感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

瘋攝     2021年01月27日

前言

提到「感光度」,攝影愛好者們一定感到再熟悉不過了。但是,你真的瞭解它嗎?

我們不妨來思考一下以下這些問題,看看自己能否回答:

感光度是如何定義的?

感光度跟曝光量有什麼關係?

數位相機中的感光度跟膠片中的感光度是一回事嗎?

提高ISO值,就相當於提高了數位相機的感光能力,這種說法對嗎?為什麼?

為什麼ISO值越高,圖像畫質就會越差呢?

如果你一時答不上來,沒關係,因為很多人都不屑或者懶得去深入思考這些問題。「感光度」這個詞可能是一個最容易被人誤解、最受委屈的攝影專業術語。為什麼這樣說?

不必急於知道答案,你需要做的是,帶著以上這些問題,和小編一起開啟今天的攝影話題。

一、感光度是什麼?

所謂「感光度」,簡單地說就是對光線的敏感程度。它原本主要是用來描述膠片中的感光物質與光發生光電效應的響應速度,因此它曾經有一個更為耳熟能詳的名字——膠片速度(film speed)。

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

到了現代,隨著光學、電子工程和工業技術的蓬勃發展,感光度的定義也逐漸變得寬泛,它現在主要指光敏材料(包括但不限於攝影用膠片)對光的敏感程度。本文主要討論的是攝影領域的感光度。

研究「光」這種看得見摸不著的東西已經很難,要研究一種材料對光的敏感程度,更是難上加難。那麼,那些迎難而上的科學家們究竟是如何測定感光度的呢?

想知道問題的答案,我們還得從感光度測定的歷史說起。

二、感光測定簡史

2.1 Warnerke

在1880年,生於俄國的波蘭工程師Leon Warnerke(1837–1900)發明了第一款實用的感光度測定儀,並於次年投入商用。

這款儀器的外觀為木質框架結構,底層放置測試樣本膠片,上一層是一塊玻璃螢幕,上有25個不透明度依次遞增的小方格(控制光線強度),測試時以鎂帶燃燒發出的光照射螢幕上塗有的磷光硫化鈣物質,後者受激發而發光,從而致膠片顯影。在給定曝光時間內,將最後一個可見的顯影方塊上的數字定義為該材料的顯影速度,以單位「度」(°W)表示,每一個方塊即為1°W,以1/3每格的速度遞增,數字越大,代表材料的膠片速度越快,對光線越敏感。如圖2-1所示:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖2-1,Photo via siep.org.au

為了紀念這位發明者,後人將其命名為「Warnerke感光度測量系統」。

2.2 H&D

1890年,一位瑞士裔的英國化學家兼攝影愛好者Ferdinand Hurter和他的同事化學工程師Vero Charles Driffield,在大量實驗的基礎上,證明了黑白負片感光乳劑密度與對數曝光量之間的關係,並繪製成了一條曲線,命名為「H&D曲線」(如圖2-3所示)。

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖2-3

H&D曲線主要分為4大部分:片基、趾部、線性部分和肩部。該測量系統表明,膠片的感光度與曝光量成反比關係。

H&D測量系統奠定了光學領域感光測量的基礎。

2.3 DIN

DIN原是「德國標準化組織」的德語簡稱,「DIN測量系統」,具體是指1934年1月由DIN組織官方發布、編號為4512的感光度測量標準(DIN:4512)。

該標準系在前人研究的基礎上總結髮展而來,其特點是,使用以10為底的對數與10的乘積來表示膠片感光度的靈敏度,用「數字/10度數+DIN」表示。舉個例子:比如,A膠卷的感光度為「18/10°DIN」,B膠卷為「15/10°DIN」,表示兩者相差3°,3約等於10log(2),意即表示A的感光度是B的2倍。

2.4 ASA

ASA,全稱為美國標準協會(American Standards Association)。1943年,在柯達膠片公司的研究基礎上,並結合了通用電氣和韋斯頓膠片速度評級系統,提出了黑白負片的速度評級標準。相比以往的主流標準,ASA最大的不同是使用了線性的評定量度,即算術標度而非對數標度,比如300ASA的感光度是100ASA的3倍。

2.5 ISO

ISO是國際標準化組織(International Organization for Standardization )的簡稱,它是一個致力於標準化的國際性非營利組織。今天我們在攝影中常說的ISO值,實際上是代指該組織中有關感光度的測量標準。現行數位相機中所使用的感光度ISO,具體是指1998年發布、2006年修訂的關於靜物攝影機的感光度標準ISO 12232:2019。

ISO感光度測量標準綜合了DIN系統的對數標度和ASA系統的算術標度,比如ISO 100/21°和ISO 200/24°,後者的感光度是前者的兩倍。後來,人們通常習慣把後面的對數標度省略不寫,於是便成了我們現在經常在相機和手機中看到的ISO值。

瞭解了感光度測定簡史,我們便知道了ISO與感光度之間的淵源。接下來,我們以膠片作為切入點,看看感光度是如何定義和測量的。

三、膠片感光度(ISO)

3.1 膠片結構

膠片(film,即「菲林」)之所以能曝光,歸功於其表面的那一層、薄約10微米的感光乳劑,其主要成份為溴化銀(AgBr)、氯化銀(AgCl)和碘化銀(AgI) 等一類鹵化銀物質。它們遇光後會發生化學反應,銀離子變成了金屬銀附著於膠片表面,然後經過顯影、定影、沖洗和晾曬等暗房處理,便完成了一張照片的沖洗。

鹵化銀的顆粒大小決定了膠片的感光能力:顆粒越大,單位時間內發生化學反應的機率也就越大,所謂的「膠片速度」(即感光度)也就越高。因此,高感膠片(比如:高於ISO400)也稱為「快膠片」(fast film)。

圖3-1為黑白膠片結構示意圖:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖3-1

影響膠片敏感度的因素可以有很多,如膠片廠商(類型)、工藝化學(污染、溫度、時間等)和曝光條件(時長、光線波長)等,如圖3-2所示。

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖3-2

現行的膠片ISO值是基於「H&D曲線」研究理論而測定的。該曲線表示的是「光密度」與「對數曝光值」之間的關係。要瞭解膠片感光度是如何測量的,我們先要理解何為「光密度」。

3.2 光密度

假設有一束100單位的入射光照射在光學介質上,其中有50單位的光從中穿透而過,則此介質的透光率(透射光強度 /入射光強度)為:50/100=0.5;而不透明度則與透光率互為倒數,即為100/50=2。光學上定義不透明度的對數值(以10為底)為光密度(optical density),因此,該介質的光密度為lg(2)=0.3。三者的關係如圖3-3所示[1]:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖3-3

光密度與透光率之間的關係如圖3-4所示:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖3-4, Photo by Sprawls

由此可見,光密度越大,透射的光線越弱,即抵達膠片的光線數量越少。

3.3 膠片感光度測定

以黑白膠片為例。通過不同光密度(即不透明度的對數值)的濾鏡,改變抵達膠片的光線強度,並記錄相應的對數曝光量,於是便繪製出了一條感光測量曲線(H&D曲線)[2],如圖3-5所示:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖3-5

在曲線上取兩點M和N,M的光密度為片基(無感光乳劑,不能感光)的基礎上加0.1單位,N的光密度比M大0.8,對數曝光量比M大1.3,則定義此膠片的膠片速度S為:

S = 0.8 / Hm

其中,Hm為M點的曝光量,單位為勒秒。

計算結果四捨五入後得到一個整數,通過對照ISO膠片速度表,即得到了該膠片的ISO值。

由公式可知,膠片速度與曝光量成反比,即:膠片速度越大(即感光度越高),其累積的曝光量越小。

若膠片為彩色負片(color negative film),其結構則相對複雜一些。膠片表面除了有紫外線過濾塗層(UV filter)之外,還有藍、綠、紅三種感光塗層,因此,在測定其感光度的時候,對數曝光量應取三者的平均值,然後再根據膠片速度的定義公式計算出感光度。如圖3-6所示:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖3-6,Photo by Francois.

以上是關於膠片的感光度。那麼數位相機的感光度又是如何衡量的呢?

四、數位相機感光度(ISO)

到了數位相機時代,基於傳統使用習慣,依然沿用了膠片時代的「感光度」這個術語,但它只是名義上的「膠片速度」。

提到數位相機的感光度,很多人僅憑直覺便「理所當然」地這樣認為:

數位相機的感光度越高,表示獲得的曝光量越多,因此相機的感光能力也越強。

其實,這裡面有兩個典型的錯誤認知:

(1)由第三節中我們介紹的感光度的定義可知,感光度與曝光量成反比關係,而非正比,這與我們的「直覺」是相反的;

(2)與膠片不同,數位相機的「感光能力」或者「對光的敏感度」由影像傳感器(晶片中的某一層)決定,它在出廠封裝後便已是固定不變,與ISO值無關。

那數位相機的感光度又是如何計算的呢?

4.1 ISO測定

為了便於工業化生產和消費者使用,數位相機使用的是與膠片速度一樣的感光度測定標準——ISO 12232。為了實現這種目標,該標準為數位相機系統提供了4種感光速度測定方式:

基於飽和度的感光速度、基於噪聲的感光速度、標準輸出敏感度(SOS)和推薦曝光指數(REI)。

限於篇幅,下面只簡單介紹前兩種方法。

基於飽和度的感光速度(Saturation-based speed)跟快門、光圈大小、現場亮度有關,其計算公式為:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

其中,L為場景亮度,t為曝光時間,N為光圈值。

基於噪聲的感光速度(Noise-based speed)的計算則更加複雜,我們沒必要瞭解它的計算公式,只需知道它跟信號的「信噪比」(信號強度/噪聲強度)有關。系統通常取兩個比值,若信噪比為40:1,則認為光照條件良好,畫質優異;若為10:1,則認為光照條件較差,畫質勉強可接受。

相機系統會在測光時,同時用幾種方法測定當前參數組合下的曝光水平,並根據相關算法,決定上報哪一種方式的測量結果。

上面我們已經說到,傳感器的光敏能力是固定的,那為什麼提高ISO可以獲得更明亮的圖像呢?難道是增加了它的感光能力了嗎?

為了找到答案,我們需要先大致瞭解數位相機的工作原理。

4.2 光信號與電信號

數位相機捕捉和處理圖像的過程大致可分為「模擬」和「數字」兩部分:

模擬部分:光線經物體反射進入鏡頭,在鏡頭內部經過多重摺射後聚焦於一點,最後再次折射、發散,進入影像傳感器。由第一層的「馬賽克濾鏡」過濾不同波長(主要為紅、綠、藍三種)的光,第二層的影像傳感器捕捉光信號,後經模擬電子元件將光信號轉換為模擬電子信號。此為光信號的模擬部分處理流程。

數字部分:模擬電子元件的下一層是模數信號轉換器(ADC),後者將模擬電信號轉換為數字電信號,負責信號的「數字化」。然後由數字影像處理器對數字信號進行分析、編譯、降噪、壓縮等一系列處理,最後將圖像數據存儲進SD卡。

圖4-1為數位相機影像處理器的工作原理示意圖:

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖4-1:影像處理器工作原理示意圖。

我們可以看到,晶片第二層的「影像傳感器」便相當於膠片中的感光乳劑,它決定了相機對光線的敏感程度,後者在晶片封裝之後便確定了下來,不可改變。

那「增加感光度」應該如何理解呢?

4.3 信號放大

光信號進入鏡頭後,在數位相機的傳感器上發生光電效應後轉化為電信號,此時還是一種模擬信號,在進入模數信號轉換器(ADC)之前,還要經過電路中的「放大器」,後者用於處理傳感器輸出的電信號,提高相機的感光度本質上就是放大影像傳感器的輸出信號。我們看到提高感光度後的圖像更明亮了,其實是因為放大了原有信號,而非增加了圖像曝光量。數位相機利用不同的放大倍率,提供一種類似於不同膠片感光度的功能。如今的相機基本都能達到幾萬ISO,甚至可以擴展至幾十萬ISO。

然而,在放大有用信號的同時,也無可避免地放大了有害的噪聲(noise),後者會對圖像數據的處理構成干擾(如圖4-2所示)。因此,ISO調得越高,照片的噪點也會越多,畫質也會變差。

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

圖4-2

感光度越高曝光量就越大?為什麼高ISO會帶來噪點?

小編在之前的文章曾介紹過數位相機的兩種晶片:CCD和CMOS。這兩種晶片的信號放大機制有所不同,CCD只有一個放大器,對電信號放大一次後便輸入至ADC;而CMOS則不同,它在每個感光單元(即每個像素)都內置了一個獨立放大器,雖然信號處理的效率提高了,但底噪也因放大器的增多而抬升了。於是,在高ISO(高放大倍率)的狀態下,CMOS處理的圖像會比CCD擁有更多噪點,此亦為CMOS的不足之處。

鑑於此,一些相機會內置軟體降噪功能,通過後期處理的方式使高感圖像看起來更平滑,給人以「噪點變少」的錯覺,但付出的代價就是損失了大量暗部細節。因此,在實際拍攝中,究竟使用多高的可用感光度,需要你在畫質和細節之間權衡。

結語

從膠片到數位相機,我們聊了許多關於「感光度」的話題。它就像快門、光圈,很熟悉、很常見,是幾乎每一位攝影學習者都會經常接觸到的一個重要參數。它司空見慣,以至於我們自以為對其瞭如指掌,深入其中才發現,其實尚存在諸多誤解與偏見。能隨口說出一堆專業術語固然不錯,但並不等於你真正掌握了許多攝影知識。影像的世界如此廣袤,如此深邃,我們唯有虛懷若谷,潛心探索,方能一一領略。

參考文獻

[1] Nanette Salvaggio,Basic Photographic Materials and Processes(Third edition),2009,Focal Press;

[2]Elizabeth Allen,Sophie Triantaphillidou,The Manual_of_Photography (10th ed.) Oxford Focal Press;

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