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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，你真的了解它嗎？

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么關(guān)系？

數(shù)碼相機(jī)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(dāng)于提高了數(shù)碼相機(jī)的感光能力，這種說法對嗎？為什么？

為什么ISO值越高，圖像畫質(zhì)就會(huì)越差呢？

如果你一時(shí)答不上來，沒關(guān)系，因?yàn)楹芏嗳硕疾恍蓟蛘邞械萌ド钊胨伎歼@些問題�！父泄舛取惯@個(gè)詞可能是一個(gè)最容易被人誤解、最受委屈的攝影專業(yè)術(shù)語。為什么這樣說？

不必急于知道答案，你需要做的是，帶著以上這些問題，和影像君一起開啟今天的攝影話題。

一、感光度是什么？

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(zhì)與光發(fā)生光電效應(yīng)的響應(yīng)速度，因此它曾經(jīng)有一個(gè)更為耳熟能詳?shù)拿�字——膠片速度（film speed）。

到了現(xiàn)代，隨著光學(xué)、電子工程和工業(yè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，感光度的定義也逐漸變得寬泛，它現(xiàn)在主要指光敏材料（包括但不限于攝影用膠片）對光的敏感程度。本文主要討論的是攝影領(lǐng)域的感光度。

研究「光」這種看得見摸不著的東西已經(jīng)很難，要研究一種材料對光的敏感程度，更是難上加難。那么，那些迎難而上的科學(xué)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，生于俄國的波蘭工程師Leon Warnerke（1837–1900）發(fā)明了第一款實(shí)用的感光度測定儀，并于次年投入商用。

這款儀器的外觀為木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，底層放置測試樣本膠片，上一層是一塊玻璃屏幕，上有25個(gè)不透明度依次遞增的小方格（控制光線強(qiáng)度），測試時(shí)以鎂帶燃燒發(fā)出的光照射屏幕上涂有的磷光硫化鈣物質(zhì)，后者受激發(fā)而發(fā)光，從而致膠片顯影。在給定曝光時(shí)間內(nèi)，將最后一個(gè)可見的顯影方塊上的數(shù)字定義為該材料的顯影速度，以單位「度」（°W）表示，每一個(gè)方塊即為1°W，以1/3每格的速度遞增，數(shù)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：

圖2-1，Photo via siep.org.au

為了紀(jì)念這位發(fā)明者，后人將其命名為「Warnerke感光度測量系統(tǒng)」。

2.2 H&D

1890年，一位瑞士裔的英國化學(xué)家兼攝影愛好者Ferdinand Hurter和他的同事化學(xué)工程師Vero Charles Driffield，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，證明了黑白負(fù)片感光乳劑密度與對數(shù)曝光量之間的關(guān)系，并繪制成了一條曲線，命名為「H&D曲線」（如圖2-3所示）。

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(tǒng)表明，膠片的感光度與曝光量成反比關(guān)系。

H&D測量系統(tǒng)奠定了光學(xué)領(lǐng)域感光測量的基礎(chǔ)。

2.3 DIN

DIN原是「德國標(biāo)準(zhǔn)化組織」的德語簡稱，「DIN測量系統(tǒng)」，具體是指1934年1月由DIN組織官方發(fā)布、編號(hào)為4512的感光度測量標(biāo)準(zhǔn)（DIN:4512）。

該標(biāo)準(zhǔn)系在前人研究的基礎(chǔ)上總結(jié)發(fā)展而來，其特點(diǎn)是，使用以10為底的對數(shù)與10的乘積來表示膠片感光度的靈敏度，用「數(shù)字/10度數(shù)+DIN」表示。舉個(gè)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約等于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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（American Standards Association）。1943年，在柯達(dá)膠片公司的研究基礎(chǔ)上，并結(jié)合了通用電氣和韋斯頓膠片速度評級(jí)系統(tǒng)，提出了黑白負(fù)片的速度評級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。相比以往的主流標(biāo)準(zhǔn)，ASA最大的不同是使用了線性的評定量度，即算術(shù)標(biāo)度而非對數(shù)標(biāo)度，比如300ASA的感光度是100ASA的3倍。

2.5 ISO

ISO是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization ）的簡稱，它是一個(gè)致力于標(biāo)準(zhǔn)化的國際性非營利組織。今天我們在攝影中常說的ISO值，實(shí)際上是代指該組織中有關(guān)感光度的測量標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)行數(shù)碼相機(jī)中所使用的感光度ISO，具體是指1998年發(fā)布、2006年修訂的關(guān)于靜物攝影機(jī)的感光度標(biāo)準(zhǔn)ISO 12232:2019。

ISO感光度測量標(biāo)準(zhǔn)綜合了DIN系統(tǒng)的對數(shù)標(biāo)度和ASA系統(tǒng)的算術(shù)標(biāo)度，比如ISO 100/21°和ISO 200/24°，后者的感光度是前者的兩倍。后來，人們通常習(xí)慣把后面的對數(shù)標(biāo)度省略不寫，于是便成了我們現(xiàn)在經(jīng)常在相機(jī)和手機(jī)中看到的ISO值。

了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(diǎn)，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(jié)構(gòu)

膠片（film，即「菲林」）之所以能曝光，歸功于其表面的那一層、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(zhì)。它們遇光后會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，銀離子變成了金屬銀附著于膠片表面，然后經(jīng)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(shí)間內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的概率也就越大，所謂的「膠片速度」（即感光度）也就越高。因此，高感膠片（比如：高于ISO400）也稱為「快膠片」（fast film）。

圖3-1為黑白膠片結(jié)構(gòu)示意圖：

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(xué)（污染、溫度、時(shí)間等）和曝光條件（時(shí)長、光線波長）等，如圖3-2所示。

圖3-2

現(xiàn)行的膠片ISO值是基于「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(shù)曝光值」之間的關(guān)系。要了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(shè)有一束100單位的入射光照射在光學(xué)介質(zhì)上，其中有50單位的光從中穿透而過，則此介質(zhì)的透光率（透射光強(qiáng)度 /入射光強(qiáng)度）為：50/100=0.5；而不透明度則與透光率互為倒數(shù)，即為100/50=2。光學(xué)上定義不透明度的對數(shù)值（以10為底）為光密度（optical density），因此，該介質(zhì)的光密度為lg(2)=0.3。三者的關(guān)系如圖3-3所示[1]：

圖3-3

光密度與透光率之間的關(guān)系如圖3-4所示：

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(dá)膠片的光線數(shù)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(shù)值）的濾鏡，改變抵達(dá)膠片的光線強(qiáng)度，并記錄相應(yīng)的對數(shù)曝光量，于是便繪制出了一條感光測量曲線（H&D曲線）[2]，如圖3-5所示：

圖3-5

在曲線上取兩點(diǎn)M和N，M的光密度為片基（無感光乳劑，不能感光）的基礎(chǔ)上加0.1單位，N的光密度比M大0.8，對數(shù)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(diǎn)的曝光量，單位為勒秒。

計(jì)算結(jié)果四舍五入后得到一個(gè)整數(shù)，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(fù)片（color negative film），其結(jié)構(gòu)則相對復(fù)雜一些。膠片表面除了有紫外線過濾涂層（UV filter）之外，還有藍(lán)、綠、紅三種感光涂層，因此，在測定其感光度的時(shí)候，對數(shù)曝光量應(yīng)取三者的平均值，然后再根據(jù)膠片速度的定義公式計(jì)算出感光度。如圖3-6所示：

圖3-6，Photo by Francois.

以上是關(guān)于膠片的感光度。那么數(shù)碼相機(jī)的感光度又是如何衡量的呢？

四、數(shù)碼相機(jī)感光度（ISO）

到了數(shù)碼相機(jī)時(shí)代，基于傳統(tǒng)使用習(xí)慣，依然沿用了膠片時(shí)代的「感光度」這個(gè)術(shù)語，但它只是名義上的「膠片速度」。

提到數(shù)碼相機(jī)的感光度，很多人僅憑直覺便「理所當(dāng)然」地這樣認(rèn)為：

數(shù)碼相機(jī)的感光度越高，表示獲得的曝光量越多，因此相機(jī)的感光能力也越強(qiáng)。

其實(shí)，這里面有兩個(gè)典型的錯(cuò)誤認(rèn)知：

（1）由第三節(jié)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(guān)系，而非正比，這與我們的「直覺」是相反的；

（2）與膠片不同，數(shù)碼相機(jī)的「感光能力」或者「對光的敏感度」由影像傳感器（芯片中的某一層）決定，它在出廠封裝后便已是固定不變，與ISO值無關(guān)。

那數(shù)碼相機(jī)的感光度又是如何計(jì)算的呢？

4.1 ISO測定

為了便于工業(yè)化生產(chǎn)和消費(fèi)者使用，數(shù)碼相機(jī)使用的是與膠片速度一樣的感光度測定標(biāo)準(zhǔn)——ISO 12232。為了實(shí)現(xiàn)這種目標(biāo)，該標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)提供了4種感光速度測定方式：

基于飽和度的感光速度、基于噪聲的感光速度、標(biāo)準(zhǔn)輸出敏感度（SOS）和推薦曝光指數(shù)（REI）。

限于篇幅，下面只簡單介紹前兩種方法。

基于飽和度的感光速度（Saturation-based speed）跟快門、光圈大小、現(xiàn)場亮度有關(guān)，其計(jì)算公式為：

其中，L為場景亮度，t為曝光時(shí)間，N為光圈值。

基于噪聲的感光速度（Noise-based speed）的計(jì)算則更加復(fù)雜，我們沒必要了解它的計(jì)算公式，只需知道它跟信號(hào)的「信噪比」（信號(hào)強(qiáng)度/噪聲強(qiáng)度）有關(guān)。系統(tǒng)通常取兩個(gè)比值，若信噪比為40：1，則認(rèn)為光照條件良好，畫質(zhì)優(yōu)異；若為10：1，則認(rèn)為光照條件較差，畫質(zhì)勉強(qiáng)可接受。

相機(jī)系統(tǒng)會(huì)在測光時(shí)，同時(shí)用幾種方法測定當(dāng)前參數(shù)組合下的曝光水平，并根據(jù)相關(guān)算法，決定上報(bào)哪一種方式的測量結(jié)果。

上面我們已經(jīng)說到，傳感器的光敏能力是固定的，那為什么提高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，我們需要先大致了解數(shù)碼相機(jī)的工作原理。

4.2 光信號(hào)與電信號(hào)

數(shù)碼相機(jī)捕捉和處理圖像的過程大致可分為「模擬」和「數(shù)字」兩部分：

模擬部分：光線經(jīng)物體反射進(jìn)入鏡頭，在鏡頭內(nèi)部經(jīng)過多重折射后聚焦于一點(diǎn)，最后再次折射、發(fā)散，進(jìn)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(lán)三種）的光，第二層的影像傳感器捕捉光信號(hào)，后經(jīng)模擬電子元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電子信號(hào)。此為光信號(hào)的模擬部分處理流程。

數(shù)字部分：模擬電子元件的下一層是模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器（ADC），后者將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，負(fù)責(zé)信號(hào)的「數(shù)字化」。然后由數(shù)字影像處理器對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、編譯、降噪、壓縮等一系列處理，最后將圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)SD卡。

圖4-1為數(shù)碼相機(jī)影像處理器的工作原理示意圖：

圖4-1：影像處理器工作原理示意圖。

我們可以看到，芯片第二層的「影像傳感器」便相當(dāng)于膠片中的感光乳劑，它決定了相機(jī)對光線的敏感程度，后者在芯片封裝之后便確定了下來，不可改變。

那「增加感光度」應(yīng)該如何理解呢？

4.3 信號(hào)放大

光信號(hào)進(jìn)入鏡頭后，在數(shù)碼相機(jī)的傳感器上發(fā)生光電效應(yīng)后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，此時(shí)還是一種模擬信號(hào)，在進(jìn)入模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前，還要經(jīng)過電路中的「放大器」，后者用于處理傳感器輸出的電信號(hào)，提高相機(jī)的感光度本質(zhì)上就是放大影像傳感器的輸出信號(hào)。我們看到提高感光度后的圖像更明亮了，其實(shí)是因?yàn)榉糯罅嗽�有信�?hào)，而非增加了圖像曝光量。數(shù)碼相機(jī)利用不同的放大倍率，提供一種類似于不同膠片感光度的功能。如今的相機(jī)基本都能達(dá)到幾萬ISO，甚至可以擴(kuò)展至幾十萬ISO。

然而，在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也無可避免地放大了有害的噪聲（noise），后者會(huì)對圖像數(shù)據(jù)的處理構(gòu)成干擾（如圖4-2所示）。因此，ISO調(diào)得越高，照片的噪點(diǎn)也會(huì)越多，畫質(zhì)也會(huì)變差。

圖4-2

影像君在之前的文章《攝影知識(shí)科普 | 你最熟悉的「快門」，卻藏有這些你最陌生的認(rèn)知》[3]曾介紹過數(shù)碼相機(jī)的兩種芯片：CCD和CMOS。這兩種芯片的信號(hào)放大機(jī)制有所不同，CCD只有一個(gè)放大器，對電信號(hào)放大一次后便輸入至ADC；而CMOS則不同，它在每個(gè)感光單元（即每個(gè)像素）都內(nèi)置了一個(gè)獨(dú)立放大器，雖然信號(hào)處理的效率提高了，但底噪也因放大器的增多而抬升了。于是，在高ISO（高放大倍率）的狀態(tài)下，CMOS處理的圖像會(huì)比CCD擁有更多噪點(diǎn)，此亦為CMOS的不足之處。

鑒于此，一些相機(jī)會(huì)內(nèi)置軟件降噪功能，通過后期處理的方式使高感圖像看起來更平滑，給人以「噪點(diǎn)變少」的錯(cuò)覺，但付出的代價(jià)就是損失了大量暗部細(xì)節(jié)。因此，在實(shí)際拍攝中，究竟使用多高的可用感光度，需要你在畫質(zhì)和細(xì)節(jié)之間權(quán)衡。

結(jié)語

從膠片到數(shù)碼相機(jī)，我們聊了許多關(guān)于「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(xué)習(xí)者都會(huì)經(jīng)常接觸到的一個(gè)重要參數(shù)。它司空見慣，以至于我們自以為對其了如指掌，深入其中才發(fā)現(xiàn)，其實(shí)尚存在諸多誤解與偏見。能隨口說出一堆專業(yè)術(shù)語固然不錯(cuò)，但并不等于你真正掌握了許多攝影知識(shí)。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(lǐng)略。

參考文獻(xiàn)

[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；

[3]影像派，《攝影知識(shí)科普 | 你最熟悉的「快門」，卻藏有這些你最陌生的認(rèn)知》。

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