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• 首次发布平台：微信订阅号“roamwonder”

• 首次发布时间：20171223

• 最近更新时间：20171224

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版权与授权

1. 作者：RoamWonder

2. 授权：“知识共享授权（Creative Commons License）” 的 “署名-非商业用途-相同方式共享（BY-NC-SA）”

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说明

1. 本文并非每个摄影爱好者或者摄影师都需要理解，但如果期望成为一个 严谨 的摄影师且期望拍得 更好 的摄影师，RoamWonder强烈推荐仔细阅读思考或者与RoamWonder交流

2. 本文假设你 平时可能使用RAW文件并进行必要的后期处理 ，如果你现在 一直只使用机内直出JPG 并且未来 一定不使用RAW文件 ，本文也并非一定需要理解

3. 本文假设你大致了解 曝光要素、动态范围、噪声 等基础概念

4. 本文从理论上分析ISO在曝光过程的作用，下一篇文章将解释关于曝光的另一个重要的概念“信噪比”

5. 理解本文将有助于如何 更好地 曝光，如何 更好地ETTR（Exposure To The Right，向右曝光），如何获得 尽可能好的画质

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1. 为什么要重新认识数码曝光要素

“几乎” 每一位刚入门的摄影师面对的第一个学习课题可能是认识“曝光三要素”（光圈、快门、ISO），也会了解到数码相机比胶片相机的优势之一是可以方便随意地调节ISO值而不需要像胶片相机一样换不同速率的胶片，可事实真的是这样吗？

在RoamWonder刚入门摄影不久后，就思考下面两个问题：
1. 数码相机的光圈、快门、ISO这曝光三要素在曝光产出亮度的这个过程所起的作用是否相似？
2. 机内调节ISO的效果好还是RAW处理软件曝光重分配效果好？

在下面对比较图中，是光源环境一样，光圈、快门值一样的两张图，差别在于其中一张是ISO 100拍摄并在RAW处理软件中增加了4EV的曝光重分配、另一张是ISO 1600而没有增加曝光重分配，两张图均未降噪和锐化，你分得清哪张是ISO 100后期加曝光吗？

而ISO 100的在增加曝光前长成这样：

是时候重新认识数码曝光要素了！

2. 按下快门键那瞬间

当按下快门键时，相机曝光后以极快的速度经过一系列过程最后生成数字文件（RAW格式文件或JPG格式文件）：

备注：

1. 上图是数码相机的功能逻辑图，而不是物理结构图，现代CMOS感光元件将感光元件本身、信号增益放大器、模数转换集成到同一个芯片中

2. 上图中的处理步骤每台相机可能有所不同，特别是“图像生成”环节

1. 快门持续时间 + 光圈 + 基准ISO（Innate Base ISO，固有基准ISO，简称“基准ISO”） 曝光：

   1. 快门打开，光（由一个个光子组成）通过镜头光圈照射到感光元件上

   2. 快门持续打开，感光元件将收集到的光子一个个识别成电子并暂存在感光元件上

   3. 快门关闭，曝光结束

2. 原生ISO（Native ISO）曝光重分配： 使用硬件信号增益器将电平（电子）进行信号放大或缩小

3. 模数转换（Analog to Digital Convert, ADC）： 将电平（电子）信号转换成数字信号

4. 扩展ISO（Extended ISO）曝光重分配： 使用相机固件通过软件信号增益器（即：数字信号处理）进行数字信号放大或缩小

5. RAW文件存储： 将各像素的数字信号、元数据（相机信息、镜头信息、拍摄参数、白平衡等）等数据打包成RAW格式并存储到存储设备中

6. 机内图像处理： 使用机内固件通过数字图像处理方法进行图像后期，如：RAW解码、镜头校正、白平衡、优化校准/照片风格/创意风格（对比度、鲜艳度、锐化等）、降噪等

7. JPG文件存储： 将JPG格式存储至存储设备中

3. 数码曝光的事实

1. 一台数码相机（一个数码感光元件）只有一个基准ISO： 基准ISO一般情况下是相机动态范围最大时对应的ISO值

2. 最低的原生ISO并不一定是基准ISO： 特别是 佳能相机 ，很多机型的基准ISO并不是最低的ISO 100，而是ISO 160（ 下文 将分享如何找到基准ISO）

3. 数码感光元件一直是使用基准ISO并结合快门、光圈参数进行曝光，机内调节ISO事实上并不能提高曝光过程中对光子的敏感度：

   • 原生ISO在曝光结束后进行电平（电子）信号进行放大

   • 扩展ISO是在生成数字信号之后进行“数字信号处理”

4. 调高ISO，在放大信号的同时，噪声也会同步被放大，本质上并不能增加信噪比

因此，到使用机内ISO进行处理时，感光元件的曝光过程已经结束了。虽然从原理上曝光是光圈、快门、ISO三个要素共同作用的结果，但作为使用者的我们并不能改变相机的基准ISO，因此，事实上我们能控制的曝光要素是光圈和快门两要素。

4. 调高ISO的负作用

原生ISO和扩展ISO都会在放大信号的 同步放大噪声 。原生ISO的过程类似于胶片冲洗过程中进行迫冲（Push），而扩展ISO类似于胶片扫描后进行“数字信号处理”。

原理上，机内信号增益（调高ISO）并不能增加 信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR），除非进行降噪，但我们知道，数字信号的抗噪和降噪能力远远强于模拟信号，同时，电脑的软件处能力又远高于机内固件，因此，没有太大的必要在这个阶段进行降噪（除非厂家想要）。另一方面，电子元件工作强度越高，可能引入的热噪声就多。

机内信号增益产生的 最大的问题 是：高光信号在信号放大后可能超出了能存储的最大值使原本未过曝的高光变成过曝，造成不可逆的信号损失。

这个从原理上也可以进行通俗的解释：

1. 假设相机能记录的信号是从0至255

2. 某次感光元件曝光产生的信号是从10至80，主体信号是40，产生的噪声是2，这属于欠曝的曝光

3. 为了提高主体的亮度，假设调高4倍的ISO，曝光产生的信号变成了40至320，主体信号变成160，噪声变成了8，但由于相机仅能记录从0至255的值，因此，最终的结果信号是40至255，主体信号是160，噪声8

   • 虽然主体变亮了，但高光部分的损失将再也找不回来了

   • 信噪比和动态范围都变小了（具体的计算过程下篇再讨论）

在RAW处理软件中，我们除了调节“曝光重分配”一个参数外，还有无数种方法可以保留高光信号，而不必像调高ISO一样一股脑地毫无针对性地丢弃有用的信号。

基本上，ISO调高1倍，RAW文件的动态范围就会相应地减少1倍（1EV），以RoamWonder使用的D750为例，PhotonsToPhotos给出的动态范围如下图：

D750 ISO 100时的动态范围是11.48EV、ISO 200时是10.6EV、ISO 400时是9.65EV，基本符合ISO调高1倍、动态范围减少1倍的规律。

5. 如何找到相机的基准ISO

相机厂家最近生产的相机一般都不再告诉消费者基准ISO是哪个，而只告诉原生ISO的范围。

还记得 上文 提到的 “基准ISO一般情况下是相机动态范围最大对应的ISO值”吗？

所以，一般情况下，找相机的基准ISO可以通过PhotonsToPhotos网站找动态范围最大时对应的原生ISO，比如RoamWonder使用的D750是ISO 100，而5D3是ISO 160，并且ISO 160（9.25EV）的动态范围要明显高于ISO 100（8.96EV）。

备注

佳能相机的动态范围曲线比较奇怪，主要原因是佳能的CMOS噪声控制能力比较差。

6. 结论与下期分享预告

本文从数码曝光过程解释了为什么我们能控制的只有光圈和快门两个曝光要素，分析了调高ISO带来的负作用，并分享了找到相机的基准ISO的方法

本文没有详细讨论通过实例讨各种ISO实际拍摄效果及其区别，也并不能仅通过本文就得到完整的数码“精准曝光”的建议（还得结合噪声、信噪比、RAW文件特点、数字文件特征等），敬请期待本系列接下来文篇对这些进行深入的讨论😏。