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數碼攝影中有關(guān)ISO感光度的方法技巧
簡(jiǎn)介
ISO感光度，與光圈和快門(mén)被合稱(chēng)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(guò)膠卷，很可能已經(jīng)注意到在每一個(gè)膠卷盒子外面標注著(zhù)的，表示膠片對光線(xiàn)敏感度的數字。這個(gè)數字就是膠卷的“ISO”。ISO數字越大，膠卷對光線(xiàn)就越敏感。
在數碼攝影中，ISO扮演著(zhù)相同的角色。這就是：ISO數字衡量著(zhù)相機傳感器對光線(xiàn)的敏感程度。且同樣是數字越大，傳感器對光線(xiàn)就越敏感。
一款膠卷或一塊傳感器的ISO值由制造商來(lái)確定。國際標準組織(簡(jiǎn)寫(xiě)為ISO)制定了一系列相關(guān)標準，制造商就遵循這些標準來(lái)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(gè)統一的框架。對數碼相機來(lái)說(shuō)，這些標準保證了具有相同ISO的傳感器和膠卷對光線(xiàn)具有相同的敏感程度。這意味著(zhù)所有適用于膠片攝影的測光表與曝光技術(shù)，對數碼攝影同樣適用。
一段簡(jiǎn)短的歷史介紹
ISO的定義實(shí)際上存在兩種刻度，一種是線(xiàn)性刻度，另一種是對數刻度，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(xiàn)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(gè)數字時(shí)，它們需要用斜線(xiàn)“/”分開(kāi)，而且對數值需要加上度數單位“°”。例如：“ISO 200/24°”。如果只寫(xiě)出一個(gè)數字，那么總是表示線(xiàn)性刻度。例如：“ISO 200”。
在對數ISO刻度中，每?jì)杉壐泄舛戎g差3;而線(xiàn)性ISO刻度中，每?jì)杉壐泄舛认嗖钜槐丁?/p>
在實(shí)際中，對數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(xiàn)性ISO。
我們已經(jīng)知道，線(xiàn)性ISO刻度是成倍變化的。換句話(huà)說(shuō)，ISO 200對光線(xiàn)的敏感度比ISO 100強一倍。
ISO值和ISO范圍
在談到ISO時(shí)，實(shí)際上有兩種說(shuō)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(shuō)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，照片的畫(huà)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(lái)說(shuō)，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(chēng)其為“迫沖”;如果ISO值被降低，就稱(chēng)為“降感”。
對傳感器來(lái)說(shuō)，ISO值通過(guò)模擬或數字放大來(lái)實(shí)現。在下文我們會(huì )詳細討論這種放大方法和其產(chǎn)生的結果。
膠片ISO
在討論數碼之前，我們先簡(jiǎn)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(jìn)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(shí)，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(guò)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(jiàn)顆粒。
數碼ISO
膠片通過(guò)曝光和顯影來(lái)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(guò)其他的方法來(lái)確定。確定數碼ISO的具體方法記錄在標準《攝影技術(shù).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(lái)說(shuō)通常是ISO 100或ISO 200�；鶞蔍SO通常是傳感器表現“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(guò)其傳感器的基準ISO。不過(guò)佳能用戶(hù)相信一些早期的佳能數碼單反在ISO 100下?lián)碛凶畲髣?dòng)態(tài)范圍和最少噪點(diǎn)，而后期的機型則在ISO 200下表現最佳。
尼康早年曾經(jīng)公布過(guò)數碼單反傳感器的基準ISO。低于基準ISO的感光度被標為L(cháng)0.3、L0.7和L1.0。尼康公布過(guò)的機型中大部分基準ISO 是ISO 200。從一些新機型(D3100和D7000)開(kāi)始，尼康不再使用“L”設置，而是簡(jiǎn)單地把最低ISO標為ISO 100。經(jīng)過(guò)測試，這些相機在ISO 100下的動(dòng)態(tài)范圍比ISO 200時(shí)的要小�？雌饋�(lái)尼康也開(kāi)始學(xué)習佳能，不再公布基準ISO了。
在數碼相機中，光線(xiàn)轉變成數據的過(guò)程是這樣的：電子傳感器通過(guò)光子井收集光電子(由光子撞擊傳感器產(chǎn)生)。這個(gè)過(guò)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(zhù)在整個(gè)曝光過(guò)程中這個(gè)光子井收集到的光線(xiàn)數量。
在光子井中累計的電荷可以轉化成電壓。這些電壓經(jīng)由模/數轉換器(A/D轉換器)產(chǎn)生RAW數據，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采用12位A/D轉換器的數碼相機中，一個(gè)光子井在整個(gè)曝光過(guò)程中輸出數據的情況。圖表的左邊從0開(kāi)始(沒(méi)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(diǎn)信號。注意橫豎坐標都是對數。
光子井的工作過(guò)程是線(xiàn)性的，但是存在極限。當一個(gè)光子井積累了超過(guò)極限的電荷(圖中綠線(xiàn)位置)，繼續感受更多的光線(xiàn)就會(huì )產(chǎn)生溢出，甚至影響相鄰的像素(傳感器光暈)�；鶞蔍SO就由光子井的集電能力，和基準量子效率(入射光子產(chǎn)生光電子的時(shí)間比率)共同決定。
出了有效信號外，這個(gè)過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生噪點(diǎn)信號。這些噪點(diǎn)包括了“暗電流”噪點(diǎn)(即使沒(méi)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)在上圖中以紅色區域顯示。在最暗的陰影位置(圖中左側)，噪點(diǎn)就已經(jīng)出現了，而且淹沒(méi)了信號。隨著(zhù)信號越來(lái)越強，開(kāi)始反過(guò)來(lái)淹沒(méi)噪點(diǎn)。在信號被噪點(diǎn)淹沒(méi)的區域，我們稱(chēng)其為“在噪點(diǎn)層下”。
注意線(xiàn)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(diǎn)層截止，在右側則會(huì )溢出。這一點(diǎn)和膠片非常不同。膠片對入射光的反應是S形曲線(xiàn)。這意味著(zhù)膠片對欠曝和過(guò)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(xiàn)的影調映射，來(lái)模擬膠片的表現，但影調映射也無(wú)法挽回非線(xiàn)性區中丟失的信號(比如低于噪點(diǎn)層或溢出的信號)。
動(dòng)態(tài)范圍和影調范圍
傳感器的動(dòng)態(tài)范圍是指從左邊信號開(kāi)始淹沒(méi)噪點(diǎn)，到右邊信號開(kāi)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(dòng)態(tài)范圍和影調范圍是有關(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，它們是彼此獨立的東西。我們可以得到動(dòng)態(tài)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(shí)出現(高動(dòng)態(tài)范圍高影調范圍，高動(dòng)態(tài)范圍低影調范圍，低動(dòng)態(tài)范圍高影調范圍，低動(dòng)態(tài)范圍低影調范圍)。
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。
影調范圍衡量在將真實(shí)世界的影調映射到記錄媒介上時(shí)的過(guò)渡。高影調范圍數據的過(guò)渡非常平滑;低影調范圍的過(guò)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(hù)都知道的：數碼相機的ISO可以對每張照片單獨調整。事實(shí)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(shí)，相機也會(huì )調整內部處理程序來(lái)適應新的ISO。
當你設置了一個(gè)比基準更高的ISO時(shí)，相機的測光系統會(huì )以此為基礎來(lái)決定曝光。數字化的RAW數據同樣也會(huì )受到影響。(通常是通過(guò)一個(gè)放大電路來(lái)實(shí)現，而且放大電路位于A(yíng)/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(shí)的電壓是100mV，調到ISO 200時(shí)，電壓就變成200mV，在ISO 1600時(shí)電壓變成1600mV，以此類(lèi)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(guò)，傳感器對光線(xiàn)的敏感性實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有提高，相機只是放大了傳感器產(chǎn)生的信號。當我們放大信號時(shí)，噪點(diǎn)也同時(shí)被放大，所以會(huì )損失一些畫(huà)質(zhì)。這與對膠片迫沖的結果有些類(lèi)似。
盡管設置高ISO并沒(méi)有改變傳感器的基準ISO，但它也會(huì )影響A/D轉換器產(chǎn)生的RAW數據。具體的影響根據各機型而不同，不過(guò)對于多數相機來(lái)說(shuō)，提高ISO拍攝比用基準ISO拍攝然后通過(guò)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(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。這兩張照片都用尼康D700拍攝，使用相同的光圈和快門(mén)(1/40s，f/5.6)。左邊的照片使用ISO 3200拍攝，沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(shuō)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(diǎn)更少。
當我們迫沖膠卷時(shí)，增加的噪點(diǎn)有時(shí)會(huì )產(chǎn)生更好的視覺(jué)效果。但提高數碼相機ISO產(chǎn)生的噪點(diǎn)不會(huì )。不過(guò)最新款的數碼相機已經(jīng)擁有出色的控噪性能，具有更好的高感畫(huà)質(zhì)。
使用比基準更低的ISO基本沒(méi)有實(shí)際意義。出于市場(chǎng)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(hù)使用這些設置，這將導致?lián)p失動(dòng)態(tài)范圍。
這里我們做出解釋?zhuān)寒斈阍O置一個(gè)低于基準的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ISO相同的噪點(diǎn)，但有效信號卻被減弱。換句話(huà)說(shuō)，使用低于基準的ISO沒(méi)有帶來(lái)任何好處(但給了快門(mén)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(huì )努力將噪點(diǎn)控制在一個(gè)可以接受的范圍內，而基準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(huà)質(zhì)，在ISO標準中對每一項都做了規范。在實(shí)際中，我們會(huì )在非常多變的環(huán)境中拍攝，不必考慮標準中的那些受到控制的實(shí)驗條件，但(在實(shí)驗室中得到的)ISO值仍然對畫(huà)質(zhì)具有參考價(jià)值。
使用更高位數的A/D轉換器
在很長(cháng)的一段時(shí)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(guò)采用更高位數的A/D轉換器來(lái)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(gè)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(guò)這項技術(shù)來(lái)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(lái)使用。
使用16位A/D轉換器不會(huì )減少噪點(diǎn)，因為數字倍增時(shí)噪點(diǎn)也會(huì )倍增，就像放大電路的結果一樣。不過(guò)，對未經(jīng)放大的數碼信號流可以采用其他的降噪技術(shù)，有些觀(guān)點(diǎn)認為這種方式可以得到更好的控噪結果。
數碼ISO與噪點(diǎn)
正如有些ISO 400彩色反轉片比其他ISO 400膠片畫(huà)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(huà)質(zhì)更好。通常，大尺寸的光子井能夠產(chǎn)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(gè)空桶代表全黑，滿(mǎn)的水桶代表全白。在曝光時(shí)，快門(mén)打開(kāi)，水桶開(kāi)始收集雨水。通過(guò)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(zhù)每個(gè)光子井產(chǎn)生的信號的強弱。更大的水桶收集更多的水，代表著(zhù)更大的光子井在同樣時(shí)間內可以產(chǎn)生更強的信號，有著(zhù)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數量。大尺寸傳感器顯然有著(zhù)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(lái)說(shuō)，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(huà)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(shí)畫(huà)質(zhì)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(wàn)像素)高感光度照片的畫(huà)質(zhì)比D3x(2400萬(wàn)像素)更好的原因�？�100%原圖時(shí)，D3s在ISO 1600的噪點(diǎn)，相當于D3x在ISO 400水平。
不過(guò)，如果我們把D3x的照片從2400萬(wàn)像素縮小到1200萬(wàn)像素，與D3s的分辨率相同，則兩臺相機在相同ISO下的噪點(diǎn)會(huì )變得差不多�？s小分辨率會(huì )減少噪點(diǎn)的原因是，它增強了每個(gè)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(diǎn)水平最主要的兩個(gè)因素，這里還有其他參數也會(huì )影響噪點(diǎn)水平。
例如：一塊傳感器需要電力來(lái)驅動(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(xiàn)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(kāi)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(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(huà)質(zhì)
你也許會(huì )希望對自己的相機進(jìn)行測試，看看在不同ISO下的畫(huà)質(zhì)情況。
使用不同ISO設置拍攝相同的嘲，看看在多高的ISO下仍然能得到可以接受的畫(huà)質(zhì)。
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(shí)也會(huì )損失細節，使照片看上去很假。如果有，應該在關(guān)閉和打開(kāi)ISO降噪功能下都進(jìn)行測試。
了解自己相機的限制，可以使你避免在一次重要的活動(dòng)之后得到一堆因為畫(huà)質(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 )損失細節，使用長(cháng)時(shí)間快門(mén)會(huì )增加抖動(dòng)的風(fēng)險。你需要通過(guò)測試找到最適合自己的一個(gè)平衡點(diǎn)。
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