我们不妨来思考一下以下这些问题，看看自己能否回答：
感光度是如何定义的？
感光度跟曝光量有什么关系？
数码相机中的感光度跟胶片中的感光度是一回事吗？
提高ISO值，就相称于提高了数码相机的感光能力，这种说法对吗？为什么？
为什么ISO值越高，图像画质就会越差呢？
如果你一时答不上来，没紧要，由于很多人都不屑或者
不必急于知道答案，你须要做的是，带着以上这些问题，和影像君一起开启本日的拍照话题。
一、感光度是什么？所谓「感光度」，大略地说便是对光芒的敏感程度。它原来紧张是用来描述胶片中的感光物质与光发生光电效应的相应速率，因此它曾经有一个更为耳熟能详的名字——胶片速率（film speed）。
到了当代，随着光学、电子工程和工业技能的发达发展，感光度的定义也逐渐变得宽泛，它现在紧张指光敏材料（包括但不限于拍照用胶片）对光的敏感程度。本文紧张谈论的是拍照领域的感光度。
研究「光」这种看得见摸不着的东西已经很难，要研究一种材料对光的敏感程度，更是难上加难。那么，那些迎难而上的科学家们究竟是如何测定感光度的呢？
想知道问题的答案，我们还得从感光度测定的历史提及。
二、感光测定简史2.1 Warnerke
在1880年，生于俄国的波兰工程师Leon Warnerke（1837–1900）发明了第一款实用的感光度测定仪，并于次年投入商用。
这款仪器的外不雅观为木质框架构造，底层放置测试样本胶片，上一层是一块玻璃屏幕，上有25个不透明度依次递增的小方格（掌握光芒强度），测试时以镁带燃烧发出的光照射屏幕上涂有的磷光硫化钙物质，后者受引发而发光，从而致胶片显影。在给定曝光韶光内，将末了一个可见的显影方块上的数字定义为该材料的显影速率，以单位「度」（°W）表示，每一个方块即为1°W，以1/3每格的速率递增，数字越大，代表材料的胶片速率越快，对光芒越敏感。如图2-1所示：
图2-1，Photo via siep.org.au
为了纪念这位发明者，后人将其命名为「Warnerke感光度丈量系统」。
2.2 H&D
1890年，一位瑞士裔的英国化学家兼拍照爱好者Ferdinand Hurter和他的同事化学工程师Vero Charles Driffield，在大量实验的根本上，证明了黑白负片感光乳剂密度与对数曝光量之间的关系，并绘制成了一条曲线，命名为「H&D曲线」（如图2-3所示）。
图2-3
H&D曲线紧张分为4大部分：片基、趾部、线性部分和肩部。该丈量系统表明，胶片的感光度与曝光量成反比关系。
H&D丈量系统奠定了光学领域感光丈量的根本。
2.3 DIN
DIN原是「德国标准化组织」的德语简称，「DIN丈量系统」，详细是指1934年1月由DIN组织官方发布、编号为4512的感光度丈量标准（DIN:4512）。
该标准系在古人研究的根本上总结发展而来，其特点是，利用以10为底的对数与10的乘积来表示胶片感光度的灵敏度，用「数字/10度数+DIN」表示。举个例子：比如，A胶卷的感光度为「18/10°DIN」，B胶卷为「15/10°DIN」，表示两者相差3°，3约即是10log(2)，意即表示A的感光度是B的2倍。
2.4 ASA
ASA，全称为美国标准协会（American Standards Association）。1943年，在柯达胶片公司的研究根本上，并结合了通用电气和韦斯顿胶片速率评级系统，提出了黑白负片的速率评级标准。比较以往的主流标准，ASA最大的不同是利用了线性的评定量度，即算术标度而非对数标度，比如300ASA的感光度是100ASA的3倍。
2.5 ISO
ISO是国际标准化组织（International Organization for Standardization ）的简称，它是一个致力于标准化的国际性非营利组织。本日我们在拍照中常说的ISO值，实际上是代指该组织中有关感光度的丈量标准。现行数码相机中所利用的感光度ISO，详细是指1998年发布、2006年修订的关于静物摄影机的感光度标准ISO 12232:2019。
ISO感光度丈量标准综合了DIN系统的对数标度和ASA系统的算术标度，比如ISO 100/21°和ISO 200/24°，后者的感光度是前者的两倍。后来，人们常日习气把后面的对数标度省略不写，于是便成了我们现在常常在相机和手机中看到的ISO值。
理解了感光度测定简史，我们便知道了ISO与感光度之间的渊源。接下来，我们以胶片作为切入点，看看感光度是如何定义和丈量的。
三、胶片感光度（ISO）3.1 胶片构造
胶片（film，即「菲林」）之以是能曝光，归功于其表面的那一层、薄约10微米的感光乳剂，其紧张成份为溴化银（AgBr）、氯化银（AgCl）和碘化银（AgI） 等一类卤化银物质。它们遇光后会发生化学反应，银离子变成了金属银附着于胶片表面，然后经由显影、定影、冲洗和晾晒等暗房处理，便完成了一张照片的冲洗。
卤化银的颗粒大小决定了胶片的感光能力：颗粒越大，单位韶光内发生化学反应的概率也就越大，所谓的「胶片速率」（即感光度）也就越高。因此，高感胶片（比如：高于ISO400）也称为「快胶片」（fast film）。
图3-1为黑白胶片构造示意图：
图3-1
影响胶片敏感度的成分可以有很多，如胶片厂商（类型）、工艺化学（污染、温度、韶光等）和曝光条件（时长、光芒波长）等，如图3-2所示。
图3-2
现行的胶片ISO值是基于「H&D曲线」研究理论而测定的。该曲线表示的是「光密度」与「对数曝光值」之间的关系。要理解胶片感光度是如何丈量的，我们先要理解作甚「光密度」。
3.2 光密度
假设有一束100单位的入射光照射在光学介质上，个中有50单位的光从中穿透而过，则此介质的透光率（透射光强度 /入射光强度）为：50/100=0.5；而不透明度则与透光率互为倒数，即为100/50=2。光学上定义不透明度的对数值（以10为底）为光密度（optical density），因此，该介质的光密度为lg(2)=0.3。三者的关系如图3-3所示[1]：
图3-3
光密度与透光率之间的关系如图3-4所示：
图3-4, Photo by Sprawls
由此可见，光密度越大，透射的光芒越弱，即抵达胶片的光芒数量越少。
3.3 胶片感光度测定
以黑白胶片为例。通过不同光密度（即不透明度的对数值）的滤镜，改变抵达胶片的光芒强度，并记录相应的对数曝光量，于是便绘制出了一条感光丈量曲线（H&D曲线）[2]，如图3-5所示：
图3-5
在曲线上取两点M和N，M的光密度为片基（无感光乳剂，不能感光）的根本上加0.1单位，N的光密度比M大0.8，对数曝光量比M大1.3，则定义此胶片的胶片速率S为：
S = 0.8 / Hm
个中，Hm为M点的曝光量，单位为勒秒。
打算结果四舍五入后得到一个整数，通过对照ISO胶片速率表，即得到了该胶片的ISO值。
由公式可知，胶片速率与曝光量成反比，即：胶片速率越大（即感光度越高），其累积的曝光量越小。
若胶片为彩色负片（color negative film），其构造则相对繁芜一些。胶片表面除了有紫外线过滤涂层（UV filter）之外，还有蓝、绿、红三种感光涂层，因此，在测定其感光度的时候，对数曝光量应取三者的均匀值，然后再根据胶片速率的定义公式打算出感光度。如图3-6所示：
图3-6，Photo by Francois.
以上是关于胶片的感光度。那么数码相机的感光度又是如何衡量的呢？
四、数码相机感光度（ISO）到了数码相机时期，基于传统利用习气，依然沿用了胶片时期的「感光度」这个术语，但它只是名义上的「胶片速率」。
提到数码相机的感光度，很多人仅凭直觉便「天经地义」地这样认为：
数码相机的感光度越高，表示得到的曝光量越多，因此相机的感光能力也越强。
实在，这里面有两个范例的缺点认知：
（1）由第三节中我们先容的感光度的定义可知，感光度与曝光量成反比关系，而非正比，这与我们的「直觉」是相反的；
（2）与胶片不同，数码相机的「感光能力」或者「对光的敏感度」由影像传感器（芯片中的某一层）决定，它在出厂封装后便已是固定不变，与ISO值无关。
那数码相机的感光度又是如何打算的呢？
4.1 ISO测定
为了便于工业化生产和消费者利用，数码相机利用的是与胶片速率一样的感光度测定标准——ISO 12232。为了实现这种目标，该标准为数码相机系统供应了4种感光速率测定办法：
基于饱和度的感光速率、基于噪声的感光速率、标准输出敏感度（SOS）和推举曝光指数（REI）。
限于篇幅，下面只大略先容前两种方法。
基于饱和度的感光速率（Saturation-based speed）跟快门、光圈大小、现场亮度有关，其打算公式为：
个中，L为场景亮度，t为曝光韶光，N为光圈值。
基于噪声的感光速率（Noise-based speed）的打算则更加繁芜，我们没必要理解它的打算公式，只需知道它跟旗子暗记的「信噪比」（旗子暗记强度/噪声强度）有关。系统常日取两个比值，若信噪比为40：1，则认为光照条件良好，画质精良；若为10：1，则认为光照条件较差，画质勉强可接管。
相机系统会在测光时，同时用几种方法测定当前参数组合下的曝光水平，并根据干系算法，决定上报哪一种办法的丈量结果。
上面我们已经说到，传感器的光敏能力是固定的，那为什么提高ISO可以得到更通亮的图像呢？难道是增加了它的感光能力了吗？
为了找到答案，我们须要先大致理解数码相机的事情事理。
4.2 光旗子暗记与电旗子暗记
数码相机捕捉和处理图像的过程大致可分为「仿照」和「数字」两部分：
仿照部分：光芒经物体反射进入镜头，在镜头内部经由多重折射后聚焦于一点，末了再次折射、发散，进入影像传感器。由第一层的「马赛克滤镜」过滤不同波长（紧张为红、绿、蓝三种）的光，第二层的影像传感器捕捉光旗子暗记，后经仿照电子元件将光旗子暗记转换为仿照电子旗子暗记。此为光旗子暗记的仿照部分处理流程。
数字部分：仿照电子元件的下一层是模数旗子暗记转换器（ADC），后者将仿照电旗子暗记转换为数字电旗子暗记，卖力旗子暗记的「数字化」。然后由数字影像处理器对数字旗子暗记进行剖析、编译、降噪、压缩等一系列处理，末了将图像数据存储进SD卡。
图4-1为数码相机影像处理器的事情事理示意图：
图4-1：影像处理器事情事理示意图。
我们可以看到，芯片第二层的「影像传感器」便相称于胶片中的感光乳剂，它决定了相机对光芒的敏感程度，后者在芯片封装之后便确定了下来，不可改变。
那「增加感光度」该当如何理解呢？
4.3 旗子暗记放大
光旗子暗记进入镜头后，在数码相机的传感器上发生光电效应后转化为电旗子暗记，此时还是一种仿照旗子暗记，在进入模数旗子暗记转换器（ADC）之前，还要经由电路中的「放大器」，后者用于处理传感器输出的电旗子暗记，提高相机的感光度实质上便是放大影像传感器的输出旗子暗记。我们看到提高感光度后的图像更通亮了，实在是由于放大了原有旗子暗记，而非增加了图像曝光量。数码相机利用不同的放大倍率，供应一种类似于不同胶片感光度的功能。如今的相机基本都能达到几万ISO，乃至可以扩展至几十万ISO。
然而，在放大有用旗子暗记的同时，也无可避免地放大了有害的噪声（noise），后者会对图像数据的处理构成滋扰（如图4-2所示）。因此，ISO调得越高，照片的噪点也会越多，画质也会变差。
图4-2
影像君在之前的文章《拍照知识科普 | 你最熟习的「快门」，却藏有这些你最陌生的认知》[3]曾先容过数码相机的两种芯片：CCD和CMOS。这两种芯片的旗子暗记放大机制有所不同，CCD只有一个放大器，对电旗子暗记放大一次后便输入至ADC；而CMOS则不同，它在每个感光单元（即每个像素）都内置了一个独立放大器，虽然旗子暗记处理的效率提高了，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）的状态下，CMOS处理的图像会比CCD拥有更多噪点，此亦为CMOS的不敷之处。
鉴于此，一些相机会内置软件降噪功能，通过后期处理的办法使高感图像看起来更平滑，给人以「噪点变少」的错觉，但付出的代价便是丢失了大量暗部细节。因此，在实际拍摄中，究竟利用多高的可用感光度，须要你在画质和细节之间权衡。
结语从胶片到数码相机，我们聊了许多关于「感光度」的话题。它就像快门、光圈，很熟习、很常见，是险些每一位拍照学习者都会常常打仗到的一个主要参数。它司空见惯，以至于我们自以为对其管窥蠡测，深入个中才创造，实在尚存在诸多误解与偏见。能随口说出一堆专业术语固然不错，但并不即是你真正节制了许多拍照知识。影像的天下如此广袤，如此深邃，我们唯有虚怀若谷，潜心探索，方能逐一领略。
参考文献[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，《拍照知识科普 | 你最熟习的「快门」，却藏有这些你最陌生的认知》。
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