感光度

斯人記 2017-07-31

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一、膠片時(shí)代的ISO概念

　　ISO是“國際標(biāo)準(zhǔn)化組織”按照膠片對(duì)光線的化學(xué)反應(yīng)速度，而制定的膠片感光速度的標(biāo)準(zhǔn)，早在膠片時(shí)代我們的攝影生活就默默遵循這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，購買膠卷時(shí)包裝上都會(huì)標(biāo)示ISO 100、ISO 200、ISO400這樣的字樣，此處的ISO數(shù)值越大，表示膠卷的感光速度越快，意味著ISO數(shù)值高的膠卷，只需要較弱的光線就能使膠卷生成影像，以便在同樣亮度的光線條件下，可以使用較小的光圈或較高的快門速度，即感光度與所需的曝光量成反比。舉個(gè)例子來說，ISO 100的曝光速度比ISO 50快一倍，因?yàn)樵谙嗤闆r下使用ISO 50時(shí)曝光1/125秒，如果換用ISO 100的膠卷只要1/250秒。
　　在解釋數(shù)碼設(shè)備可隨意調(diào)節(jié)ISO感光度的原理之前，我們先來進(jìn)一步了解膠片時(shí)代的ISO相關(guān)的一些知識(shí)，相信對(duì)我們理解下文會(huì)有幫助。普通膠片相機(jī)是怎樣識(shí)別不同ISO數(shù)值的膠卷的呢？一切秘密都基于DX編碼系統(tǒng)。該系統(tǒng)最早用于圓盤照相機(jī)用的圓盤膠卷，后來發(fā)展到35mm膠卷系列中，并于1981年率先運(yùn)用在Kodak彩色膠卷VR 100上，接著日本的Fujifilm、Konica、德國的Agfa和英國的Scotch等較大的膠片公司，也相繼采用了DX編碼系統(tǒng)。
　　現(xiàn)在國內(nèi)外生產(chǎn)的彩色膠卷都帶有DX編碼，它業(yè)已成為現(xiàn)代膠卷的標(biāo)志。如圖1所示，DX編碼由膠卷暗盒外殼的矩形方塊編碼組成，總共有12位，每一位分別由銀白色或黑色方塊來表示導(dǎo)通和絕緣，膠片機(jī)通過讀取這個(gè)編碼來自動(dòng)判斷目前裝載的是什么感光速度的膠片。

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二、數(shù)碼相機(jī)的ISO原理

　　我們?cè)谂臄z活動(dòng)中改變數(shù)碼相機(jī)的感光速度并不需要更換膠卷，只需調(diào)節(jié)相機(jī)內(nèi)設(shè)ISO值即可，數(shù)碼相機(jī)是怎樣實(shí)現(xiàn)可隨意調(diào)節(jié)ISO的呢？相信這是令很多數(shù)碼愛好者費(fèi)解的問題，為了說清楚這個(gè)問題，我們首先要了解數(shù)碼相機(jī)內(nèi)部影像傳感器的信號(hào)傳輸原理。
　　1、CCD的信號(hào)傳輸原理
　　我們都知道當(dāng)光線透過鏡頭射到CCD上，相應(yīng)強(qiáng)度的電荷量就會(huì)被蓄積在感光電極之下，單位存儲(chǔ)電荷量的多少取決于單位感光單元受到光照的強(qiáng)弱，當(dāng)我們押下快門釋放開關(guān)時(shí)，各單位上的影像電信號(hào)被傳輸給模數(shù)信號(hào)處理組件（ADC/CDS），這一切動(dòng)作都必須受到相機(jī)內(nèi)部影像處理器的脈沖操控，通常被分成相互傳遞型和單一傳遞型兩種傳輸方式。
　　2、ISO原理的通俗理解
　　傳統(tǒng)膠卷的感光度是通過改變膠卷的化學(xué)成分，來改變它對(duì)光線的敏感度，而數(shù)碼相機(jī)的感光元件是不變的，現(xiàn)在步入正題通俗地說說原理吧。數(shù)碼相機(jī)普遍采用了電子信號(hào)放大增益技術(shù)，與ISO數(shù)值相對(duì)應(yīng)的是電子信號(hào)放大增益值，比如設(shè)定在標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)提供等同ISO100的增益幅度，對(duì)應(yīng)ISO200和400的增益值可通過提高增益幅度實(shí)現(xiàn)。那么增益幅度是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
　　提供高感光度時(shí)自然需要提供相應(yīng)的增益幅度，在輸出影像信號(hào)前都必須做相應(yīng)的信號(hào)放大，因?yàn)镃CD的輸出電平較低，尤其當(dāng)環(huán)境光線黯淡時(shí)，為了使影像發(fā)生量變，放大器就按相應(yīng)的ISO數(shù)值加大增益幅度。
　　此外，在給定的CCD面積內(nèi)增加像素?cái)?shù)會(huì)導(dǎo)致保持感光度變得困難。單位像素的面積減小，入射光強(qiáng)減弱，如果為了提高ISO數(shù)值，調(diào)用更高的增益值將會(huì)導(dǎo)致影像質(zhì)量的惡化。因此可愛的廠商又提供了一種解決方案，即在影像信號(hào)讀取時(shí)將CCD存儲(chǔ)的原始影像信號(hào)相加可相對(duì)提升感光度。通過將兩個(gè)像素信號(hào)相加并傳輸，便可獲得原來兩倍的感光度。但這種工作方式也有其缺陷，只適合較小的影像模式，因?yàn)橄袼財(cái)?shù)在處理中減半了。
　　影像業(yè)界第三種提供高ISO數(shù)值的解決方案是，采用把數(shù)個(gè)像素點(diǎn)當(dāng)成1個(gè)像素點(diǎn)來進(jìn)行感光的方式，從而提高感光速度。如圖5所示，比如標(biāo)準(zhǔn)的ISO100是對(duì)感光元件的每個(gè)像素點(diǎn)感光，要提高到ISO200的感光度，只需要把2個(gè)像素點(diǎn)當(dāng)成1個(gè)點(diǎn)來感光，就能獲得原本2倍的感光速度，如果要提高到ISO400的水平，一次類推只要把4個(gè)像素點(diǎn)當(dāng)成1個(gè)點(diǎn)來感光，便能獲得4倍的感光速度。與第二種方式的不同之處在于是合并像素后感光，而第二種方式則是對(duì)感光信號(hào)的疊加，故該工作方式對(duì)高像素機(jī)型較有優(yōu)勢，但噪點(diǎn)的產(chǎn)生比前兩種來的更為明顯。

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三、高ISO帶來的只有噪點(diǎn)

　　感光度對(duì)攝影的影響表現(xiàn)在兩方面。其一是速度，更高的感光度能獲得更快的快門速度，這一點(diǎn)比較容易理解；其二是畫質(zhì)，越低的感光度帶來更細(xì)膩的成像質(zhì)量，而高感光度的畫質(zhì)則是噪點(diǎn)比較大。說到這里順便導(dǎo)入一個(gè)概念——噪點(diǎn)，主要是指CCD將光線作為接收信號(hào)接收并輸出的過程中所產(chǎn)生的影像中的粗糙部分。那么噪點(diǎn)是怎么產(chǎn)生的呢？首先要明白對(duì)于作為電子產(chǎn)品的數(shù)碼相機(jī)來說，內(nèi)部的影像傳感器在工作中一定受到不同程度的來周邊電路和本身像素間的光電磁干擾，簡而言之就是拍攝出的圖片一定會(huì)存在噪點(diǎn)，這是不可避免的，我們看到的只是程度的輕重而已。
　　對(duì)于第一種提供高ISO數(shù)值的解決方案來說，在加大增益幅度的同時(shí)，噪點(diǎn)信息也被相應(yīng)放大，故在高ISO畫面中噪點(diǎn)也越發(fā)明顯；而第二種方式如上文所述那樣，在獲得高ISO的同時(shí)與成像相關(guān)的像素?cái)?shù)也會(huì)成倍縮減，為了保證成像尺寸原本的影像信息會(huì)被擴(kuò)大，噪點(diǎn)就這樣產(chǎn)生了；對(duì)于第三種解決方案而言，因?yàn)闇p少了感光像素，所以在白平衡過程中只有進(jìn)行像素插值才能得到完整的影像。相信這三條解釋并不難理解，對(duì)于現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)中流行的“降噪功能”就是為了消減第三種解決方案帶來的噪點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。相信經(jīng)過本文的論述，數(shù)碼相機(jī)擁有可變ISO感光度已不再是秘密了，雖然高ISO在噪點(diǎn)方面還是令我們有這樣那樣的擔(dān)憂，但為了獲得更高的快門速度和更明亮的畫面，這也算是一種不增加成本的折中解決方法。

引文來源感光度_百度百科

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