015 [译] 如何为星空摄影找到最合适的相机感光度设置（上）

关于相机感光度对照片质量的影响，并非是简单的一句“感光度越高，噪点越高“所能概括的。相反地，在某些情况下，适当地使用高感光度反而能降低照片的噪点。

来自LONELY SPECK的文章《How to Find the Best ISO for Astrophotography》解释了这其中的关系

ISO是数码相机曝光设定三要素的其中之一。所谓的三要素是（1）快门时间；（2）光圈值；（3）感光度ISO。而在这三者中，ISO一直以来是被误解最多的，其中最常见的误区是“高感光度会导致更多的噪点“。事实上，结论恰恰相反，这是为什么呢？

对于感光度与噪点的关系，正确的描述应该是：在光圈与快门速度不变的情况下，单独增加感光度并不会增加相片的噪点，并且高感光度甚至对暗光条件下的摄影是有益的。在本文中，我将围绕感光度讨论一些与之相关的事情：ISO是如何确切地影响曝光的，如何为星空摄影找到你相机的最佳ISO设定。

简介

本文是星空摄影101课程中三篇文章中的一篇，后续的两篇文章会介绍快门时间与光圈f数。学习如何优化曝光设置是星空摄影中的最有用技巧之一。“我该在星空摄影时使用什么曝光设置？“这个问题可能是我被问到最多的问题。对于那些使用普通相机与镜头初次尝试星空摄影的新人来说，我通常建议先从我的“银河曝光计算器”（Milky Way Exposure Calculator）入手。这个计算器对于首次尝试拍摄夜空的人来讲是一个很好的开始。

在走出第一步之后，学习如何优化ISO设定是我推荐的下一步，而这也是这篇文章的目的。下边所列取的一些术语及其介绍希望能对课程的开展有所帮助：

ISO

在数码摄影中，ISO是国际标准化组织（International Organization for Standardization，简称ISO）所定义的有关曝光亮暗的一个标准。不同的相机传感器对光线有着不同的敏感性，因此我们需要一种方法来校准，从而让不同相机的在相同的曝光参数下拍摄出亮暗程度相同的照片。对于ISO的发音，大多数人是将这三个字母逐个的念出（aɪ-es-o），按照国际标准化组织的说法，这种读法是不正确的。正确的读法是只念出两个音节（aɪso）。

信号

信号是摄影中我们所需要的那一部分。光就是一种信号。信号也就是图像。如果没有信号（无光），就无法产生图像。收集到的光越多，信号越强。通常，信号越强，照片质量越高。

噪声

噪声是摄影中我们不想要的那一部分。噪声是一种干扰，在图像中以点状的颗粒出现，它们影响信号并因此导致图像丢失细节。噪声通常由热量或器件缺陷产生并以电信号的方式对数码相机产生影响。一类噪声会随机的出现在每张照片中（拍摄噪声），另一类噪声由相机传感器产生（上游读取噪声）或在经由相机放大电路放大时产生（下游读取噪声）。总之，噪声越多，图像质量越差。

信噪比（SNR）

一副相片中信号与噪声的比值即为信噪比。信噪比越高，图像质量越好。更多的光线 = 更多的信号 = 更好的图像质量。更多的噪声 = 糟糕的图像质量。尽量多的让传感器收集光线是增加信噪比的最好方式。

提高信噪比是提升图像质量的最好方式。Sony a7S, 55mm f/1.8 @ f/2.8, 48x5s, PP7, ISO 12800

动态范围

动态范围是一个场景中所有光线强度的范围，从最暗最黑到最亮最白。高动态范围场景拥有着极其明亮的高光（例如太阳）和极其黑暗的阴影（例如完全被影子所覆盖的黑色岩石）。低动态范围场景有着相对一致个光线强度，图像中最亮的部分并不会比最暗的部分明亮很多。相机只能够捕捉有限动态范围内的光。如果某个场景的动态范围足够高，任何超出相机传感器动态范围的光线要么会被压缩成纯白色，要么会被压缩成纯黑色。总之，能够覆盖光线的更高动态范围的相机总是值得拥有的。

声明：我是一名工程师，但我主要从事机械工程相关领域。在电子和计算机工程方向，我有些许经验，但并非我的主要专业方向。这篇文章的主要目的是简化这些概念，从而让更多的，没有专业背景的读者能够理解。如果你对这个话题很熟悉，并且发现了文章中很明显的错误，请让我知道。

同样地，本文中所有的内容同样适用于RAW图像。对于星空摄影来讲，通过拍摄RAW格式的图像来尽可能多的保留相机传感器所记录的数据是非常重要的。如果使用JPEG格式执行本文中的测试，可能会有一些问题。优化ISO选择来获得最佳图片的方法同样适用于其他低光环境下的摄影（与星空摄影类似），在这些场景中，较低的信号与各种噪声相互竞争，从而影响最终的成像质量。

ISO是一种信号放大或增益

非常常见的误解之一是增加ISO会增加相机传感器的灵敏度。ISO并不会改变灵敏度。增加ISO让图像变亮的过程只是简单地通过放大数字信号而获得。在电子信号世界中，信号放大又被称作增益。如同能通过多吃来增益体重一样，我们也能通过增加ISO来增益我们的图像亮度。

ISO 不会改变传感器敏感度

ISO不能以任何方式影响相机传感器获得的光强大小。如果确实需要相机对光线更加敏感，可做的要么是增加快门时间，要么是增大镜头光圈（更小的f值）。

高感光度不会增加噪声

好的，现在到了关键点：更高的感光度并不会增加照片中的可见噪声。

再读一遍这句话，是不是感到这与你知道的有关感光度的知识相矛盾？下面我将详细解释。

在其他条件都不变的情况下，更高的感光度会有如下的影响：

• 更高的感光度会增加图像的亮度；

• 更高的感光度会降低图像的动态范围；

• 同样，在一些情况下（例如星空摄影），更高的感光度确实会降低可见噪声的数量。

好的，我知道你在想什么：“那为什么我在使用高感光度时，照片的噪点增多了？“下边就是解释：

在多数的拍摄情形中，摄影师通常会使用相机的P（Program），A/Av（光圈优先/光圈可变），或者S/Tv（快门优先/快门可变）模式。在这些曝光模式中，通常更高的ISO设置会造成图像有更多的相对噪点。大多数人没有意识到的是，这些噪点的增加并不是因为增加了感光度而导致。在自动曝光模式（P，A/Av，S/Tv）中使用更高的感光度导致的相对噪点增加实际上是由于快门速度被降低或光圈被减小而导致的相互作用的结果。大多数人错误地把噪点增加归因于ISO的增高，事实上的原因是快门速度与光圈值的变化导致了更低的信噪比。

在自动模式下设置高感光度，相机会尽量通过降低进入相机的光强而补偿感光度的提升。此时，进光强度的降低是由相机通过增加快门打开时间（在A/Av模式下）或使用一个更高的光圈f值来减小镜头光圈叶片打开程度（在S/Tv模式下），或者两种方式一起使用（在P模式下）。

因此，通过快门或光圈来降低射入光强才是导致图像产生噪声的根本原因而不是更高的ISO。入射光强的降低导致信号强度减小，信号强度的减小拉低了整体的信噪比，从而产生一个充满噪点的图像。

快门，光圈和ISO是如何影响噪声的

通过一个简单的比较测试就能发现相对噪声等级主要受快门和光圈的影响，而ISO对其影响甚微。在这些测试中，除了我们要测的项目被单独调整2档之外，其他所有的设定都将保持一致。之后，在后期处理中，所有拍摄的照片会被调整到相同的亮度并且被比较。

下图是测试图的全图。该图是在市郊拍摄的猎户座，图像格式为RAW，拍摄器材为Sony A7S + Zeiss 55mm/1.8。

猎户座，Sony A7S, 55mm

快门速度对噪声的影响

• 8s, f/2.8, ISO 3200

• 4s, f/2.8,ISO 3200 （后期+1档曝光）

• 2s, f/2.8,ISO 3200 （后期+2档曝光）

快门时间对噪声的影响 - Sony A7S，55mm，f/2.8，ISO3200

结论：更短的快门时间 = 更低的信噪比 = 更多噪声的图片

光圈对噪声的影响

• 8s, f/2.8, ISO 3200

• 8s, f/4.0, ISO 3200 （后期+1档曝光）

• 8s, f/5.6, ISO 3200 （后期+2档曝光）

光圈（f值）对噪声的影响 - Sony A7S，55mm，8s，ISO3200

结论：更高的f值 = 更低的信噪比 = 更多噪声的图片

ISO对噪声的影响

• 8s, f/2.8, ISO 3200

• 8s, f/2.8, ISO 6400 (后期-1档曝光）

• 8s, f/2.8, ISO 12800 (后期-2档曝光）

ISO对噪声的影响 - Sony A7S, 55mm, f/2.8, 8s

结论：高感光度 ≠ 更多噪声

从我用Sony A7S进行的三个测试能看出，快门速度和光圈非常明显地、直接地影响了照片中可见噪点的数量，然而ISO并没有明显增高。这与很多人期待的高感光度会导致噪点增加的预期不相符。

在低光环境摄影中，对于ISO数值增加对可见噪声的影响，在一种情况下会非常的明显：下游电噪声（downstream electronic noise）。下面让我们看看不同类型的相机是如何被下游电噪声所影响的。

ISO不变 与 下游电噪声

不同的相机，不同的传感器对低光环境摄影的影响是不同的。理解自己手中的相机中传感器的工作原理能够帮助你找到星空摄影中的最佳ISO设置。在现代数码相机中存在着两种完全不同类型的传感器，因此我们把相机划分为两个阵营：ISO可变 与 ISO不变。

ISO可变相机（ISO-Variant Cameras）

相机使用放大倍数可变的模拟信号放大器来调节ISO。简单来讲，放大器会把从传感器获得的电信号以2X倍数进行逐级放大，从ISO100，200，400，800，1600等等。更高的ISO值意味着更对传感器信号的放大倍数更高。

如果一开始的信号就很弱（例如在低光环境下），较低的ISO可能无法对传感器数据的电压进行足够的放大，以克服下游电路产生的噪声。这就意味在类似星空摄影之类的低光环境下，ISO可变相机确实会在较低的ISO值设置时产生更多的噪声，并在较高ISO值设置时产生更少的噪声。佳能EOS 6D仍然是我在天文摄影数码摄影中最喜欢的单反相机之一，它具有很高的ISO可变性，实际上6400或者更高的ISO数值才是它在低光环境下最佳的ISO设置。

佳能EOS 6D拥有高ISO可变性并且在ISO6400或者更高的情况下获得最佳的低光噪点性能。

绝大多数的单反相机都拥有高ISO可变性。然而对于佳能产品线来讲依然有个别的例外机型并非ISO可变，其中包括最新的Canon EOS 5D Mark IV和Canon EOS 80D。

ISO不变相机（ISO-Invariant Cameras）

ISO不可变相机拥有更低的下游读取噪声，因此在低光环境拍摄的环境中，信噪比并不会因为ISO改变而变化很多。简单来讲，传感器数据在被转换为数字信号之前就已经被放大到超过了能够克服下游电路噪声的阈值。这样导致的结果就是较低的ISO值会导致更少的阴影噪声，并且不同ISO数值对噪声的影响也变化很小。大多数这个类型的相机被认为是ISO无关或IOS不变的。一个ISO不变相机的典型是Fujifilm X-T1。本文末尾提供了X-T1的ISO不变性测试的示例。

由Sony和Fujifilm制造的现代数码相机往往是ISO不变的。

注释与例外

好吧，这并不总是非黑即白：在超过某个特定的高ISO值后，许多ISO可变相机最终的表现都与ISO不变相机类似。高于某个ISO阈值后，这些相机会完全克服下游电路产生的噪声，并在较高ISO的情况下表现出很小的信噪比差别。大多数的佳能相机会在高于ISO1600后触发这个情形。了解相机的这个阈值能够帮助我们在低光环境下获得最佳的性能。

与之类似的是，许多ISO不变的相机的增益可能会有一个或两个明显的阶跃，这将对影响画面质量的全局读取噪声产生影响。在这种情况下，可能仍然存在某个ISO阈值，在高于这个阈值时会对低光环境拍摄产生积极的影响。Sony A7S在ISO从100到200，1600到3200时会表现出这个现象。Sony A7S在低光环境下表现出最佳性能的ISO值在3200以上。否则A7S在低光环境条件下ISO设置的变化对图像噪点的影响相对较小。

最终，两种类型的相机都实现了相同的目标，那就是使用某个特定的ISO值来让图像变得明亮，然而最后的结果却大相径庭，尤其在低光环境中。ISO不变性对相机来讲是一个相当重要的特征，因此dpreview.com网站对最新的大多数像机的测评中都添加了ISO不变性测试。我个人认为这对了解相机的工作方式从而找到其在低光环境下的最佳性能的设置有着很大的帮助。

原文地址：https://www.lonelyspeck.com/how-to-find-the-best-iso-for-astrophotography-dynamic-range-and-noise/