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一、胶片感光度（Film Speed）

来源

1.1 DIN

The DIN system, officially DIN standard 4512 by the Deutsches Institut für Normung (then known as the Deutscher Normenausschuß (DNA)), was published in January 1934.

The DIN system was inspired by Scheiner's system, but the sensitivities were represented as the base 10 logarithm of the sensitivity multiplied by 10, similar to decibels.

1.2 ASA

Based on earlier research work by Loyd Ancile Jones (1884–1954) of Kodak and inspired by the systems of Weston film speed ratings and General Electric film values, the American Standards Association (now named ANSI American National Standards Institute) defined a new method to determine and specify film speeds of black-and-white negative films in 1943.

The ASA scale is a linear scale, that is, a film denoted as having a film speed of 200 ASA is twice as fast as a film with 100 ASA.

1.3 Current system: ISO

The ASA and DIN film speed standards have been combined into the ISO standards since 1974.

The ISO system defines both an arithmetic and a logarithmic scale. The arithmetic ISO scale corresponds to the arithmetic ASA system.

The determination of ISO speeds with digital still-cameras is described in ISO 12232:2019 (first published in August 1998, revised in April 2006, corrected in October 2006 and again revised in February 2019).

Commonly, the logarithmic speed is omitted; for example, "ISO 100" denotes "ISO 100/21°"来源, while logarithmic ISO speeds are written as "ISO 21°" as per the standard.

二、噪声与信噪比

半客观确定噪点：PS 框选均匀颜色区域，查看图片标准差。

从胶片时代到数码时代，更高的 ISO 都导致了更低信噪比。从电信的角度分析信号与噪声的关系 来源：

光电过程.png

ISO_噪声示意.png

ISO_信噪比分析.png

2.1 SNR

均方差定义为 来源：

\[ MSE = \frac{1}{mn} \sum_{i=0}^{m-1}\sum_{j=0}^{n-1}|I(i,j) - K(i,j)|^2 \]

峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR）是一个表示信号最大可能功率与影响它的破坏性噪声功率之比的工程术语，计算公式：

\[ PSNR = 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{MAX_I^2}{MSE}\right) = 20 \cdot \log_{10}\left(\frac{MAX_I}{\sqrt{MSE}}\right) \]

其中 \(MAX_I\) 表示图像深度，8 位表示 255。对于每点有 RGB 三个值的彩色图像，PSNR 的定义类似，只是均方误差是所有方差之和除以图像尺寸再除以 3。

信噪比（SNR）：信号功率与噪声功率之比（对数刻度，单位 dB）。

\[ SNR = 10 \cdot \log_{10}\left(\frac{\sum_{i=0}^{m-1}\sum_{j=0}^{n-1}|I(i,j)|^2}{MSE}\right) = 20 \cdot \log_{10}\left(\frac{Signal}{Noise}\right) \,\textrm{dB} \]
  • S/N 为 60dB（比率为 1000:1）时，图像质量优良，不出现噪声 来源；
  • S/N 为 50dB（比率为 316:1）时，图像有少量噪声，但图像质量算好；
  • S/N 为 40dB（比率为 100:1）时，图像有一定的精细颗粒或雪花，图像的精细结构受到一定的损失；
  • S/N 为 30dB（比率为 32:1）时，图像将是有大量噪声的劣质图像；
  • S/N 为 20dB（比率为 10:1）时，图像就不能使用。

一般摄像机的信噪比在 50~60dB 之间，录像机在 40~50dB 之间。

三、ISO 的量化

来源

测试条件：照度、温湿度、白平衡、关闭有损压缩、使用红外截止滤光片，感光单元的积分时间小于 1/30，不应有 RAW 图计算……

The measurement should be made using a test card for a flat-field image at a distance of at least one meter, using only the portion of the field of view of the image sensor that is subtended by an angle of less than 10°. If the lens focus can be manually adjusted, it should be set to the infinity position.

在上述测试条件下，通过亮度计算照度：

\[ H_m = \frac{65 L_a t}{100 A^2} \]
  • 最大曝光量（maximum exposure level）：避免由数字或模拟引起的高光钳位。
  • 最小曝光量（minimum exposure level）：可容忍的最小信噪比。

彩色照片要从 RGB 转出 Y 值。

Exposure Index 获取方法：

  • Saturation-based calculations：获得 \(I_{sat}\)。
  • Noise-based calculations：获得 \(I_{S/R40}\)。

where the S/N values of 40 for the "first excellent" image and 10 for the "first acceptable" image.

最终：

\[ ISO = report(I_{S/R40}),\quad I_{S/R40} > I_{sat} \]
\[ ISO = report(I_{sat}),\quad I_{S/R40} < I_{sat} \]

后者：信噪比 40 要求的曝光量大于最大曝光量，故 \(I_{S/R40}\) 是无法获取的。

最后还是没解答自己的疑惑：

  1. 这么复杂策略下，如何保证 ISO 和 Film Speed 是线性相关的？
  2. EI 公式中的 K 值如何确定？
  3. 不同传感器的相同 ISO 下，是否能得到同样曝光的图片？

四、ISO 控制技巧

以下皆为摘抄。

  1. 优先提高物理进光量，向右曝光。
  2. 提高 ISO 会造成有效动态范围线性下降，污染画面暗部。
  3. 某些相机具有"ISO 不变性"，如果主体位于高光区，可以使用较低 ISO。
  4. 为了保证色彩还原，必须获得足够亮度的照片（ISO 不能过低）。
  5. 某些相机采用可变增益，具有 ISO 的甜蜜点。
  1. "宁欠勿过"是个很早年数码机器的拍摄口诀，是由于当年传感器的动态表现不佳，对于现在的 CMOS 特性已经不适用。
  2. 向右曝光的关键核心是保证白电平不出现白切的情况下，尽可能使直方图靠右。由于放大的特性，可知在前端放大比后端放大得到的信号质量更好。
  3. 向右曝光应用在视频领域更广泛，对于视频有限的动态下更需要前期尽可能保证信噪比水平，尤其是在开启了 log Gamma 的光电转换函数模式的记录时——如果压低整体信号水平，由于 log 曲线的光电记录特性，暗部的信号被分配的比特数（灰阶数）相对较少，后期提升之后暗部噪点水平会异常糟糕。
  4. "ISO-less"特性确实是非常好的一个设计，但在视频记录时这个特性能发挥的作用有限，还是需要配合向右曝光来辅助提升暗部的表现，原因就在于 OETF 曲线的关系。
  5. EI 与 ISO：熟悉电影摄影机的朋友应该知道 ARRI 电影摄影机包括索尼 FX/FS 系列摄影机，菜单中并没有叫 ISO 而是叫 EI（曝光指数）。实际上传感器的放大电路一般只有一套，具备双原生 ISO 的传感器有两套物理的放大电路；改变 ISO 并不能改变物理层面放大电路的放大倍率，而是后续的放大算法算出来的。EI 值就是这么个东西——改变 EI 值不意味着改变了 ISO 或改变了后续放大倍率，而是把整体的动态范围上下移动，改变了高光和阴影在动态范围中的分配。

按照我的经验，拍银河反而应该尽可能提高 ISO 去过曝。如果在没有地景的情况下我会提高比如 +1/3、+2/3。有地景的情况下，通常地景应当是欠曝很多的（否则地上有个灯也就没得星星拍了），就尽量保留星空的细节去过曝，比如 +1 甚至更多。比如我的镜头 20F1.4，在环境极暗的情况，拍星空正常曝光是 F1.4 13s ISO2000 左右，但是拍银河的时候，我就会把 ISO 拉到 3200，如果有地景可能会拉更高到 4000。

另外，在大光比的情况，特别是日出日落这样，太阳可能在画面主体位置，尽量还是使用滤镜，比如 GND，去减少光比才是最好的办法。如果没有滤镜或者滤镜不合适的情况下，首先应当考虑你要拍什么，保证明确主体是正常曝光的情况下，再去微调过曝还是欠曝。

总之过分的欠曝、过曝都是不可行的，哪怕是双增益的相机在同一个 ISO 增益范围内，过分欠曝会丢失细节也是不可行的。

[!note] 钻牛角尖 下面说的都对，但总感觉有点钻牛角尖……

提到数码相机的感光度，很多人仅凭直觉便「理所当然」地这样认为：

数码相机的感光度越高，表示获得的曝光量越多，因此相机的感光能力也越强。

其实，这里面有两个典型的错误认知：

（1）由感光度的定义可知，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「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。