数码单反相机使用教程.docx
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数码单反相机使用教程
段简短的文章解释了数码ISO感光度(以下简称ISO)如何被确定,以及使用更高或更低的ISO会给数码照片带来什么影响。
请注意,关于胶片及数字传感器ISO感光度标准的文档是受版权保护的。
如果你希望阅读这些资料,需要购买相应的ISO标准。
本文,我们只总结一些最重要的原理和结论。
简介
ISO感光度,与光圈和快门被合称为“曝光三角形”。
它们共同作用决定了一张照片的曝光。
如果你使用过胶卷,很可能已经注意到在每一个胶卷盒子外面标注着的,表示胶片对光线敏感度的数字。
这个数字就是胶卷的“ISO”。
ISO数字越大,胶卷对光线就越敏感。
在数码摄影中,ISO扮演着相同的角色。
这就是:
ISO数字衡量着相机传感器对光线的敏感程度。
且同样是数字越大,传感器对光线就越敏感。
一款胶卷或一块传感器的ISO值由制造商来确定。
国际标准组织(简写为ISO)制定了一系列相关标准,制造商就遵循这些标准来为胶卷或传感器确定ISO值。
这些标准的作用是为确定ISO值提供一个统一的框架。
对数码相机来说,这些标准保证了具有相同ISO的传感器和胶卷对光线具有相同的敏感程度。
这意味着所有适用于胶片摄影的测光表与曝光技术,对数码摄影同样适用。
一段简短的历史介绍
ISO的定义实际上存在两种刻度,一种是线性刻度,另一种是对数刻度,即“ASA”和“DIN”。
创建于1987年的ISO感光度将这两种古老的刻度合二为一。
线性ISO使用古老的“ASA”刻度,而对数ISO则使用“DIN”刻度。
当出现两个数字时,它们需要用斜线“/”分开,而且对数值需要加上度数单位“°”。
例如:
“ISO200/24°”。
如果只写出一个数字,那么总是表示线性刻度。
例如:
“ISO200”。
在对数ISO刻度中,每两级感光度之间差3;而线性ISO刻度中,每两级感光度相差一倍。
在实际中,对数ISO已经不再使用。
因此,本文我们将忽略这一刻度,只讨论线性ISO。
我们已经知道,线性ISO刻度是成倍变化的。
换句话说,ISO200对光线的敏感度比ISO100强一倍。
ISO值和ISO范围
在谈到ISO时,实际上有两种说法:
ISO值和ISO范围。
前一个表示一种特定的感光度,也就是我们一般情况下说的“ISO多少”;后一个表示一段感光度范围。
在这个ISO范围内,照片的画质是“可以接受的”。
ISO范围决定了可以使用的ISO值的范围。
对胶片来说,改变ISO值需要改变冲洗液、温度或冲洗时间。
如果ISO值被提高了,就称其为“迫冲”;如果ISO值被降低,就称为“降感”。
对传感器来说,ISO值通过模拟或数字放大来实现。
在下文我们会详细讨论这种放大方法和其产生的结果。
胶片ISO
在讨论数码之前,我们先简单地提一下胶卷的ISO如何被确定。
为胶卷定义ISO的原理记录在3份独立的标准中:
《ISO6:
1993》、《ISO2240:
2003》和《ISO5800:
1987》。
它们分别适用于黑白负片、彩色反转片和彩色负片。
标准中记录的处理流程是用一系列规定的光亮照射待定胶片,然后对胶片分别用规定的显影液进行规定等级的显影。
在这一系列胶片中,当规定的最小密度出现时,就按照标准确定出了胶卷的ISO值。
这就是胶片的基准ISO。
通过迫冲或降感,胶卷的ISO可以被升高或降低。
降感会降低胶片的对比度,同时提高动态范围;迫冲则具有相反的效果,同时也会增加可见颗粒。
数码ISO
胶片通过曝光和显影来确定ISO。
不幸的是,这种方法不能用于传感器。
数码ISO必须通过其他的方法来确定。
确定数码ISO的具体方法记录在标准《摄影技术.数字静物照相机.曝光指数、ISO感光度标定值、标准输出灵敏度和推荐曝光指数的测定;ISO12232:
2006》中。
与胶片相同的是,传感器也有“基准ISO”。
对现代传感器来说通常是ISO100或ISO200。
基准ISO通常是传感器表现“最佳”的ISO,即动态范围最大且噪点最少。
佳能从未公布过其传感器的基准ISO。
不过佳能用户相信一些早期的佳能数码单反在ISO100下拥有最大动态范围和最少噪点,而后期的机型则在ISO200下表现最佳。
尼康早年曾经公布过数码单反传感器的基准ISO。
低于基准ISO的感光度被标为L0.3、L0.7和L1.0。
尼康公布过的机型中大部分基准ISO是ISO200。
从一些新机型(D3100和D7000)开始,尼康不再使用“L”设置,而是简单地把最低ISO标为ISO100。
经过测试,这些相机在ISO100下的动态范围比ISO200时的要小。
看起来尼康也开始学习佳能,不再公布基准ISO了。
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,组成一张照片。
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。
出了有效信号外,这个过程中也会产生噪点信号。
这些噪点包括了“暗电流”噪点(即使没有光照,传感器中也有电流)、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)。
动态范围和影调范围
传感器的动态范围是指从左边信号开始淹没噪点,到右边信号开始溢出之间的范围。
影调范围是指代表不同亮度级的可用位数。
动态范围和影调范围是有关的,而且有时可以互换。
但是,正如下面这张图所展示的那样,它们是彼此独立的东西。
我们可以得到动态范围高或低的图像数据,也可以得到影调范围高或低的数据,而且任何两种组合都可以同时出现(高动态范围高影调范围,高动态范围低影调范围,低动态范围高影调范围,低动态范围低影调范围)。
动态范围衡量从最暗到最亮可以记录多少信息。
通常用EV表示,相邻1EV表示光亮增加1级。
影调范围衡量在将真实世界的影调映射到记录媒介上时的过渡。
高影调范围数据的过渡非常平滑;低影调范围的过渡很生硬,在照片上能够看到明显的“色带”。
调整数码ISO
要想改变胶卷的ISO(迫冲或降感),必须对整卷胶卷以相同的ISO曝光。
正如每位数码相机用户都知道的:
数码相机的ISO可以对每张照片单独调整。
事实上,大部分数码相机都允许摄影师使用比基准ISO更低或更高的ISO。
当你改变ISO时,相机也会调整内部处理程序来适应新的ISO。
当你设置了一个比基准更高的ISO时,相机的测光系统会以此为基础来决定曝光。
数字化的RAW数据同样也会受到影响。
(通常是通过一个放大电路来实现,而且放大电路位于A/D转换器之前,即先放大电压信号,再数字化。
例如,如果在ISO100时的电压是100mV,调到ISO200时,电压就变成200mV,在ISO1600时电压变成1600mV,以此类推。
)
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。
下面展示的两张图片说明了这个问题。
这两张照片都用尼康D700拍摄,使用相同的光圈和快门(1/40s,f/5.6)。
左边的照片使用ISO3200拍摄,没有经过后期处理(使用ACR直接从RAW转成JPG)。
右边的照片使用ISO200拍摄(D700的基准ISO,欠曝4档),然后使用ACR增加4档曝光。
下方是两张照片的100%截图。
这组照片的对比说明提高ISO获得“正确的”曝光,比坚持用基准ISO拍摄(然后后期提高亮度)的噪点更少。
当我们迫冲胶卷时,增加的噪点有时会产生更好的视觉效果。
但提高数码相机ISO产生的噪点不会。
不过最新款的数码相机已经拥有出色的控噪性能,具有更好的高感画质。
使用比基准更低的ISO基本没有实际意义。
出于市场对低ISO的广泛要求,大部分相机都提供了低于基准的ISO。
然而,我们并不建议用户使用这些设置,这将导致损失动态范围。
这里我们做出解释:
当你设置一个低于基准的ISO时,光子井产生的电荷仍然由入射光的多少而决定,但是为了模拟低ISO效果,信号需要减弱。
这样做不会改变噪点层,所以传感器产生了与基准ISO相同的噪点,但有效信号却被减弱。
换句话说,使用低于基准的ISO没有带来任何好处(但给了快门速度更多选择)。
一部数码相机提供的ISO选择由制造商决定,他们会努力将噪点控制在一个可以接受的范围内,而基准ISO通常拥有最少的噪点。
关于ISO范围,ISO值的上限由最多可接受的噪点水平决定,而下限则由制造商认为可以接受的动态范围损失而决定。
由于曝光时间、温度和湿度会影响画质,在ISO标准中对每一项都做了规范。
在实际中,我们会在非常多变的环境中拍摄,不必考虑标准中的那些受到控制的实验条件,但(在实验室中得到的)ISO值仍然对画质具有参考价值。
使用更高位数的A/D转换器
在很长的一段时期内,12位A/D转换器被广泛地应用在数码相机中。
除了使用模拟放大电路外,也可以通过采用更高位数的A/D转换器来提高ISO。
A/D转换器中的1位表示1次倍增。
如果我们有一块基准为ISO100的传感器,在每个光子井输出不变的情况下,使用16位A/D转换器可以将感光度提高到ISO1600,而不需要使用放大电路。
有些相机就通过这项技术来提供高ISO,还有些相机将高位A/D转换器和放大电路结合起来使用。
使用16位A/D转换器不会减少噪点,因为数字倍增时噪点也会倍增,就像放大电路的结果一样。
不过,对未经放大的数码信号流可以采用其他的降噪技术,有些观点认为这种方式可以得到更好的控噪结果。
数码ISO与噪点
正如有些ISO400彩色反转片比其他ISO400胶片画质更好一样,有些传感器在指定ISO下也会比其他传感器画质更好。
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
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