既然Iso越高噪点越多，那么把iso开到最低，曝光时间拉长，是不是就可以得到一张画质非常好的照片？

看到邀请者的ID，惊觉来头不小，加之这个问题我也确实一知半解。

本着学习的目的，查阅了一些资料后，强答一番，如有错误之处，还请各位指教（轻杠）。

谈及ISO感光度和噪点，

通常，普遍会认为这二者的关系无非是：

“随着ISO感光度的提高，相片的噪点也会随之增加”

即“高ISO=高噪点”。

那，这样理解正确吗？

答案是：

在3年前写的单反科普系列的ISO感光度一文中，我简单介绍过ISO指的是“数码相机中CMOS图像传感器对光线的敏感度”。

但对于这其中的关系并没有做任何阐述，

因此，在查阅了相关资料后，鄙人试图从ISO感光度、噪点、动态范围等方面再简单地讨论下它们之间的关系，

毕竟，“知其然”还得“知其所以然”嘛。

(由于鄙人并非信号处理等领域专业人士，如有错误的地方也烦请各位指正。)

本文大致内容如脑图所示：

谈及噪点，我曾“简单”地将噪点的产生都归结于高ISO，而每一次使用高ISO都是一种“不得已而为之”。

比如：

在光线不佳的情况下，光圈已开到最大，只有通过提高ISO来换取快门速度，

至于噪点嘛，管不了那么多了，拍到比什么都重要。

但这样的理解真的有些“简单”。

噪点这个词翻译自Noise。

Noise我们都知道，是噪音的意思。

因此，在摄影语境中，噪点其实指的是Image Noise，也就是图像噪声（以下以“噪声“取代“噪点”）。

在胶片时代，其实并不存在“噪声”，有的只是化学反应所产生的颗粒（Grain）。

而在数码相片时代，噪声主要是来源于图像传感器噪声（此处图像传感器指的是CCD or CMOS 传感器），即：

或者

说人话就是：传感器由于受到了“干扰”，所以产生了“噪声”，

并且噪声主要容易出现在图像的黑色区域上。

如何理解这些噪声，还是要先从“图像是如何从相机中产生”谈起。

每个人应该都学过“小孔成像”的故事，而相机的成像原理最早也可以追溯到“小孔相机”：

《墨经》中的这个故事发生在两千多年前，大致说的是墨子和他的学生做了一个实验：

发现物体被光照射后，透过小孔呈现的是相反的图像。

巧合的是，差不多时代的亚里士多德，比墨子晚了几十年后，也提出了“暗箱（Dark Room）”的概念。

可惜的是，这个概念在那之后的一千多年里，都没人理会。

直至黑暗的中世纪结束，文艺复兴开始，欧洲的画家才偶尔发现可以利用“暗箱”[2]作为绘画的輔助工具。

最开始的暗箱（Camera Obscura），只是在黑暗屋子的墙上挖个孔，将外面的景物投射到平面上，类似于这样：

15世纪末，文艺复兴三杰之一的达芬奇在他的《大西洋抄本》[3](Codex Atlanticus)中首次明确描述了“暗箱”的草图：

于是后来的艺术家，基于达芬奇书里的草图，开始给暗箱装上了凸透镜、反光镜。

目的便是：画作的临（chao）摹（xi）。

当时的“暗箱”类似于这样：

（比较有意思的是，由于利用“暗箱”等同于作弊，如今的”暗箱操作“一词便源于此。）

再后来，法国人达盖尔利用“暗箱”的原理，花了十多年时间找到了感光材料（碘化银铜板），并把它放进了“暗箱”，发明了世界上一台真正的相机（可携式木箱照相机[4]）

第一台相机差不多长这样：

差不多50年之后，柯达（Kodak）公司又找到了另一种感光材料，也就是胶卷，并且发明了便携式的胶卷相机。

再然后，柯达的电气工程师又革了自己的命，发明了数码相机。

（再再然后柯达破产了。）

数码相机的成像流程，简单地可以归纳为：

按下快门 > 光从镜头进入 > 光经过传感器（光电\模数转换）> ISP/DSP进行优化处理 > 输出（存储卡or屏幕）

如果稍许复杂一些便是：

整个流程主要涉及到三个部分：镜头、图像传感器（CMOS）和信号处理器（ISP & DSP）。

（现如今的相机使用的基本都是CMOS图像传感器，CCD图像传感器由于“高感太差”、“成本太高“等因素已几乎被历史所淘汰。）

典型的CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）结构如下图[5]所示：

CMOS的工作原理是：

注：此处的PD指的是光电二极管（Photo-Diode）,ADC指的是模数转换器（Analog to Digital Convert），至于Bayer Mosaic Raw本文便不做叙述了。

因此，CMOS图像传感器可以理解为就是一个像素转换芯片（camera-on-a-chip），

一般而言，CMOS上的每一个像素列（Pixel Row）都至少拥有一个光电二极管（Photo-Diode）、一个模数转换器ADC（Analog to Digital Convert）和一个放大器（Amplifier）。

（所谓的2000万像素也可以简单理解为：2000万个像素列（光电二极管）的集成体。）

这其中，光电二极管（Photo-Diode）的作用是让每一个像素列都可以进行电荷转换；

ADC（模数转换器）的作用是将模拟信号转变为数字信号；

而增益模拟放大器（Amplifier）的作用便是放大光信号，

四舍五入的话，也可以理解为放大ISO感光度。

通常意义下，提高ISO感光度便意味着：

使用像素的“放大器（Amplifier）”模拟提高了像素列的信号强度（亮度）。

（此时像素列接收到的光子并没有变化，也就是后文即将说到的"Gain"）

也就是说，提高ISO感光度等同于“掩耳盗铃“似地“模拟”了更佳的光线条件，

在操作上，使得相机可以得到更快的快门速度。

但其实，“噪声”在这之前早已产生，

提高ISO等同于将这些“噪声”进行放大。

举个例子：

假设曝光条件不变，在曝光期间，ISO感光度设置为100，单个像素接收到了500mV的光子，产生的噪声为50mV，那么SNR（信噪比）为10：1，

若将ISO翻倍提升至200，在曝光时间减半的情况下，单个像素接收的光子也减半为250mV。但噪声依旧为50mV，此时SNR（信噪比）为5：1。

注："信噪比（SNR，SIGNAL-NOISE RATIO）“一般意义上，数值越大代表着“噪声”越少。"

因此，根据这个例子，甚至可以“简单”地理解为：

若ISO为100时有100个噪点、提升ISO至200时，约等于将得到200个噪点（此处只是不严谨地比喻）。

那么这些原始噪声究竟是如何产生的呢？

它的主要来源，还是要追溯到“随机噪声”。

前面说到数码相片中噪声的主要来源于是图像传感器噪声，

而它们按类型可大致分为两个大类：模式噪声和随机噪声[7]。

随着ISO感光度的提高，不同类型的噪声也会有不同的变化规律。

模式噪声

主要有固定模式噪声（Fixed Pattern Noise，FPN，也称固定图像噪声）和光照响应非均匀性（Photo-Response Non-uniform，PRNU）两种；

随机噪声

可以分为光子散粒噪声（PhotonShot Noise，简称散粒噪声）、热噪声（Thermal Noise）和读取/读出/本底噪声（Noise Floor）等多种。

一般认为，影响CMOS图像传感器系统的噪声源主要为这其中的4种：固定模式噪声、散粒噪声、读取噪声和热噪声。

注：本文仅讨论CMOS图像传感器噪声。

维基百科对它的定义是：

翻译成人话就是：长曝光情况下所产生的明显更亮的像素点。

在信号处理领域，一般会认为：固定模式噪声主要来源于暗电流的不同以及像素中有源晶体管的性能波动。

先看下固定模式噪声、随机噪声和条带噪声图像的不同区别：

最左边的便是长曝光下的“固定模式噪声”，我认为特别像是把彩色跳跳糖洒了在画面上。

中间和右侧噪声图像的分别是“随机噪声“和”条状噪声“。

固定模式噪声由于受“暗电流”影响，

主要有3个特性：

1.通常出现在很长时间的曝光中；

2.如果温度升高，噪声会加剧；

3.相同条件下（温度、曝光时间、ISO 速度）时，固定噪声产生的噪声像素分布基本一致。

由于这三个特性，

有些星空摄影师甚至会选择在拍摄前冷冻相机（因为温度每降低7℃，暗电流减半，反之亦然）。

当然，也有设备厂商为科学（土豪）级摄影生产了自带冷却的设备来控制暗电流，比如我买不起的QHY CCD：

还有些星空摄影师（摄影大佬）会在拍摄前，先盖上镜头盖拍摄一张全黑的照片，随后后期通过“差值”的方式降低“固定模式噪声”；

但值得注意的是，这种方法必须是在相同条件下（温度、曝光时间、ISO 速度一致）操作。

并且，这样也只能缓解“固定模式噪声”（毕竟它是相对”固定“的），对于“随机噪声”几乎没用（毕竟相对“随机“）。

先说结论：

1.这三类噪声均为物理现象，几乎无法避免且很难消除；

2.散粒噪声占了噪声总量的大部分。

（下图的数据仅是在限定条件下。）

A.散粒噪声（Photon Shot Noise）

直白点说就是：

经过镜头的光子在硅层内被转换成光电子，由于光信号的量子特性，相机捕获到的信号存在一定的不确定性。

并且由于光子的量子特性，它呈现的是泊松分布。

它的计算公式是：

[10]

即：

可以看出，它和信号（光子or曝光量）的平方根有关。

随着光子增加、信号增强，相对的“噪声增加量“变得越少[11]。

所以理解散粒噪声只要知道这三点：

1.散粒噪声与光子数量有关；

2.散粒噪声与温度无关；

3.散粒噪声的值等于信号的平方根；

由于散粒噪声的存在是一种物理现象，并且泊松分布涉及到离散概率分布了，这里便不展开了。

“简单”理解为它很随机就可以了（此处又只是不严谨地比喻）

B.热噪声（Thermal Noise）

热噪声，它又被称作“约翰逊–奈奎斯特噪声（Johnson–Nyquist Noise）“，属于白噪声，呈高斯分布，也可以理解为是上面读取噪声的一种。

它的形成原理为：

也可以理解为是由电阻内部电荷载子的热扰动产生的。

翻译成人话就是：电阻造成的噪声。

热噪声属于电阻器的本征噪声，基本无法避免上也无法消除。

C.读取噪声（Read Noise）

读取噪声，顾名思义就是相机在读取/读出信号（Read Singal）时产生的噪声。

其原理就是成像过程中，电子通过放大器放大信号和模数转换器（ADC）转换过程中所引入的噪声。

由于读取电路的不同，所以读取噪声的计算也不相同。有些可能根据热噪声公式进行计算，也有可能根据1/f噪声公式进行计算，还有可能是二者的串联或并联（此处不做详细介绍了）。

既然长曝光会容易造成“固定噪声”，“随机噪声”又几乎都很难消除，

是不是意味着拍摄一定要用低ISO感光度，并且要尽量不使用长曝光呢？

其实也不尽然，因为现今的不少相机已经具备了Dual Native ISO或者ISO Invariant（ISOless）技术。

谈到ISO感光度，我们都知道在相机的ISO设置中，有些相机最低可以到设置到ISO32（甚至更低的显示为“Lo”）、最高可以达到ISO102400（甚至更高的显示为“Hi”）。

比如我在DxO[13]上对Nikon D850、Sony A7R IV和Canon EOS R5三台相机的参数进行了对比。这三者的ISO感光度范围分别为：32-102400、50-102400和100-51200。

既然前面说到提高ISO感光度等于变相增加噪声，

那厂商提供那么高ISO感光度的意义是什么？

说到"Dual Base ISO（Dual Native ISO）"和"ISO Invariant（ISOless）",

必须先谈谈这其中涉及到ISO感光度三个比较容易混淆的概念：

A.Base ISO（基础ISO）

指的是相机的原始ISO感光度（意味着该数值的ISO感光度还未经放大器（Amplifier）模拟放大）。

B.Native ISO（原生ISO）

也可以理解为Native ISO Range，指的是放大器可模拟提高ISO感光度的动态范围（一般指意味着可以模拟放大的最大原始ISO感光度范围，与动态范围息息相关）。

另外，Base ISO和Native ISO经常会被混用。

C.Expanded ISO（拓展ISO）

指的是超出默认ISO感光度动态范围后可扩展的范围（相机内部数码放大或缩小的ISO，比如ISO Lo和ISO Hi，可以理解为和通过后期软件增加曝光差不多）。

再看一下这三台机器在不同ISO感光度下的读取噪声（数据来源于DxO[14])：

以Sony A7R IV为例，来看一下Read Noise图表的意思：

我标记的黄色区域为Native ISO，而标记的绿色区域为Expanded ISO（低于ISO 的为ISO低拓展区域、高于ISO 的为ISO高拓展区域）。

另外，从图表中可以明显发现读取噪声（Read Noise）在ISO接近于318的时候并没有沿之前的斜率增加，反而有一个明显下降。

这是为什么呢？

这就要提到Dual Base ISO（Dual Native ISO）了。

Dual Base ISO代表着在一台相机内有两个基础ISO，

其本质也就是在CMOS中提供两种信号增益（GAIN）方式：

注：由于不同厂商为获得双ISO使用的是不同的技术手段（增益方法），因此也出现了不同的称呼。比如有的称为Dual Gain Amplifier（DGA），有的称为Dual Conversation Gain（DCG），但这些都是Dual Gain的范畴。做法的不同之处在于，有的是放在像素上进行增益，有的是放在ADC电路上，此处便不进行展开。不论是DGA还是DCG，二者最终目的都是为了实现双ISO，从而能实现弱光情况下的降噪。

索尼也在日常的宣传中表明出了该技术的存在。

下图是FX9摄影机的介绍，可以看出在ISO 800至6400这个范围内，ISO800和ISO4000的噪声几乎相同。

所以，还是以上面Sony A7R IV的读取噪音为例：

ISO100和ISO318也就可以理解成是Sony A7R IV的两个Native（Base） ISO（也有把ISO400这个数值称为跳变点的）。

而通常意义下，该相机画质最佳的ISO便是100和318左右。

再对比一下一台比较老的相机（Nikon D90）的读取噪声数据，D90的噪声随着ISO提升就没有任何跳变。

我选取了几家厂商近几年的部分相机，发现它们都存在至少1个跳变点：

我查阅到，有国外摄影师（Jeff Stovall）对该技术进行了测试[15]（由于手头的Nikon D810并不具备该技术，因此只能引用他文章内的相关内容。）

测试使用的是Sony A6500，该机器的跳变点和Sony A7 RIV的一致，均为ISO318。

该相机的读取噪声曲线如下：

他基于ISO Invariant的假设，拍摄了ISO320、640、1250、2500、5000、10000和20000共8张照片：

随后，通过Lightroom对这8张照片进行提亮，查看了修正后同样亮度下的噪声：

结论是：

无独有偶的是，也有使用相同手段测试了FujiFilm X-T1的ISO Invariant：

至少从结果来看，ISO1600的噪声与ISO200 时比较接近。

虽然该技术可以使噪声在高ISO有一些“缓解”，但同时其实也带来了新的问题：

那便是高ISO会损失动态范围（Dynamic Range）

说到动态范围，很多人应该第一想到的是“宽容度”。这二者虽相似，但又有一些不同。

动态范围的维基解释[16]是：

而宽容度（Exposure Latitude）的维基解释[17]是：

这二者的关系，与高ISO与噪声的关系比较接近：

虽有相关性，但不是绝对关联。

换算成比较通俗易懂的理解就是：

动态范围与CMOS有关，但宽容度还与拍摄环境有关。

动态范围越大，可拍摄的明部与暗部的细节越多；

宽容度越大，可后期的空间越大。

回到刚刚的问题，当ISO感光度与动态范围也是息息相关的。

比如下图，对比ISO6400和ISO1600，ISO6400时高光细节便消失了：

还是以Nikon D850、Sony A7R IV和Canon EOS R5这三台机器做比较：

即使是新机器，动态范围也在ISO400后逐渐减小。

相信看完以上，便会明白ISO感光度和噪声、画质的关系，即：

虽然有关系，但不是直接关系。

以上。