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數(shù)碼攝影中有關(guān)ISO感光度的方法技巧
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(jīng)注意到在每一個(gè)膠卷盒子外面標(biāo)注著的，表示膠片對光線敏感度的數(shù)字。這個(gè)數(shù)字就是膠卷的“ISO”。ISO數(shù)字越大，膠卷對光線就越敏感。
在數(shù)碼攝影中，ISO扮演著相同的角色。這就是：ISO數(shù)字衡量著相機(jī)傳感器對光線的敏感程度。且同樣是數(shù)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(biāo)準(zhǔn)組織(簡寫為ISO)制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制造商就遵循這些標(biāo)準(zhǔn)來為膠卷或傳感器確定 ISO值。這些標(biāo)準(zhǔn)的作用是為確定ISO值提供一個(gè)統(tǒng)一的框架。對數(shù)碼相機(jī)來說，這些標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，對數(shù)碼攝影同樣適用。
一段簡短的歷史介紹
ISO的定義實(shí)際上存在兩種刻度，一種是線性刻度，另一種是對數(shù)刻度，即“ASA”和“DIN”。創(chuàng)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(shù)ISO則使用“DIN”刻度。
當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)字時(shí)，它們需要用斜線“/”分開，而且對數(shù)值需要加上度數(shù)單位“°”。例如：“ISO 200/24°”。如果只寫出一個(gè)數(shù)字，那么總是表示線性刻度。例如：“ISO 200”。
在對數(shù)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(shí)際中，對數(shù)ISO已經(jīng)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(jīng)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(qiáng)一倍。
ISO值和ISO范圍
在談到ISO時(shí)，實(shí)際上有兩種說法：ISO值和ISO范圍。前一個(gè)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(gè)表示一段感光度范圍。在這個(gè)ISO范圍內(nèi)，照片的畫質(zhì)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(shí)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(shù)字放大來實(shí)現(xiàn)。在下文我們會(huì)詳細(xì)討論這種放大方法和其產(chǎn)生的結(jié)果。
膠片ISO
在討論數(shù)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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)中：《ISO 6:1993》、《ISO 2240:2003》和《ISO 5800:1987》。它們分別適用于黑白負(fù)片、彩色反轉(zhuǎn)片和彩色負(fù)片。
標(biāo)準(zhǔn)中記錄的處理流程是用一系列規(guī)定的光亮照射待定膠片，然后對膠片分別用規(guī)定的顯影液進(jìn)行規(guī)定等級的顯影。在這一系列膠片中，當(dāng)規(guī)定的最小密度出現(xiàn)時(shí)，就按照標(biāo)準(zhǔn)確定出了膠卷的ISO值。這就是膠片的基準(zhǔn)ISO。
通過迫沖或降感，膠卷的ISO可以被升高或降低。降感會(huì)降低膠片的對比度，同時(shí)提高動(dòng)態(tài)范圍;迫沖則具有相反的效果，同時(shí)也會(huì)增加可見顆粒。
數(shù)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(shù)碼ISO必須通過其他的方法來確定。確定數(shù)碼ISO的具體方法記錄在標(biāo)準(zhǔn)《攝影技術(shù).數(shù)字靜物照相機(jī).曝光指數(shù)、ISO感光度標(biāo)定值、標(biāo)準(zhǔn)輸出靈敏度和推薦曝光指數(shù)的測定;ISO 12232:2006》中。
與膠片相同的是，傳感器也有“基準(zhǔn)ISO”。對現(xiàn)代傳感器來說通常是ISO 100或ISO 200�；鶞�(zhǔn)ISO通常是傳感器表現(xiàn)“最佳”的ISO，即動(dòng)態(tài)范圍最大且噪點(diǎn)最少。
佳能從未公布過其傳感器的基準(zhǔn)ISO。不過佳能用戶相信一些早期的佳能數(shù)碼單反在ISO 100下?lián)碛凶畲髣?dòng)態(tài)范圍和最少噪點(diǎn)，而后期的機(jī)型則在ISO 200下表現(xiàn)最佳。
尼康早年曾經(jīng)公布過數(shù)碼單反傳感器的基準(zhǔn)ISO。低于基準(zhǔn)ISO的感光度被標(biāo)為L0.3、L0.7和L1.0。尼康公布過的機(jī)型中大部分基準(zhǔn)ISO 是ISO 200。從一些新機(jī)型(D3100和D7000)開始，尼康不再使用“L”設(shè)置，而是簡單地把最低ISO標(biāo)為ISO 100。經(jīng)過測試，這些相機(jī)在ISO 100下的動(dòng)態(tài)范圍比ISO 200時(shí)的要小�？雌饋砟峥狄查_始學(xué)習(xí)佳能，不再公布基準(zhǔn)ISO了。
在數(shù)碼相機(jī)中，光線轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)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(chǎn)生)。這個(gè)過程會(huì)在光子井中積累電荷。一個(gè)光子井中積累的電荷量，代表著在整個(gè)曝光過程中這個(gè)光子井收集到的光線數(shù)量。
在光子井中累計(jì)的電荷可以轉(zhuǎn)化成電壓。這些電壓經(jīng)由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生RAW數(shù)據(jù)，最終變成一個(gè)個(gè)像素，組成一張照片。
上面這張圖顯示了在一臺(tái)采用12位A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)碼相機(jī)中，一個(gè)光子井在整個(gè)曝光過程中輸出數(shù)據(jù)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(lán)色區(qū)域表示有效信號(hào)，紅色區(qū)域表示噪點(diǎn)信號(hào)。注意橫豎坐標(biāo)都是對數(shù)。
光子井的工作過程是線性的，但是存在極限。當(dāng)一個(gè)光子井積累了超過極限的電荷(圖中綠線位置)，繼續(xù)感受更多的光線就會(huì)產(chǎn)生溢出，甚至影響相鄰的像素(傳感器光暈)�；鶞�(zhǔn)ISO就由光子井的集電能力，和基準(zhǔn)量子效率(入射光子產(chǎn)生光電子的時(shí)間比率)共同決定。
出了有效信號(hào)外，這個(gè)過程中也會(huì)產(chǎn)生噪點(diǎn)信號(hào)。這些噪點(diǎn)包括了“暗電流”噪點(diǎn)(即使沒有光照，傳感器中也有電流)、輸出噪點(diǎn)以及熱噪點(diǎn)。噪點(diǎn)在上圖中以紅色區(qū)域顯示。在最暗的陰影位置(圖中左側(cè))，噪點(diǎn)就已經(jīng)出現(xiàn)了，而且淹沒了信號(hào)。隨著信號(hào)越來越強(qiáng)，開始反過來淹沒噪點(diǎn)。在信號(hào)被噪點(diǎn)淹沒的區(qū)域，我們稱其為“在噪點(diǎn)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(cè)，信號(hào)被噪點(diǎn)層截止，在右側(cè)則會(huì)溢出。這一點(diǎn)和膠片非常不同。膠片對入射光的反應(yīng)是S形曲線。這意味著膠片對欠曝和過曝都有相當(dāng)大的容忍度。RAW轉(zhuǎn)換程序通常默認(rèn)采用S形曲線的影調(diào)映射，來模擬膠片的表現(xiàn)，但影調(diào)映射也無法挽回非線性區(qū)中丟失的信號(hào)(比如低于噪點(diǎn)層或溢出的信號(hào))。
動(dòng)態(tài)范圍和影調(diào)范圍
傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是指從左邊信號(hào)開始淹沒噪點(diǎn)，到右邊信號(hào)開始溢出之間的范圍。影調(diào)范圍是指代表不同亮度級的可用位數(shù)。
動(dòng)態(tài)范圍和影調(diào)范圍是有關(guān)的，而且有時(shí)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(dú)立的東西。我們可以得到動(dòng)態(tài)范圍高或低的圖像數(shù)據(jù)，也可以得到影調(diào)范圍高或低的數(shù)據(jù)，而且任何兩種組合都可以同時(shí)出現(xiàn)(高動(dòng)態(tài)范圍高影調(diào)范圍，高動(dòng)態(tài)范圍低影調(diào)范圍，低動(dòng)態(tài)范圍高影調(diào)范圍，低動(dòng)態(tài)范圍低影調(diào)范圍)。
動(dòng)態(tài)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(diào)范圍衡量在將真實(shí)世界的影調(diào)映射到記錄媒介上時(shí)的過渡。高影調(diào)范圍數(shù)據(jù)的過渡非常平滑;低影調(diào)范圍的過渡很生硬，在照片上能夠看到明顯的“色帶”。
調(diào)整數(shù)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(shù)碼相機(jī)用戶都知道的：數(shù)碼相機(jī)的ISO可以對每張照片單獨(dú)調(diào)整。事實(shí)上，大部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)都允許攝影師使用比基準(zhǔn)ISO更低或更高的ISO。當(dāng)你改變ISO時(shí)，相機(jī)也會(huì)調(diào)整內(nèi)部處理程序來適應(yīng)新的ISO。
當(dāng)你設(shè)置了一個(gè)比基準(zhǔn)更高的ISO時(shí)，相機(jī)的測光系統(tǒng)會(huì)以此為基礎(chǔ)來決定曝光。數(shù)字化的RAW數(shù)據(jù)同樣也會(huì)受到影響。(通常是通過一個(gè)放大電路來實(shí)現(xiàn)，而且放大電路位于A/D轉(zhuǎn)換器之前，即先放大電壓信號(hào)，再數(shù)字化。例如，如果在ISO 100時(shí)的電壓是100mV，調(diào)到ISO 200時(shí)，電壓就變成200mV，在ISO 1600時(shí)電壓變成1600mV，以此類推。)
允許攝影師調(diào)整ISO的設(shè)計(jì)思路是為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的完整輸入電壓范圍。充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的位深，我們就能得到最高的影調(diào)范圍。不過，傳感器對光線的敏感性實(shí)質(zhì)上并沒有提高，相機(jī)只是放大了傳感器產(chǎn)生的信號(hào)。當(dāng)我們放大信號(hào)時(shí)，噪點(diǎn)也同時(shí)被放大，所以會(huì)損失一些畫質(zhì)。這與對膠片迫沖的結(jié)果有些類似。
盡管設(shè)置高ISO并沒有改變傳感器的基準(zhǔn)ISO，但它也會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的RAW數(shù)據(jù)。具體的影響根據(jù)各機(jī)型而不同，不過對于多數(shù)相機(jī)來說，提高ISO拍攝比用基準(zhǔn)ISO拍攝然后通過軟件增加曝光，可以得到更少的噪點(diǎn)和更高的動(dòng)態(tài)范圍。
下面展示的兩張圖片說明了這個(gè)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(jīng)過后期處理(使用ACR直接從RAW轉(zhuǎn)成JPG)。右邊的照片使用ISO 200拍攝(D700的基準(zhǔn)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(jiān)持用基準(zhǔn)ISO拍攝(然后后期提高亮度)的噪點(diǎn)更少。
當(dāng)我們迫沖膠卷時(shí)，增加的噪點(diǎn)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生更好的視覺效果。但提高數(shù)碼相機(jī)ISO產(chǎn)生的噪點(diǎn)不會(huì)。不過最新款的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)擁有出色的控噪性能，具有更好的高感畫質(zhì)。
使用比基準(zhǔn)更低的ISO基本沒有實(shí)際意義。出于市場對低ISO的廣泛要求，大部分相機(jī)都提供了低于基準(zhǔn)的ISO。然而，我們并不建議用戶使用這些設(shè)置，這將導(dǎo)致?lián)p失動(dòng)態(tài)范圍。
這里我們做出解釋：當(dāng)你設(shè)置一個(gè)低于基準(zhǔn)的ISO時(shí)，光子井產(chǎn)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(hào)需要減弱。這樣做不會(huì)改變噪點(diǎn)層，所以傳感器產(chǎn)生了與基準(zhǔn)ISO相同的噪點(diǎn)，但有效信號(hào)卻被減弱。換句話說，使用低于基準(zhǔn)的ISO沒有帶來任何好處(但給了快門速度更多選擇)。
一部數(shù)碼相機(jī)提供的ISO選擇由制造商決定，他們會(huì)努力將噪點(diǎn)控制在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)，而基準(zhǔn)ISO通常擁有最少的噪點(diǎn)。
關(guān)于ISO范圍，ISO值的上限由最多可接受的噪點(diǎn)水平?jīng)Q定，而下限則由制造商認(rèn)為可以接受的動(dòng)態(tài)范圍損失而決定。
由于曝光時(shí)間、溫度和濕度會(huì)影響畫質(zhì)，在ISO標(biāo)準(zhǔn)中對每一項(xiàng)都做了規(guī)范。在實(shí)際中，我們會(huì)在非常多變的環(huán)境中拍攝，不必考慮標(biāo)準(zhǔn)中的那些受到控制的實(shí)驗(yàn)條件，但(在實(shí)驗(yàn)室中得到的)ISO值仍然對畫質(zhì)具有參考價(jià)值。
使用更高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器
在很長的一段時(shí)期內(nèi)，12位A/D轉(zhuǎn)換器被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中。除了使用模擬放大電路外，也可以通過采用更高位數(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器來提高ISO。 A/D轉(zhuǎn)換器中的1位表示1次倍增。如果我們有一塊基準(zhǔn)為ISO 100的傳感器，在每個(gè)光子井輸出不變的情況下，使用16位A/D轉(zhuǎn)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(jī)就通過這項(xiàng)技術(shù)來提供高ISO，還有些相機(jī)將高位A/D轉(zhuǎn)換器和放大電路結(jié)合起來使用。
使用16位A/D轉(zhuǎn)換器不會(huì)減少噪點(diǎn)，因?yàn)閿?shù)字倍增時(shí)噪點(diǎn)也會(huì)倍增，就像放大電路的結(jié)果一樣。不過，對未經(jīng)放大的數(shù)碼信號(hào)流可以采用其他的降噪技術(shù)，有些觀點(diǎn)認(rèn)為這種方式可以得到更好的控噪結(jié)果。
數(shù)碼ISO與噪點(diǎn)
正如有些ISO 400彩色反轉(zhuǎn)片比其他ISO 400膠片畫質(zhì)更好一樣，有些傳感器在指定ISO下也會(huì)比其他傳感器畫質(zhì)更好。通常，大尺寸的光子井能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)(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(gè)空桶代表全黑，滿的水桶代表全白。在曝光時(shí)，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(gè)水桶/像素的灰度。
如上圖所示，小水桶和大水桶會(huì)以相同的速率接水。但是水桶的表面積越大，在特定時(shí)間內(nèi)收集到的雨水就越多。
在收集光子時(shí)，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(gè)光子井產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)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(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生更強(qiáng)的信號(hào)，有著更好的信噪比。
光子井的物理尺寸由兩個(gè)主要因素決定：傳感器的物理尺寸，以及傳感器上的光子井?dāng)?shù)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(gè)光子井的表面積。對拜耳陣列傳感器來說，每個(gè)光子井可以粗略地看作一個(gè)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(jī)在ISO 1600可以得到干凈的照片，而便攜相機(jī)在ISO 1600時(shí)畫質(zhì)糟糕的原因。
在相同傳感器尺寸下，更小的像素?cái)?shù)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(zhì)比D3x(2400萬像素)更好的原因�？�100%原圖時(shí)，D3s在ISO 1600的噪點(diǎn)，相當(dāng)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(tái)相機(jī)在相同ISO下的噪點(diǎn)會(huì)變得差不多。縮小分辨率會(huì)減少噪點(diǎn)的原因是，它增強(qiáng)了每個(gè)像素中決定亮度和顏色的信息(有效信號(hào))。
盡管傳感器尺寸和像素?cái)?shù)是決定噪點(diǎn)水平最主要的兩個(gè)因素，這里還有其他參數(shù)也會(huì)影響噪點(diǎn)水平。
例如：一塊傳感器需要電力來驅(qū)動(dòng)。如果電子零件位于傳感器表面，它們就會(huì)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(shè)計(jì)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(qiáng)的信號(hào)。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(gè)大開口的漏斗)。此外，設(shè)計(jì)更好的信號(hào)處理系統(tǒng)也能夠提高信噪比。目前傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平都在進(jìn)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(zhì)
你也許會(huì)希望對自己的相機(jī)進(jìn)行測試，看看在不同ISO下的畫質(zhì)情況。
使用不同ISO設(shè)置拍攝相同的嘲，看看在多高的ISO下仍然能得到可以接受的畫質(zhì)。
很多數(shù)碼相機(jī)都有內(nèi)置的高感降噪功能，但是在降噪的同時(shí)也會(huì)損失細(xì)節(jié)，使照片看上去很假。如果有，應(yīng)該在關(guān)閉和打開ISO降噪功能下都進(jìn)行測試。
了解自己相機(jī)的限制，可以使你避免在一次重要的活動(dòng)之后得到一堆因?yàn)楫嬞|(zhì)不堪而作廢的照片。
使用高ISO拍攝會(huì)增加噪點(diǎn)，使用降噪功能會(huì)損失細(xì)節(jié)，使用長時(shí)間快門會(huì)增加抖動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。你需要通過測試找到最適合自己的一個(gè)平衡點(diǎn)。
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