如何确定感光度(ISO)？它对数码照片有何影响？

这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：“ISO 200/24°”。如果只写出一个数字，那么总是表示线性刻度。例如：“ISO 200”。

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，ISO 200对光线的敏感度比ISO 100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：《ISO 6:1993》、《ISO 2240:2003》和《ISO 5800:1987》。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；ISO 12232:2006》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ISO 100或ISO 200。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ISO 100下拥有最大动态范围和最少噪点，而后期的机型则在ISO 200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ISO 200。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ISO 100。经过测试，这些相机在ISO 100下的动态范围比ISO 200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）。