鄰1EV表示光亮增加1級。

　　影調范圍衡量在將真實世界的影調映射到記錄媒介上時的過渡。高影調范圍數據的過渡非常平滑;低影調范圍的過渡很生硬，在照片上能夠看到明顯的“色帶”。

　　調整數碼ISO

　　要想改變膠卷的ISO(迫沖或降感)，必須對整卷膠卷以相同的ISO曝光。

　　正如每位數碼相機用戶都知道的：數碼相機的ISO可以對每張照片單獨調整。事實上，大部分數碼相機都允許攝影師使用比基準ISO更低或更高的ISO。當你改變ISO時，相機也會調整內部處理程序來適應新的ISO。

　　當你設置了一個比基準更高的ISO時，相機的測光系統會以此為基礎來決定曝光。數字化的RAW數據同樣也會受到影響。(通常是通過一個放大電路來實現，而且放大電路位于A/D轉換器之前，即先放大電壓信號，再數字化。例如，如果在ISO 100時的電壓是100mV，調到ISO 200時，電壓就變成200mV，在ISO 1600時電壓變成1600mV，以此類推。)

　　允許攝影師調整ISO的設計思路是為了充分利用A/D轉換器的完整輸入電壓范圍。充分利用A/D轉換器的位深，我們就能得到最高的影調范圍。不過，傳感器對光線的敏感性實質上并沒有提高，相機只是放大了傳感器產生的信號。當我們放大信號時，噪點也同時被放大，所以會損失一些畫質。這與對膠片迫沖的結果有些類似。

　　盡管設置高ISO并沒有改變傳感器的基準ISO，但它也會影響A/D轉換器產生的RAW數據。具體的影響根據各機型而不同，不過對于多數相機來說，提高ISO拍攝比用基準ISO拍攝然后通過軟件增加曝光，可以得到更少的噪點和更高的動態范圍。

　　下面展示的兩張圖片說明了這個問題。這兩張照片都用尼康D700拍攝，使用相同的光圈和快門(1/40s，f/5.6)。左邊的照片使用ISO 3200拍攝，沒有經過后期處理(使用ACR直接從RAW轉成JPG)。右邊的照片使用ISO 200拍攝(D700的基準ISO，欠曝4檔)，然后使用ACR增加4檔曝光。下方是兩張照片的100%截圖。

　　這組照片的對比說明提高ISO獲得“正確的”曝光，比堅持用基準ISO拍攝(然后后期提高亮度)的噪點更少。

　　當我們迫沖膠卷時，增加的噪點有時會產生更好的視覺效果。但提高數碼相機ISO產生的噪點不會。不過最新款的數碼相機已經擁有出色的控噪性能，具有更好的高感畫質。

　　使用比基準更低的ISO基本沒有實際意義。出于市場對低ISO的廣泛要求，大部分相機都提供了低于基準的ISO。然而，我們并不建議用戶使用這些設置，這將導致損失動態范圍。

　　這里我們做出解釋：當你設置一個低于基準的ISO時，光子井產生的電荷仍然由入射光的多少而決定，但是為了模擬低ISO效果，信號需要減弱。這樣做不會改變噪點層，所以傳感器產生了與基準ISO相同的噪點，但有效信號卻被減弱。換句話說，使用低于基準的ISO沒有帶來任何好處(但給了快門速度更多選擇)。

　　一部數碼相機提供的ISO選擇由制造商決定，他們會努力將噪點控制在一個可以接受的范圍內，而基準ISO通常擁有最少的噪點。

　　關于ISO范圍，ISO值的上限由最多可接受的噪點水平決定，而下限則由制造商認為可以接受的動態范圍損失而決定。

　　由于曝光時間、溫度和濕度會影響畫質，在ISO標準中對每一項都做了規范。在實際中，我們會在非常多變的環境中拍攝，不必考慮標準中的那些受到控制的實驗條件，但(在實驗室中得到的)ISO值仍然對畫質具有參考價值。

　　使用更高位數的A/D轉換器

　　在很長的一段時期內，12位A/D轉換器被廣泛地應用在數碼相機中。除了使用模擬放大電路外，也可以通過采用更高位數的A/D轉換器來提高ISO。 A/D轉換器中的1位表示1次倍增。如果我們有一塊基準為ISO 100的傳感器，在每個光子井輸出不變的情況下，使用16位A/D轉換器可以將感光度提高到ISO 1600，而不需要使用放大電路。有些相機就通過這項技術來提供高ISO，還有些相機將高位A/D轉換器和放大電路結合起來使用。

　　使用16位A/D轉換器不會減少噪點，因為數字倍增時噪點也會倍增，就像放大電路的結果一樣。不過，對未經放大的數碼信號流可以采用其他的降噪技術，有些觀點認為這種方式可以得到更好的控噪結果。

　　數碼ISO與噪點

　　正如有些ISO 400彩色反轉片比其他ISO 400膠片畫質更好一樣，有些傳感器在指定ISO下也會比其他傳感器畫質更好。通常，大尺寸的光子井能夠產生較強的信號(得到較好的信噪比)。

　　在上面這張示意圖中，光子井被比喻成收集雨水的水桶。一個空桶代表全黑，滿的水桶代表全白。在曝光時，快門打開，水桶開始收集雨水。通過測量水桶中收集雨水的多少，我們可以確定這個水桶/像素的灰度。

　　如上圖所示，小水桶和大水桶會以相同的速率接水。但是水桶的表面積越大，在特定時間內收集到的雨水就越多。

　　在收集光子時，表面積較小的光子井就像小水桶一樣，表面積大的光子井就像大水桶。水的多少就代表著每個光子井產生的信號的強弱。更大的水桶收集更多的水，代表著更大的光子井在同樣時間內可以產生更強的信號，有著更好的信噪比。

　　光子井的物理尺寸由兩個主要因素決定：傳感器的物理尺寸，以及傳感器上的光子井數量。大尺寸傳感器顯然有著更大的表面積。而在相同尺寸的傳感器上放置更少的光子井，也能增加每個光子井的表面積。對拜耳陣列傳感器來說，每個光子井可以粗略地看作一個像素。

　　在相同像素的情況下，物理尺寸越大的傳感器擁有更大的光子井。這就是為什么全畫幅單反相機在ISO 1600可以得到干凈的照片，而便攜相機在ISO 1600時畫質糟糕的原因。

　　在相同傳感器尺寸下，更小的像素數也可以得到更大的光子井。這就是為什么尼康D3s(1200萬像素)高感光度照片的畫質比D3x(2400萬像素)更好的原因。看100%原圖時，D3s在ISO 1600的噪點，相當于D3x在ISO 400水平。

　　不過，如果我們把D3x的照片從2400萬像素縮小到1200萬像素，與D3s的分辨率相同，則兩臺相機在相同ISO下的噪點會變得差不多。縮小分辨率會減少噪點的原因是，它增強了每個像素中決定亮度和顏色的信息(有效信號)。

　　盡管傳感器尺寸和像素數是決定噪點水平最主要的兩個因素，這里還有其他參數也會影響噪點水平。

　　例如：一塊傳感器需要電力來驅動。如果電子零件位于傳感器表面，它們就會占用一部分表面積，從而減少光子井擁有的空間。將這些電路設計到傳感器背面，或縮小電路體積，就可以增加光子井的表面積，得到更強的信號。在不增加光子井物理尺寸的前提下，使用微透鏡令光子井收集光線的表面積擁有相同的效果(這就像在小水桶上加一個大開口的漏斗)。此外，設計更好的信號處理系統也能夠提高信噪比。目前傳感器和信號處理系統的設計水平都在進步之中，我們還將在新傳感器上看到更好的控噪能力。

　　測試ISO畫質

　　你也許會希望對自己的相機進行測試，看看在不同ISO下的畫質情況。

　　使用不同ISO設置拍攝相同的場景，看看在多高的ISO下仍然能得到可以接受的畫質。

　　很多數碼相機都有內置的高感降噪功能，但是在降噪的同時也會損失細節，使照片看上去很假。如果有，應該在關閉和打開ISO降噪功能下都進行測試。<