Mr.OH! 數位講座 - 第28講 淺談 ISO 感光度與數位相機雜訊 / 數位影像坊

Mr. OH!主述
ANAN 策劃 / 編輯
ISO 感光度
『ISO 感光度』是傳統時代的攝影術語，人們習慣運用ISO＋數字標示各種底片不同的感光 性能。原則上數字越大者感光效果越靈敏，但相對地『顆粒』效果也就越明顯；而超高感光底片（ISO1600）以上，也容易受到溫度影響，得放在冰箱裡恆溫保存！今日數位相機以CCD、CMOS取代傳統底片，對 於光線感度的衡量，我們還是留下傳統時代的經驗，將『ISO』一詞繼續自 1960年2月延續至今，這個由美、英和德國制訂的底片乳劑相對感光性能之國際標準化（ISO） 規範，是如何來分辨『感光度』，我們將在以下揭密。

數位相機 ISO 提升 S/N 雜訊比示意圖（感謝柯達公司提供）
ISO 的原理制訂其實相當簡單，但在 1960年之前，世界上卻有多套通行標準，大抵上可分為1943制訂的美系『ASA算數法』與1934德系『DIN對數法』兩種。更早的感光速率的制訂標準，可以推前到德國 1890 H&D 組織所制訂的惰性算數法，與 1894 也是德國 Schieiner 制訂的擴值對數法。由於感光度對攝影者相當重要，多項數值還沿用至今，例如：美國柯達軟片還是會標示（ASA）/ISO 值、德國的Agfa軟片也會在ISO外標明（DIN）延續這樣的傳統。當然，期間的1941英國（BS），日本的（JSA） 等標準，現在多已被 ISO 統一了！
ISO 感光度的評量
今日我們已經習慣了 ISO50，ISO100， ISO200， ISO400， ISO800 ，ISO1600和ISO3200等 ，標示感光度大小。這些數據的運算，傳統上我們定義了底片材質以等值的曝光時間多久，產生起始『灰濃度 D=0.1』以上到超過密度值極限為止的固定密度法（附註：也有定義 0.2 密度值，依據人眼漫射視覺標準）。在這種定義下，隨著感光值的增加，底片的感光速度 加倍成長，作圖的直線斜率也將不斷增大。初期的 ISO 計算以『算數』為基礎者，自 4、5、6、....32、40、50、64、80、100、125、160、 200....；以對數為單位者 則 7,8,9...16,17,18,19,20,21,22,23,24....。這兩種方式都各有其特點，對數法好記、算數則較為直覺！也因此，許多軟片從善如流，將感光度的標示以下：
ISO 100   對應算數表示法；
ISO 21。 對應對數表示法；
統標 ISO 100 /21。
數位時代，一般DC數位相機的感光度也以ISO100， ISO200， ISO400之方式表示，而較傳統底片不同之處，則是不再以『灰濃度值』作為判斷的標準，而改以 S/N 訊噪比作為辨別的依據。這個1998年由 PIMA 攝影器材製造商工會與  ANSI 美國國家標準協會聯合制訂的 ISO 12232:1998 文件，清楚地標示數位相機應用感光度的標準。Mr.OH! 摘要如下：
光源定義：依據 ISO14524 文件設置調整照明光源 曝光時間為 1/30 秒 應使用『紅外線濾鏡』 禁止使用壓縮格式；如一定得使用壓縮格式時，不得公布 S/N 以上的感光測定值
S      曝光量 lx.s（或亮度 cdm2）X 增益
--- = ----------------------------------------------
N                訊號的標準偏差
ISO 的應用
不管傳統與數位對 ISO 的測量方式為何，其實都是對於攝影者能夠得到一張正常曝光照片所做的設計。ISO 值可以是同學們評量使用相機之光圈和快門的標準，甚至是手動補光的操作 ，而非其絕對值。在攝影的領域中，傳統上感光度ISO 50 因其拍攝的畫質非常細膩，加之需要較長的曝光時間使其感光，因此被用於拍攝風景為主。

圖左：一般消費型數位相機，大約設定在 ISO極限 400～800之間；圖右：高階的 DSLR 可以達到 1600～3200
ISO 100則是大多 數人的選擇，也是各相機和底片慣用的標準，一般標示攝影與測試狀況下之光圈大小和快門速度都是以ISO100為基準。ISO200 / ISO400由於其曝光速度 加快了，被用於動態、體育攝影者居多。數位相機由於沒辦法向傳統相機一樣藉由更換底片提高 ISO 值，而是將進入 CCD 或 CMOS 的光電訊號等比例提高（見本章首圖），無形之中就拉高了隱藏在訊號之中的『雜訊』。也因此，許多消費型DSC在ISO400的感光度下，畫質相對粗糙 不適合保存了。
感光度ISO800，1600，3200以及更高的感光度，這樣的雜訊表現將更為明顯。當然，高感光度之高速底片有其特殊用途，一般來講數位影像器材中的 DSLR因其感光原件的開口率和高速的韌體處理速度與能力，可以擁有更高的感光度設置 ，其高感光度的表現也較一般消費型數位相機來得佳。
Noise『雜訊』- 數位攝影的罩門
Mr.OH! 先前提到數位相機藉由提升訊號的放大率達到與傳統 ISO 感光度的效果，可是過程中連帶著使『雜訊』Noise 同步提升，究竟『Noise』是從何處產生的呢？俗稱數位攝影的『罩門』！面對Noise 雜訊，今日我們已經擁有許多包括軟硬體在內的解決方法，不過當需要處理更長時間曝光或是製作更小更精密的感光原件時，雜訊仍是 相當困難解決的問題。許多數位攝影者已經習慣了與雜訊共存，甚至接受其為畫面特性的一部份。

如同高感光度底片一樣，高 ISO 下的數位影像也會出現明顯的『顆粒』雜訊，嚴重時還會影響色彩與畫質
（感謝柯達公司提供）
數位影像的雜訊產生依來源可以分成三類：
Read Noise 轉換雜訊：這一類雜訊主要來自 CCD 或 CMOS 接受光線中的光子轉換為電子訊號過程中所出現的統計上的錯誤。感光原件的材質、量子效應以及訊號放大（Amplified）都是造成此類雜訊的來源。
Dark Current Noise 暗電流雜訊：即使在無光的環境之下，感光原件還是會因為溫度效應自行產生電子、電洞，形成電流，稱為暗電流效應。這些額外的電子，將造成訊號處理器誤判，從而產生雜訊。暗電流的產生不僅會隨著環境溫度升高而加劇，更會因為感光原件長時間的使用升溫，而更為嚴重。
Fixed Pattern Noise同步雜訊：這個問題主要出現在 CMOS 感光原件上，由於 CMOS 是每一個 Pixel 配置一ADC放大器，垂直多數放大器的放大倍率不容易一致，從而造成雜訊問題。
數位相機雜訊處理
還有一種雜訊的產生與光線的色彩成分有關，例如：CCD陣列上覆蓋有不同的RGB色彩馬賽克片，在相同的曝光環境下，B藍光和R紅光頻道較容易產生 Noise。由於釐清了雜訊的產生方式與原因，我們就有能力針對個別的雜訊提出抑制方案，也是業界所俗稱的『Noise Reduction』/NR。

比較藍天效果下 R 紅色頻道的雜訊效果，DSLR 與 DSC 因為開口率與線路密度的差異，在不同的 ISO 上可以反映出雜訊的表現
目前業界針對CCD在長時間曝光環境下所產生的熱力『暗電流』，採取一次連拍兩張相同曝光時間的照片，將其中一張用鏡頭蓋起來或是關閉反光板的方式取得單獨暗電流影像（Dark frame），再利用後製或相機內影像處理程式，辨別出雜訊『雜點』的位置將其消除。更多雜訊消除和訊噪比計算，可以參考Mr.OH!數位講座第77講數位影像的雜訊測試判定。

利用雙連拍曝光法以去除暗電流雜訊普遍適用於高階 DSLR 之上。然而，許多消費型數位相機並無法使用這種相當消耗運算資源的雜訊處理方法，而改用另外一種俗稱『弭平』的雜訊抑制功能(Noise Reduction)。這種功能會分析大面積相似顏色的顏色信號，並找出雜訊自動除去，這種在拍攝主題具有色彩類似的區域背景時特別好用，例如：黑夜、海景、沙灘或天空等。也有專門針對 Luminance 亮度分析的Y信號雜訊自動除去，降低亮域雜訊並保持解析度與亮度。
這種方法對稍長時間曝光後可以自動消除影像雜訊，而不影響畫面品質，通常 可接受的極限約2～3秒前後；超過感光器的曝光極限，雜訊便會大量出現，此時這種弭平雜訊抑制的效果反而容易誤判，破壞畫面品質。
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