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四房电影-感光度越高曝光量就越大?为什么高ISO会带来噪点?干货答案在此

时间:2021-10-20

来源:感光度作者:感光度点击:978

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前言

提到「四房电影」,四房电影爱好者们一定感到再熟悉不过了。但是,你真的了解它吗?

我们不妨来思考一下以下这些问题,看看自己能否回答:

四房电影是如何定义的?

四房电影跟四房电影量有什么关系?

四房电影中的四房电影跟胶片中的四房电影是一回事吗?

提高ISO值,就相当于提高了四房电影的感光能力,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,没关系,因为很多人都不屑或者懒得去深入思考这些问题。「四房电影」这个词可能是一个最容易被人误解、最受委屈的四房电影专业术语。为什么这样说?

不必急于知道答案,你需要做的是,带着以上这些问题,和影像君一起开启今天的四房电影话题。

一、四房电影是什么?

所谓「四房电影」,简单地说就是对光线的敏感程度。它原本主要是用来描述胶片中的感光物质与光发生光电效应的响应速度,因此它曾经有一个更为耳熟能详的名字——胶片速度(film speed)。

到了现代,随着光学、电子工程和工业技术的蓬勃发展,四房电影的定义也逐渐变得宽泛,它现在主要指光敏材料(包括但不限于四房电影用胶片)对光的敏感程度。本文主要讨论的是四房电影领域的四房电影。

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四房电影的呢?

想知道问题的答案,我们还得从四房电影测定的历史说起。

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四房电影测定仪,并于次年投入商用。

这款仪器的外观为木质框架结构,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(控制光线强度),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,后者受激发而发光,从而致胶片显影。在给定四房电影时间内,将最后一个可见的显影方块上的数字定义为该材料的显影速度,以单位「度」(°W)表示,每一个方块即为1°W,以1/3每格的速度递增,数字越大,代表材料的胶片速度越快,对光线越敏感。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四房电影测量系统」。

2.2 H&D

1890年,一位瑞士裔的英国化学家兼四房电影爱好者Ferdinand Hurter和他的同事化学工程师Vero Charles Driffield,在大量实验的基础上,证明了黑白负片感光乳剂密度与对数四房电影量之间的关系,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曲线主要分为4大部分:片基、趾部、线性部分和肩部。该测量系统表明,胶片的四房电影与四房电影量成反比关系。

H&D测量系统奠定了光学领域感光测量的基础。

2.3 DIN

DIN原是「德国标准化组织」的德语简称,「DIN测量系统」,具体是指1934年1月由DIN组织官方发布、编号为4512的四房电影测量标准(DIN:4512)。

该标准系在前人研究的基础上总结发展而来,其特点是,使用以10为底的对数与10的乘积来表示胶片四房电影的灵敏度,用「数字/10度数+DIN」表示。举个例子:比如,A胶卷的四房电影为「18/10°DIN」,B胶卷为「15/10°DIN」,表示两者相差3°,3约等于10log(2),意即表示A的四房电影是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基础上,并结合了通用电气和韦斯顿胶片速度评级系统,提出了黑白负片的速度评级标准。相比以往的主流标准,ASA最大的不同是使用了线性的评定量度,即算术标度而非对数标度,比如300ASA的四房电影是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。今天我们在四房电影中常说的ISO值,实际上是代指该组织中有关四房电影的测量标准。现行四房电影中所使用的四房电影ISO,具体是指1998年发布、2006年修订的关于静物四房电影机的四房电影标准ISO 12232:2019。

ISO四房电影测量标准综合了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°,后者的四房电影是前者的两倍。后来,人们通常习惯把后面的对数标度省略不写,于是便成了我们现在经常在相机和手机中看到的ISO值。

了解了四房电影测定简史,我们便知道了ISO与四房电影之间的渊源。接下来,我们以胶片作为切入点,看看四房电影是如何定义和测量的。

三、胶片四房电影(ISO)

3.1 胶片结构

胶片(film,即「菲林」)之所以能四房电影,归功于其表面的那一层、薄约10微米的感光乳剂,其主要成份为溴化银(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,然后经过显影、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,单位时间内发生化学反应的概率也就越大,所谓的「胶片速度」(即四房电影)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为黑白胶片结构示意图:

图3-1

影响胶片敏感度的因素可以有很多,如胶片厂商(类型)、工艺化学(污染、温度、时间等)和四房电影条件(时长、光线波长)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「对数四房电影值」之间的关系。要了解胶片四房电影是如何测量的,我们先要理解何为「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,其中有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,透射的光线越弱,即抵达胶片的光线数量越少。

3.3 胶片四房电影测定

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,改变抵达胶片的光线强度,并记录相应的对数四房电影量,于是便绘制出了一条感光测量曲线(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)的基础上加0.1单位,N的光密度比M大0.8,对数四房电影量比M大1.3,则定义此胶片的胶片速度S为:

S = 0.8 / Hm

其中,Hm为M点的四房电影量,单位为勒秒。

计算结果四舍五入后得到一个整数,通过对照ISO胶片速度表,即得到了该胶片的ISO值。

由公式可知,胶片速度与四房电影量成反比,即:胶片速度越大(即四房电影越高),其累积的四房电影量越小。

若胶片为彩色负片(color negative film),其结构则相对复杂一些。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,在测定其四房电影的时候,对数四房电影量应取三者的平均值,然后再根据胶片速度的定义公式计算出四房电影。如图3-6所示:

图3-6,Photo by Francois.

以上是关于胶片的四房电影。那么四房电影的四房电影又是如何衡量的呢?

四、四房电影四房电影(ISO)

到了四房电影时代,基于传统使用习惯,依然沿用了胶片时代的「四房电影」这个术语,但它只是名义上的「胶片速度」。

提到四房电影的四房电影,很多人仅凭直觉便「理所当然」地这样认为:

四房电影的四房电影越高,表示获得的四房电影量越多,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)由第三节中我们介绍的四房电影的定义可知,四房电影与四房电影量成反比关系,而非正比,这与我们的「直觉」是相反的;

(2)与胶片不同,四房电影的「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。

那四房电影的四房电影又是如何计算的呢?

4.1 ISO测定

为了便于工业化生产和消费者使用,四房电影使用的是与胶片速度一样的四房电影测定标准——ISO 12232。为了实现这种目标,该标准为四房电影系统提供了4种感光速度测定方式:

基于饱和度的感光速度、基于噪声的感光速度、标准输出敏感度(SOS)和推荐四房电影指数(REI)。

限于篇幅,下面只简单介绍前两种方法。

基于饱和度的感光速度(Saturation-based speed)跟快门、光圈大小、现场亮度有关,其计算公式为:

其中,L为场景亮度,t为四房电影时间,N为光圈值。

基于噪声的感光速度(Noise-based speed)的计算则更加复杂,我们没必要了解它的计算公式,只需知道它跟信号的「信噪比」(信号强度/噪声强度)有关。系统通常取两个比值,若信噪比为40:1,则认为光照条件良好,画质优异;若为10:1,则认为光照条件较差,画质勉强可接受。

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四房电影水平,并根据相关算法,决定上报哪一种方式的测量结果。

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可以获得更明亮的图像呢?难道是增加了它的感光能力了吗?

为了找到答案,我们需要先大致了解四房电影的工作原理。

4.2 光信号与电信号

四房电影捕捉和处理图像的过程大致可分为「模拟」和「数字」两部分:

模拟部分:光线经物体反射进入镜头,在镜头内部经过多重折射后聚焦于一点,最后再次折射、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(主要为红、绿、蓝三种)的光,第二层的影像传感器捕捉光信号,后经模拟电子元件将光信号转换为模拟电子信号。此为光信号的模拟部分处理流程。

数字部分:模拟电子元件的下一层是模数信号转换器(ADC),后者将模拟电信号转换为数字电信号,负责信号的「数字化」。然后由数字影像处理器对数字信号进行分析、编译、降噪、压缩等一系列处理,最后将图像数据存储进SD卡。

图4-1为四房电影影像处理器的工作原理示意图:

图4-1:影像处理器工作原理示意图。

我们可以看到,芯片第二层的「影像传感器」便相当于胶片中的感光乳剂,它决定了相机对光线的敏感程度,后者在芯片封装之后便确定了下来,不可改变。

那「增加四房电影」应该如何理解呢?

4.3 信号放大

光信号进入镜头后,在四房电影的传感器上发生光电效应后转化为电信号,此时还是一种模拟信号,在进入模数信号转换器(ADC)之前,还要经过电路中的「放大器」,后者用于处理传感器输出的电信号,提高相机的四房电影本质上就是放大影像传感器的输出信号。我们看到提高四房电影后的图像更明亮了,其实是因为放大了原有信号,而非增加了图像四房电影量。四房电影利用不同的放大倍率,提供一种类似于不同胶片四房电影的功能。如今的相机基本都能达到几万ISO,甚至可以扩展至几十万ISO。

然而,在放大有用信号的同时,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干扰(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《四房电影知识科普 | 你最熟悉的「快门」,却藏有这些你最陌生的认知》[3]曾介绍过四房电影的两种芯片:CCD和CMOS。这两种芯片的信号放大机制有所不同,CCD只有一个放大器,对电信号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,虽然信号处理的效率提高了,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的不足之处。

鉴于此,一些相机会内置软件降噪功能,通过后期处理的方式使高感图像看起来更平滑,给人以「噪点变少」的错觉,但付出的代价就是损失了大量暗部细节。因此,在实际拍摄中,究竟使用多高的可用四房电影,需要你在画质和细节之间权衡。

结语

从胶片到四房电影,我们聊了许多关于「四房电影」的话题。它就像快门、光圈,很熟悉、很常见,是几乎每一位四房电影学习者都会经常接触到的一个重要参数。它司空见惯,以至于我们自以为对其了如指掌,深入其中才发现,其实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,但并不等于你真正掌握了许多四房电影知识。影像的世界如此广袤,如此深邃,我们唯有虚怀若谷,潜心探索,方能一一领略。

参考文献

[1] Nanette Salv**gio,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,《四房电影知识科普 | 你最熟悉的「快门」,却藏有这些你最陌生的认知》。

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