上星期在美中摄影学会做了个讲座:“如何设置摄影参数”。从光学讲到量子力学,晕倒了一大片听众。也难怪,总不能指望人人都是物理专业的毕业生吧?我这里就将讲座的ISO部分内容简化归纳,发布出来,算是给晕倒的听众一剂清醒剂,也是给未能到场的朋友一个交代。


说起曝光,少许有点摄影知识的爱好者都知道曝光金三角:光圈,快门,ISO。说简单,傻瓜都不用去想,全自动。要不哪来的傻瓜机呢?说复杂。。。嘿嘿,你已经知道能多复杂了吧?我讲座包括的内容只能算是皮毛。


光圈决定景深,快门速度决定曝光时间而影响画面的动态模糊感。ISO呢?在此基础上决定了画面的亮度,进而影响胶片或者电子传感器的噪点和颗粒感。这几乎是放之四海而皆准的真理,上百年摄影史毋庸置疑的事情。胶片时代我们考虑ISO只是在装胶卷的一霎那。胶卷装进相机,我们对ISO便不假思索了。为什么不去想它?因为想了也没有用,想换ISO除非你换胶卷,难不成拍一张换一卷?人力无法改变的事情就听天由命去吧,所以胶片时代的拍摄操作过程中曝光其实没有三角,只有两角:光圈和快门速度。

(摘自 Sean Tucker Photography)


数码时代不一样了,每拍一张片子都可以调ISO。我们的自由度大了,曝光金三角于是名正言顺地成了三个角,可是摄影师也因此徒增了许多烦恼。从两个参数到三个参数,其中的组合要复杂不知多少倍,让人纠结万分。于是数码时代好事的画质控也增加了很多倍,对ISO的研究可以写几篇博士论文。


ISO对图像的影响究竟如何?很多摄影爱好者都会不假思索地回答:噪点。高ISO的图片有高噪点,这已经是毋庸置疑的事实。比如这张图,用ISO3200拍摄的图片比ISO200的噪点高很多,再明白不过的低级问题了。

(摘自Photography Life)


但是世界上一目了然的事情并不一定就是真理。ISO是不是噪点的罪魁祸首还是要摆事实讲道理,从噪点的起源讲起。

(原图摘自:Visionteknologi)


当光线经过相机的镜头,光圈,在快门开启的一段时间内抵达数码传感器,由于光电效应的作用,光信号被转变成了电信号。在电信号从传感器中被读出之后,ISO才开始起作用。也就是说ISO连光是啥样都没见着,等它起作用的时候快门已经关闭,曝光过程已经完成,称它是曝光金三角之一本来就是牵强附会的说法。ISO干什么用的?它是个后处理器,将传感器输出的电信号放大,让我们在相机显示屏上能看见一张明暗适宜的图像,与传感器进了多少光一点关系也没有。

(作者:IAN NORMAN)


从光信号进入镜头到相机输出图像的整个过程中噪点从何而来呢?图像噪点的起源可以最粗略地分成三大部分:
  1. 摄入噪点 (S)
  2. 上游噪点 (D)
  3. 下游噪点 (R)
由于噪点的随机性,所有噪点的总和 = √(S^2+D^2+R^2 ),而不是简简单单地加在一起。这里的摄入噪点(S)是由光线的量子性所决定的,它是现代顶级相机噪点的主要来源。也就是说我们日常所见的光里本身就带着噪点,不要什么噪点都拿来埋怨相机。而摄入噪点的强度 ∝ √进光量,与光圈大小与快门速度息息相关。如何降低摄入噪点?对一个特定的相机来说,除了让相机多进点光之外没有任何其他办法。为了多进光,就必须加大光圈或者减慢快门速度。摄入信号的信噪比 ∝进光量/( √进光量)=√进光量,也是随进光量而增加。我们通常在一张图片上看见的噪点取决于信噪比,不是简单的噪点强度。


相机的上游噪点却是相机造成的,它有很多来源:传感器发热造成的热噪点,电子系统的开关,像素间的相互影响,与从传感器读取信号的过程中产生的电子噪点,等等。这些噪点的共同特征是它们在ISO起作用之前就已经存在了。它们和图像信号与摄入噪点混杂在一起,ISO这个“马后炮”的电子后处理器根本不知道谁是信号谁是噪点,一股脑地将它们同步放大。所以图像信号与噪点强度的比例(信噪比)到此为止不会因为ISO的设定而有任何改变。说到这里噪点还是不能埋怨ISO。


最纠结的是下游噪点,也称下游读入噪点,它是在ISO将图像信号与噪点放大之后才起作用的,是电子系统在传输电信号和将信号数字化的过程中所产生的噪点。ISO放大器的本身也会造成噪点,但是微小到可以忽略不计。一旦信号被数字化,就不会再产生任何噪点。所以ISO还是清白的。


既然所有噪点的总和 = √(S^2+D^2+R^2 ),图像信号(T)与噪点强度的比例(信噪比)=T / √(S^2+D^2+R^2 )。假定我们将ISO增加10倍,图像信号(T)和上游噪点(D)都会增加十倍,分别变成了10T,10S和10D,而下游噪点(R)是ISO之后的事情,不会变。加大十倍ISO后的信噪比 =10T / √(100S^2+100D^2+R^2 )=T / √(S^2+D^2+0.01R^2 )。下游输入噪点在全部噪点中所占的比例大大下降。ISO增加到一定的程度,下游输入噪点便可以忽略不计。


有没有听错?你是在说ISO越高噪点反而越低?是的。老一代的相机与现代几乎全部的佳能(1DX2除外)和奥林帕斯相机都有这样的表现。这类相机现在被称为ISO非恒定性相机,是读入噪点很大而造成的。我们拿佳能相机作一个简单实验:手动设置将光圈和快门速度固定,这样做是为了固定进光量,只看ISO对图像的影响。如果不固定进光量的话我们会无法将ISO对图像的影响与光圈和快门速度的影响分别开来。那样的实验结果只能是张冠李戴。

(作者:IAN NORMAN)


由于进光量被固定了,降低ISO会让画面变暗,一直暗到漆黑一片。然而噪点有什么变化呢?让我们用Photoshop将每张图片都调到同样的亮度。结果让人大吃一惊,原来高ISO的图片噪点还真的更低:

(作者:IAN NORMAN)


我平时的片子不是这样的呀。比如前面那张洋娃娃的局部图像明明是ISO3200的噪点比ISO200的噪点强度高很多呀。难道我们都看走眼了?不是的。混淆视听的罪魁祸首是自动曝光系统。ISO从200增加到3200,增加了16倍,自动曝光系统为了保持图片的恒定亮度,通过对光圈或者快门速度的自动调节将进光量给减少了16倍。因为摄入信号的信噪比 ∝ √进光量,摄入噪点便增加了4倍。这是真正的罪魁祸首,ISO却是被冤枉的。


ISO非恒定性是电子系统的高噪音造成的。在高进光量低ISO的情况下(比如大白天),因为摄入噪点很低,对图像的影响不大。在暗光条件进光量不够,我们下万不得已,只能靠提高ISO来压制下游读入噪点,造成高ISO条件下噪点减少的现象。ISO是功臣,而不是罪犯。


然而现代几乎所有顶级尼康,索尼,富士相机以及佳能1DX2的读入噪点低到可以忽略不计。这一下R ~ 0,噪点的总和变成 = √(S^2+D^2 ),只与摄入噪点和上游噪点有关。而这两项噪点与图像信号同步倍ISO放大,无论ISO如何设定也不会影响图像信号与噪点的比例(信噪比)。这就是所谓ISO恒定性相机。

当我们用具有ISO恒定性的相机再去重复以上的实验,结果发现无论用什么ISO,噪点的强度都是相同的! 读到这里一定有人嘀咕:ISO是不是恒定与我何干?恒定性是表面现象,这是极低的读入噪点而造成。这样的相机总体的电子噪点比ISO非恒定性的相机要低得多。与此同时,ISO恒定性让曝光金三角彻底摆脱ISO,简化了设置,为摄影手段带来一片前所未有的新天地。

在我的摄影生涯中,多年来同时拍摄风光与野生动物两大截然不同的题材,一直是天经地义地使用两种不同的设置:风光摄影用光圈优先,同时将ISO设置得很低来保持最佳画质;野生动物摄影用速度优先,适当提高ISO来保持画面亮度。这样的设置有个弊端:除非是拍摄一个千年不变、人人可以随时重复的顽石,常常是顾得了一头顾不了另一头。设定了光圈(景深),对速度没有精确的控制;相反设定了速度,对景深又没有精确的掌握;同时还要照顾ISO,整天想着画质的优劣。


近几年ISO恒定性相机的发展让我对曝光方式重新思考,逐渐转换到了一种统一的参数设置方式,无论对什么摄影题材都是如此:手动控制光圈和快门速度,让ISO完全自动化,同时做到“进光量优先” - 也就是说在创作要求的许可下尽量用最大光圈和最慢速度。


现代ISO恒定性相机噪点的最大来源是摄入噪点,是光的量子性所决定的。现场拍摄时降低摄入噪点的唯一途径就是让“进光量优先”。我每次拍摄都根据自己的创作意图问自己两个最基本的问题:


1. 景深需要多少?设定光圈时做到景深够用就行,不再使用更小的光圈。这样的做法也同时避免了小光圈的光学衍射问题。
  • 风光通常≤F11 – 全景清晰
  • 野生动物和人像≥F8 –背景模糊
  • 拍星空用最大光圈(F2.8)- 光永远不够
2. 速度需要多少?根据物体的运动速度和创作所需要的清晰度或者模糊度来设定速度。速度够用就行,也不再追求更快的速度。
  • 静物不考虑,曝光时间越长越好。这种情况下用光圈优先会很方便。
  • 水流拉丝~1/4秒左右
  • 星空一般≤30秒
  • 飞鸟糊版~1/20秒左右
  • 飞鸟数毛版≤1/1000秒

作者:范朝亮

(24mm,F8,超焦距,1/1000s,ISO400)


由于光圈和快门速度被强制性地分开考虑了,往往拍摄的过程中会出现意想不到创作灵感:拍飞云流水可以尝试不同的速度,拍野生动物可以运用不同的景深,达到不同的效果。就两个参数这么简单?是的。实地拍摄只考虑这两点,不必整天捣鼓ISO。但是在你急匆匆地出门拍摄之前我还有几点补充说明:


  1. 连ISO都不用去看了?以上的设置方法已经在创作意图许可之下保证了最大的进光量,你已经是力所能及了。这时的ISO是多少只不过是画质研究员的饭后谈资,与摄影实践没有多大关系。难道你还有其他办法在不影响创作效果的前提下降低ISO不成?这就像胶片时代已经装进相机的胶卷,听天由命吧。何况它根本不影响噪点呢?我一般将ISO设置在全自动100-3200,你可以根据自己的需要设定不同的范围,比如100-6400或者更高。都自动化了,多考虑便是自寻烦恼,就像当年的胶片摄影一样。除非是拍星空,因为曝光系统失效,必须固定ISO(一般3200)。ISO到达设置的最高值时片子仍旧太暗怎么办?不用去管它,后期调节便可。如果用闪光灯?就更不用去纠结了。图像的最后效果不仅与ISO没什么关系,与快门速度一般都无关。有读者还一定会问我的进光量是大是小?看一眼面前场景的明暗便知。实在需要相机来告诉你,就看一眼ISO吧。ISO高证明进光量低,反之是高进光量。
  2. 为什么不用更高的ISO?因为非常高的ISO还对画质有其他负面的影响:降低宽容度,降低色彩敏感度,等等。所以很高ISO的影像尽管能做到噪点可以让人接受,但是整体效果总是有一种说不出来的怪怪的感觉:不是层次不均匀,就是反差太低,或者色彩有偏差。不到万不得已不要去折腾非常高的ISO。
  3. 还会有绝顶聪明之人指出ISO恒定性相机画质最好的其实只有一个特定的原生ISO。这样的考虑对画质的影响已经非常小,使得参数设置过于复杂化。现场拍摄是艺术创作重要还是研究马尾巴的功能重要?以最简单的步骤,最快的手段,达到最大的收获,才是最佳的参数设置。
  4. 因为完全手动调节光圈和快门来增减进光量,这时的曝光补偿只是调节ISO来影响显示亮度而已,给你改变曝光的假象,于事无补。增加曝光补偿反而会引起过爆的风险。
  5. 坚决避免大面积过爆,除非是太阳或者月亮在你的取景框里。现在最先进的全幅相机(尼康,索尼,富士)能让后期暗部提亮6档而对画质影响不大,何况暗部真要被提亮6档的话已经到了影响视觉习惯的地步,画面成了阴曹地府。但是图像一旦过曝你可就彻底晕菜了,无法挽回。所以我在高反差的场景往往降低曝光补偿,让图像变暗,避免高光过爆。包围曝光的运用也因此越来越少了。
  6. 今天的向右曝光是实实在在地靠增加光圈和曝光时间来增加进光量,而不是靠增加ISO让直方图向右移动。除非像上面已经说过的老式相机或者今天绝大多数佳能和全部的奥林帕斯相机由于高读入噪点造成ISO不恒定性,提高ISO向右曝光能够遮掩下游读入噪点的影响。提高ISO向右曝光对现代读入噪点几乎为零的ISO恒定性相机已经毫无作用。相反手动设置光圈和速度,靠曝光补偿向左曝光更为实用。

(作者:范朝亮。向左曝光,减爆两档。)




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范朝亮,英文名John Fan,旅美自然风光摄影师。作品在国际摄影界屡获殊荣, 频繁发表在国内外出版物,在多个国际展览中展出,并被多家图片社收藏。他同时又是国际顶级在线摄影艺术画廊1x.com的策展人,美国摄影学会(PSA) PID 副主席,以及世界顶尖摄影创作团队 - 四光圈创始人之一。他的全部摄影作品收集在其个人网站:

 John Fan Photography

范朝亮著作【摄影范谈集】三周改变你的摄影观,2019年出版。

范朝亮著作【理性的灵动 - 大自然的摄影语言】叙述作者在摄影作品背后理性的思考和灵性的感知,于2017年元旦出版,入选2017年1月百道好书榜。第二版于2019年出版。