3、ISO

1、什么是ISO？

在评价感光度的系统中，ISO是最现代，最广为应用的一种。

Film Speed System
Warnerke
Hurter&Driffield
Scheiner
DIN
BSI
Weston
General Electric
ASA
GOST
ISO

胶片时代，影响感光度的是胶片中的卤化银颗粒。卤化银颗粒越大，胶片对光线的敏感度越高，成像也会相对粗糙；卤化银颗粒越小，胶片对光线的敏感度越低，但成像相对细腻。不同的胶卷，对光线的敏感度是不一样的。而在数码时代，于此完全不同。

很多人会把ISO理解成数字感光元件（CMOS、CCD等）对光的敏感度。实际上，一块感光元件，其对光的敏感度是在制造时候就固定了的。

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，组成一幅图片。

上面这张图显示了在一台采用12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。

在光电转换的过程中，除了有效信号外，其他环节也会产生噪点信号。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）、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）。

2、RAW和ISO

在这个光电转换的过程中，在摄影机最大能力范围记录下来的这个数据文件，就是RAW文件。

有些厂商的RAW文件提供了一些软件接口，可以后期调整RAW文件的色温等各种数据，那是不是也可以后期调整曝光？

光子井的电荷累积到一定程度后产生电压，这些电压并不是直接进入A/D转换器被记录成RAW文件，而是需要经过电路的增益。

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。

3、数码ISO和噪点

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。

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。(如背照式CMOS，sony的Exmor R)

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），如sony的proHAD传感器。

此外，设计更好的信号处理系统也能够提高信噪比。

开大ISO，就像开大声音旋钮之后能够听到更多底噪，也会放大噪点信号从而让更多噪点被看到。但除了这部分噪点，热噪点、“暗电流”噪点等一般都是不变的。不同的厂商都会根据自身机器的不同，优化电路和算法，来抑制这部分噪点。

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。

关于噪点，影响因素很多，为了更优秀的画质，唯一要做的就是：test、test、test！

当然，ISO的影响不仅仅是噪点，而是动态范围，后面我们来说这一点。

4、原生ISO/双原生ISO

一台机器，一般都有一个信噪比最好的ISO值，在这个ISO值下拍摄，能够获得噪点最少的画面。大多数相机，这个值就是最低的ISO值（电路增益最小），有的相机会向下扩展，但我们尽量不要使用扩展ISO，无论是向上扩展还是向下扩展。信噪比最佳的ISO值，被称之为Native ISO，原生感光度。（也叫基准ISO）

顺便一提，曾有传闻佳能相机原生感光度是160，且所有160的倍数都能获得较为干净的画面。也许因为电路原因在某些特定ISO噪点有所控制，但160原生感光度但说法不足取信。佳能相机噪点最干净的感光度是100ISO。

数字电影摄影机，比如Alexa、red，原生感光度一般都是800。现在不少机器都有双原生感光度。双原生感光度，是在电压从传感器出来之后，有两个电路，根据当前ISO会选择不同的电路进行增益，然后才进入模拟数字转换器，转换成数字信号。（比如BMPCC 6K，当选择100～1000ISO时候，会选择原生感光度为400ISO的电路，而在选择1250～25600ISO时候，会选择原生感光度为3200ISO的电路。）

5、动态范围

动态范围是用来描述画面中从最暗的阴影部分到最亮的高光部分的光 量强度分布范围。它可以用曝光数值（缩写为EV）或者“挡”（F-stop）来进行计量。

自然界光强的变化范围非常大，从直射的日光到星光的变化在8个数量级，即一亿倍，相当于26.6个曝光档。用摄影的语言，我们说自然界光强的动态范围是8个数量级，或者说27EV。由于自然界中物体的反射过程非常复杂，光线经过反射之后的动态范围实际上远远超出了27EV。

传统负片胶卷的动态范围是7EV(通过特殊的冲印技术可以达到10EV甚至更高一点），正片胶卷的动态范围是5EV。人的眼睛的动态范围要比数码相机宽广得多。如果瞳孔大小保持不变，人眼可以识别10－14EV范围之内的光强（相当于对比度1000－20000:1)。如果瞳孔大小允许改变，人眼可以识别24EV范围之内的光强（相当于光强对比度20000000:1）。

Ansel Adams 和Fred Archer创建了区域系统（The Zone System），将从最暗到最亮的全部动态范围分割成了10个区域。

其中区域5是中间灰的所在。向上和向下每个区域都是一档。

亚当斯将不同的日常摄影作品分配到不同区域：

随着现代传感器的发展，机器能够记录的动态范围越来越高，比如red可以记录16bit数据，但是我们从屏幕上观看时候，实际上分辨不出来那么多级别的灰度信息。

在0～255所表示的图象灰度显示系统中,灰度级数为8、16、32时的人眼正确识别率分别约为93.16%、68.75%、45.31%。

6、Liner和log

人眼观看符合韦伯·费希纳定律，简单讲当光线比较暗的时候，一点点的变化就能导致感知的巨大变化，而当光线变强时，需要更大的强度变化，才能获得相同的感知变化。

韦伯-费希纳定律是表明心理量和物理量之间关系的定律。德国生理学家韦伯发现同一刺激差别量必须达到一定比例，才能引起差别感觉。这一比例是个常数，用公式表示：ΔI（差别阈限）/I（标准刺激强度）=k（常数/韦伯分数），这就是韦伯定律。 把最小可觉差（连续的差别阈限）作为感觉量的单位，即每增加一个差别阈限，心理量增加一个单位。感觉量与物理量的对数值成正比，也就是说，感觉量的增加落后于物理量的增加，物理量成几何级数增长，而心理量成算术级数增长，这个经验公式被称为费希纳定律或韦伯-费希纳定律。

百度百科

顺便提一提，因为韦伯-费希纳定律定律，现场打光时候，一般会按倍数来调整光线，这也是之前说的要记住1.4、2.0、2.8、4、5.6、8、11……这组数字。除了使用调光器，简单办法就是需要增加一倍亮度时，把灯光朝对象移动30%的距离，需要减少一倍亮度时，把灯光朝远离对象方向移动40%的距离。

感光元件对光线的感知却是线性的。

假如感光元件能够区分16个亮度单位，那么捕捉到的亮度就是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。也即是linear（线性）的。1、2、3、4容易被感知，而13、14、15、16这个亮度的变化就不容易被眼睛感知到了。

也就是说，当拥有呈线性增加的16个级别亮度，在光线较暗时候，人眼感知到亮度的明显提升，而当光线变强之后，虽然物理上光线是在逐级变亮，但根据韦伯-费希纳定律，人眼需要更大的刺激才能感受到明显的亮度变化，所以，人眼感受到的变化越来越小。

那么，怎样才能让眼睛看到的变化是呈线性的逐级增加的呢？

把曲线反过来就可以了。

RAW文件的记录一般都是线性的。

我们看到大量的信息都记录在了亮部。前面已经说过，人眼对亮部的信息并没有那么敏感，所以，其实亮部信息是可以少记录的。

正是因为RAW文件linear的记录方式，我们在拍摄RAW文件时候，尽可能的ETTR，也就是向右曝光，以便让记录更多数据信息的亮部拥有更多的可记录的光信息，然后后期时候再让曝光正常。

可以通过log曲线，来让记录暗部级别的信息量多一些，让亮部级别的信息少一些：

还可以进一步优化，在亮部设置一个“拐点”来提高一点点动态范围：

各个厂商根据自己机器的特性来优化和设计这条log曲线（“拐点”位置的不同），于是有了不同的log，如：

佳能的C-log，索尼的S-log，大疆的D-log，松下的V-log，等等。

log文件，已经对亮部信息的记录进行过优化，厂商在设计log时候，也是按最佳曝光来制定的。所以，拍摄log时候，是没必要ETTR向右曝光的。

有一些特殊情况，比如sony的slog-3，在拍摄曝光充足的白天场景时候，正常曝光下暗部噪点特别多，拍摄时候过曝1～2档，能够明显改善。slog3的拍摄ETTR是有必要的。

同样在套用机内gamma直出拍摄时候，也没有必要ETTR。（当然，有些项目，甲方可能希望亮堂一些，也可以向右曝光）

想要更优的画质，弄懂理论知识是有必要的，但更重要的永远是：test、test、test！

7、ISO和EI

ISO本质上是AD电路前的放大电路。

所以在数码相机和部分数码摄影机，ISO的设置会影响最终记录下来的数据。
RAW格式记录下来的数据是AD以后的，所以对RAW也是有影响的（所以需要ETTR）。

但是EI（exposure index意思是曝光索引）EI只是作为metadata存储下来作为参考。

当记录LOG模式的时候，其实还是不会改变放大电路，即传感器经过AD给出的数据还是不变的。但是调整EI会影响log曲线：

这是ARRI提供的一份关于LOGC的技术文档里解释的，当改变EI时，LOG曲线发生了变化。
可以看到，EI越高，LOG曲线抬得越高，记录的高光数据就越多。

arri解释了这些数据只对LOG C有效。

EI高则记录高光多，EI低则记录暗部多。

8、ISO和动态范围

ISO经常被人为提高用来对付低照度的情况，因为机内的放大电路对噪点的处理比后期的处理要好。

但ISO影响的不止是噪点，还有动态范围。双原生ISO的机器，在使用不同原生ISO时候，对动态范围的影响也有不同。

一般情况下，高ISO能够获得更多的亮部细节，低ISO能够获得更多的暗部细节。使用什么样的ISO，取决于创作意图。

比如，想要获得晴天天空云朵的层次，就需要使用高ISO，如果过曝则使用密度镜来减少进入镜头的光线。想要拍摄室内暗部的更多层次，则需要使用低ISO，曝光不足，就增加灯光。

最后的总结。ISO影响的是曝光、噪点和动态范围。我们需要根据创作意图进行取舍。

提高ISO来获得更好的曝光，比后期增加曝光要好。但是要将噪点控制在合理范围内。

多数情况下，噪点都是技术问题，而不是创作意图的选择，应当尽可能减少噪点。前期拍摄时候尽可能的控制，但是也需要了解后期软件的降噪能力，以便更加灵活地选择拍摄方案。

一些双原生ISO机器，使用不同原生ISO时候噪点控制能力也不同。

ISO还会影响动态范围，不同机器，影响是不同的。

所以，要了解我们手中的机器，需要test、test、test！