Re: [問題] 光圈和片幅的取捨

看板DSLR作者splendidpoem (天降六月雪)時間9年前 (2015/05/13 10:15)推噓34(34推 0噓 54→)

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感謝Epsilon大的教學文，令人獲益良多。但小弟對文中的結論感到些許疑慮。您指出：相機的「真雜訊」(讀出雜訊)在高ISO時是較低的，並舉Dpreview的評測為例。但是，就小弟所知，您的結論其實是特例而非常例，僅適用於早期的數位相機和現今的Ca non相機。在其它廠牌的大部分相機中，ISO和雜訊實際上是脫鉤的，並沒有直接的關係。證據在於：在Dpreview該篇評測文中，您可以點選其它廠牌的相機去檢視測試照片。您會發現：其實大部分的數位相機，當光圈和快門固定、亮度提升至相同時，低ISO的雜訊和高ISO時幾乎一模一樣。只有Canon的相機，才會有同樣條件下，低ISO雜訊比高ISO更多的現象。這個現象的理由在於：Canon廠和非Canon廠，兩者對處理【Sensor】→【AMP】→【ADC】這條路徑的架構大相逕庭。其中，AMP是類比訊號放大器，ADC是類比數位轉換器。在大部分的Canon相機中，其ADC是獨立於感光元件外。感光元件接收到光子後，將訊號透過管線，輸入到外部具8組處理器的ADC進行訊號轉換。至於其它相機，以採用Sony感光元件的相機為例，則是感光元件直接內建ADC，一個像素對應一個ADC。類比訊號非常容易受到干擾，訊號維持在類比型態的時間越久，額外的雜訊就會越多。由於5D3的類比訊號從感光元件到ADC的路徑比D810還長，故低ISO時的雜訊會較多。另一方面，Canon因為ADC較少，因此採用較高時脈進行處理；而Sony則是一個像素對應一個ADC，時脈遠比Canon低很多。低時脈使訊號變動幅度較低、較為平滑，因此低ISO時的讀取訊號也會相對較低。證據在於：在ISO 100時，Canon 5D3的讀取雜訊是33.6e-，而採用Sony感光元件的Nikon D810則是4.5e-。這體現於兩個顯著的差異： (一)低ISO時，Canon的雜訊會比Sony架構還多。 (二)越低ISO意謂著越高的感光元件滿井容量，而越低讀取雜訊代表越低的雜訊門檻(Nois e Floor)，兩者分別是動態範圍的上下限。由於Sony架構在最高滿井容量(Unity Gain時的ISO，通常為100)時的雜訊比Canon更低，因此動態範圍也相對較大。當然，獨立的ADC也有其優點，例如：感光元件不需額外冷卻裝置替ADC降溫，耗電較低，使得暗電流較少，利於錄影或長時間曝光。但在一般攝影場合中，Canon相機於低ISO時的雜訊和動態範圍都稍遜於其它廠牌。數據可以證實此項推理：Canon 5D3在ISO 100時的讀取雜訊是33.6e-，採用Sony感光元件的Nikon D810則是4.5e-。不過依照機型的不同，大部分Canon相機在ISO 1600~3200時，讀取雜訊會降到相對低點。之後就算繼續調高ISO值，也不會再明顯減少讀取雜訊，反而會放大其它感光元件所產生的雜訊，並損失高光細節，以及減少動態範圍。因此，Canon 相機通常有所謂「最佳ISO上限」的說法，例如5D3就是ISO 1600；超過這個數值，只會失去更多資訊，而對畫質沒有任何幫助。由於低ISO讀取雜訊較高，故當Canon用戶調高相機ISO值時，相機只能使用放大器將類比訊號放大，因為這樣才能壓低放大器輸出端的讀取雜訊之影響。我們再度以5D3為例：當I SO從100增加到3200時，讀取雜訊依序為33.6→18.5→10.5→6.1→4.1→3.1(e-)。雖然讀取雜訊隨ISO增加而減少，但不能忽略的是：讀取雜訊並不是照片整體雜訊的唯一來源。在ISO值增加(亦即類比訊號被放大)的過程中，Shot Noise的影響會越來越明顯。這是因為Shot Noise是發生在短曝光時間下、光子打進感光元件的階段，也就是產生於放大器之前，因此它會隨著ISO值逐漸增加(訊號逐漸放大)而一起被放大，並掩蓋掉讀取雜訊的降幅。這些因素，造成了5DS/R及其它Canon相機，會有像Dpreview評測的結果：當照片亮度相同時，ISO越低、雜訊越多。此外，對於放大訊號、提升亮度的手段來說，相機調高ISO增加亮度，和出片後使用電腦軟體提升亮度，兩者目的一樣，但過程不一樣。前者是在訊號還未進入ADC前進行類比放大，讀取雜訊會減少；後者則是在影像原始資料已完成後再進行數位放大，由於這時讀取雜訊已包含在原始資料內，故會跟著一起被放大。因此，這造成在Dpreview的評測中，同樣亮度下，低ISO的雜訊會比高ISO更多。因為Cano n在低ISO下的讀取雜訊很高，當使用電腦軟體將ISO 100的照片調亮至和ISO 6400相同時，原本就已很高的讀取雜訊會再被放大64倍。而機身ISO 6400所出的照片，讀取訊號因為類比訊號放大而減少，增加的只有在感光元件上產生的其它雜訊(例如：短曝時的Shot No ise)，因此看起來相對乾淨。作為對比的，則是其它廠牌的相機。以Nikon D810為例，從ISO 100至3200，讀取雜訊是4 .5~2.7e-，相當平緩，沒有像Canon那樣劇烈的降幅。由於這類相機在最高滿井容量時，讀取雜訊也非常低，因此當需要拉高ISO值時，它有更多的自由可以採用類比放大、數位放大，或是混合使用。採用類比放大的好處是：類比訊號的曲線是連續的，不像數位訊號那樣非0即1，因此增加亮度時的色彩過度較平滑，較不會出現用電腦軟體拉曲線拉到照片出現斷階的情形。而採用數位放大的好處，則是在後製時有極高的優勢：RAW的高光細節保留很多，動態範圍很大。原理在於：這類相機本身其實只有一個基礎的ISO值(亦即Unity Gain)，通常為100。假設我把相機的光圈和快門設定好後，為了把照片拍亮一點，而將ISO從100調到400，然後按下快門。此時相機實際上仍然是用基礎ISO 100紀錄下原始資料。當使用電腦軟體讀入RAW 檔時，軟體才會根據RAW檔的資訊，將訊號放大4倍，使照片亮度看起來就像是ISO 400時拍的。這麼做的用意，在於保留住高光細節。雖然用ISO 100紀錄下的原始資料，比正確曝光的I SO 400欠曝2檔；但因為讀取雜訊很低(亦即雜訊門檻很低)，故暗部細節能完整紀錄所有資訊，且不會產生太多雜訊；而亮部細節也因為欠曝而保留下來，因此其原始資料的動態範圍極大。因此，當我們將這份RAW檔讀入電腦軟體後，即使發現不小心過曝而背景一片死白，也可以在動態範圍內救回細節和色彩，不像以前對過曝的部份束手無策。因為它的原始資料，實際是一張欠曝，但動態範圍極高、雜訊門檻極低的照片。對這類相機而言，它打破了傳統曝光三要素的概念：ISO已沒有那麼重要，因為不管您怎麼調整ISO值，相機其實都只用基礎ISO在紀錄資訊。但這並不是說：「既然如此，我乾脆都用ISO 100拍照再後製拉亮度不就好了？反正相機也是這樣做」。因為真正關鍵的，是光圈和快門所決定的進光量：在滿井容量飽和前，射入的光子越多，雜訊就越低、細節就越多、動態範圍就越大。就實際例子來說：假設光圈固定時，ISO 100、快門1秒，以及ISO 1600、快門1/15秒，雖然亮度一樣，且相機實際上也都用ISO 100在紀錄，但前者曝光時間較長、進光量較多，故畫質會較好。因此，結論是：在Canon以外的相機，ISO高低其實已和雜訊多寡沒有任何關係了。仍然感到疑惑的板友，可以重回Dpreview的評測文，實際檢視一下其它廠牌相機在各ISO的表現。 -- Sent from my Android -- ※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 42.71.45.28 ※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/DSLR/M.1431483336.A.1F7.html Sent from my Android

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※ 編輯: splendidpoem (42.71.45.28), 05/13/2015 10:22:49 ※ 編輯: splendidpoem (42.71.45.28), 05/13/2015 10:26:00

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