2019-06-06

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                          "ISO" 不变性

                              胡亦鸣

    “ISO 不变性” 这个概念这两年在技术圈里很火，但普通摄影师很多人却没有听过它,那么，什么是ISO不变性？

  假设一天晚上，我们来到了灯火辉煌的一个城市中心，打算拍摄一张夜景。我们没有带三脚架，所以只能手持拍摄，为了保证清晰度，快门速度不能低于1/20秒。 光圈也已经开到了最大的f/2.8。但通过测光我们发现，如果用ISO 100　（相机的基准ISO），1/20秒，f/2.8拍摄，这张照片会欠曝六档,怎么办？ 
  我们这时候有两个可能的拍摄办法:第一个是把ISO提高六档，用ISO 6400, 1/20秒，f/2.8拍摄,这可能是大部分人的本能的选择。 第二个办法则是就用ISO 100，1/20秒，f/2.8这组参数拍摄，这样得到照片严重欠曝，几乎全黑,然后我们在后期软件里把照片RAW文件的曝光度加亮六档。
  这两个办法的哪一种效果会更好？
  提高ISO的本质，是让相机用放大电路把传感器得到的模拟电信号放大。而后期提亮的本质， 是用软件去放大已经曝光的数据。对5D Mark IV以前发表的所有佳能相机，还有大多数以前生产的别的厂家的相机来说，用高ISO拍摄的画质， 要明显好于后期提亮的效果，因为这样先欠曝再后期提亮，后期软件会放大原始数据里的读出噪声，导致暗部出现非常多的噪点。
  但是对很多使用最新一代低读噪声的索尼传感器的相机（如飞思CMOS后背，尼康D810/850, 尼康D750, 索尼A7RII,宾得K5等）来说，这两种办法的结果几乎完全一样。 如果一台相机能够在基准ISO下严重欠曝然后在后期里拉高曝光，却几乎完全不影响画质（和直接提高ISO相比），那么我们称这台相机具有“ISO 不变性”，或具有“无ISO”特性（英文称为ISO-less或ISO Invariance）。
  换一句话说，光圈/快门固定后（比如1/20秒，f/2.8），你不管用什么ISO拍摄，最后处理后的画面结果（亮度和噪点）都一样,ISO值根本不重要了。
  这是不是意味着我们可以随便用ISO值？
  不是，恰恰相反!这意味着:不管是白天拍风光还是夜间拍星空，我们都应该用尽可能低的ISO。而在以前，我们白天用低ISO，早晚和夜间用比较高的ISO,因为ISO值依然影响动态范围。,ISO越高，动态范围越小。
  动态范围大家总是挂在嘴边，可到底什么是动态范围？
  我们先定义一下什么是动态范围:动态范围指相机传感器同时能有效记录下来的最亮和最暗光线的对比。注意我们说的是“有效记录”， 也就是说画面最暗部分和最亮部分都不能明显丢失信息,换句话说：
• 画面高光处不能“死白”
• 画面最暗处不能“死黑”，也不能噪点多到无法分别出暗部细节。
  显然，宽容度受到两个因素影像： 噪点和过曝光宽容度。
  绝大多数噪点都在暗部。传感器噪点越低，宽容度越大。当代CMOS传感器数码相机的宽容度之所以表现惊人，主要原因就是技术的突破导致读出噪音非常小。
  在很多旧传感器设计里，对同一个画面和相同对光圈/快门组合，用高ISO拍摄对画面噪点更少（用低ISO拍摄一个欠曝照片然后后期拉亮会导致更多噪点）。但新一代CMOS不一样了，如前面例子显示的那样，多数相机具有ISO不变性或近似不变性，改变ISO对噪点表现没有影响，或者影响很小。
  那么过曝光宽容度呢？它主要取决越传感器能最多能容纳多少光子。这个能力和像素大小有关，像素越大，容许过曝的能力越好。
  同时这个能力也和ISO有关。
  我们可以把每一个像素想象成一个用来测量的小木桶。把入射光线想象成流水。当木桶里没有任何水的时候，木桶的测量输出是0 （相当于最黑）。当木桶满的时候，木桶的测量输出是255（相当于最白）。假设我们收集了10升水,如果用一个20升容量的木桶去测量，那么这个桶只是半满。木桶的输出是128。转换成画面亮度，这个亮度只是中等，是灰色，不够亮。
  那么，如果我们换一个10升的木桶去测量这个10升水呢？
现在木桶全满了，桶的输出是255。转换成画面亮度，这个亮度是最亮。也就是说，虽然水还是那么多水，但测量灵敏度提高了，结果是画面亮度大大提高。
  可是问题来了。如果进来11升水怎么办？木桶已经满了，超过10升后，它统统报告为255。也就是说高光部分一片死白，没任何细节。

  提高传感器的ISO值，等于把大桶换成小桶，画面是变亮了，但动态范围会明显变小。

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  上图显示了飞思IQ3100数码后背和宾得645Z中画幅相机的ISO值以及宽容度的关系。其他当代相机的表现非常类似。

  显然，ISO增加一倍，宽容度会大致降低一档。
  当然，实际情况取决于电路设计（比如有些传感器用了双增益设计）还有软件设计（有些机身的某些ISO值是靠机身内软件模拟而得到），但大致趋势是一样的。对大部分摄影师来说，我们真没必要去关系这曲线的绝对值和形状（天天在网上靠测试数据打嘴仗的水军和键盘摄影师除外），只需要知道大致趋势：
ISO越高，宽容度越低!
ISO越高，宽容度越低!
ISO越高，宽容度越低！
重要事情必须说三遍!!!
  好了，ISO不变性对摄影师意味着什么？
  首先我们假设你用RAW格式拍摄，不是直出党。用飞思的有直出党吗？我不信有。
  ISO不变性对用户有什么好处？简单的答案是它提供了好几档的额外的高光宽容度！回到我们最开始的在时代广场拍摄夜景的例子。 如果天色已经很晚，环境很黑，而那些灯火通明的户外广告牌和大楼的灯火又极其明亮，如果我们用ISO 6400拍摄，在最终照片里， 周边环境可能够亮，但灯光部分一定会严重过曝，失去细节。如果我们用ISO 100拍摄，那么画面整体严重欠曝，但高光部分没有溢出 – 我们多了6档高光宽容度！ 我们在后期处理的时候，可以有选择地只提亮欠曝的环境光部分，而保持户外广告牌等高光部分亮度不变,这样的最终效果要远远好于用ISO 6400拍摄的照片。
  我们用一组佳能5D4的对比图来说明，下图是用ISO 100, 30秒拍摄的一张夜景。我们可以看到灯光处细节都在，但整个场景非常暗：

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  下图是用ISO 1250, 30秒拍摄的同一处夜景。我们可以看到灯光处严重过曝光（哪怕我已经把高光拉到了-100），但整个场景亮度大致合适：

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  当我们把ISO 100, 30秒拍摄的那张后期提亮3.7档曝光，并压暗高光后，我们可以看到整体亮度和上图（ISO 1250, 30秒）类似，但灯光下的细节依然保留。

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  为了能更方便直观地比较一下效果，我把两张100%截图肩并肩放在了一起（左边是ISO 100那张，右边是ISO 1250那张）.我们可以看到左边一张的噪点还是比右边多一点点（但区别很小）。 因此5D Mark IV并不具有真正的ISO不变性, 只能算近似ISO不变性。不过据DPReview网站的测试，当ISO值在400以上后，5D Mark IV开始显示真正的ISO不变性特性了。

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    但是，左边那张的动态范围大多了，高光细节基本都保留了。

宽容度有用吗？ 你不是一直说对风光摄影师来说，宽容度没大用吗？反正都是在三脚架上拍摄，曝光合成是那么简单事情。
  高ISO有用吗？作为风光摄影师，不是一直应该用低ISO吗？对飞思3100/4150的用户来说，要得到最好的画质，应该用ISO 50.
  ISO不变性在风光摄影里的主要用途，是夜景风光 ，如星野摄影和北极光摄影。除非用赤道仪，否则拍摄星空/银河对曝光时间有严格限制，曝光时间稍微长一点星星就会拖尾。同样，拍摄北极光的时候，因为极光通常在高速舞动，我们多数时候也只能用几秒钟的曝光时间，否则会模糊成一片。
  多数人拍摄银河会用ISO 1600-6400，f/2.8, 15-30秒这样的曝光参数。拍摄北极光会用ISO 3200-6400，f/2.0-2.8, 1-10秒这样的曝光参数。
  但是，如果我们用具有ISO不变性特性的相机，那么不妨试一下用ISO 200-400，f/2.8, 30秒这样的组合。这样拍下的星空会非常黯淡，但我们可以在后期里提亮2-5档来得到和高ISO同样 的效果。星星其实有丰富的颜色。用高ISO拍摄的星空可能会有很多星星过曝，特别是一些比较明亮的行星。失去了五颜六色的色彩。前期欠曝然后后期提亮，则可以避免这个问题。
  既然有ISO不变性，为啥不用ISO50， f/2.8， 30秒这样的组合，然后后期提亮6-7档或更多？ 但这样的曝光组合会太暗，导致我们拍摄时候几乎看不清图像。另外ISO不变性是有限制的，我实际测试时候发现 ，有些机器（如IQ4150） ，后期提亮5-6挡以后，噪点还是稍微高于用高ISO拍摄的图片。
  去年我开始研究用飞思相机拍摄星空。很多人都以为拍摄星空只能靠135相机，因为飞思系统，不管是技术相机还是XF相机，都没有大光圈广角镜头，而飞思后背都高ISO性能也是一般，
  但我们做到了别人以前做不到的事。用飞思系统，拍赤道仪，再加上利用ISO不变性，我们可以得到极其震撼的，前所未有的星空画质。

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    这张照片的星空用了ISO400，然后后期拉亮数档。画面非常干净锐利。8月我的北京个人影展上，这幅作品会印出近2米大的高清晰灯箱。

  下面是一张6亿像素的星空！ 这应该创了记录了。 我们目前打算印出一张10米宽6米高的高精灯箱，可以想象一下震撼程度，不说拍摄本身的难度了，光是制作和安装这一巨幅作品，就是一个大工程和挑战，我们还在和专业公司讨论方案和细节，希望能实现。

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    好了，今年我们就讲到这里。希望对大家有所帮助，谢谢大家！