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别用高 ISO,后期给照片加亮度更好!索尼 a7RII 相机 ISOless 研究

写在前面的话:

早年有朋友问我一个问题,他说用相机拍照,既然 ISO 调节不能改变拍照时的光通量,那么依靠调 ISO 让照片更亮,和用 Photoshop 后期调亮照片又有什么区别呢?如果你对整个成像流程比较了解,应该就知道,这两种操作的本质都是对信号进行放大,但放大的层级不一样。

调高 ISO,就相当于放大电信号,而调亮最终的照片就是对数字信号进行放大了。实际上,在电信号转换成数字信号的过程中,仍然会产生噪声,所以按照我们的常识来判断,肯定后期提亮照片对画质的影响更大——而调高 ISO 虽然也会让画面噪声变多,但由于其放大的信号更原始,所以对画质的影响至少相比后期提亮肯定要小得多。

但这个想法直到去年看到 ISOless sensor 这个说法被颠覆,这可能和这个时代的高端图像传感器,后端噪声变得越来越小有关。DPReview 在 2 年前就专门写过这样一篇文章《Sony Alpha 7R II: Real-world ISO invariance study》,即后期提亮照片和调高 ISO 拍照,这两者的画质差别在某些高端相机上,已经变得比较小,甚至前者还能保留更多的亮部细节。这 TM 听起来不科学啊!

DPReview 称这种现象为 ISO-invariance,实际上也就是 ISOless 了。此文以索尼 a7R II 为实验对象,观察这其中的差别。不过这篇文章并没有对 ISO-invariance 的原理进行过多解释。有兴趣的各位请仔细看一看。

另一方面借由这篇文章,我们也能进而得出一个推论。就是针对富士微单,其声名远播的一点就是 ISO 虚标(也就是明明当前状态是 ISO800,却偏要告诉用户现在是 ISO1600 咯)——如果说富士也选择 ISOless sensor,那么这种虚标可能是完全无所谓的——因为咱有后期提亮大法啊,拍得暗一点又怎样呢?去年在色影无忌论坛上就看到有人提出富士的 ISO 虚标并不影响实际拍摄,并且提到富士微单就是 ISO-invariance 的。这里面的门道可不只是噪声水平相当的问题哦,测光也有讲究。玄幻吗?

【补充:本文有个值得商榷之处,即索尼 a7r II 在 ISO640 及更高感光度下,前端信号会应用更高的模拟增益,这对压低后端读取噪声很有帮助,即在 ISO640 及更高感光度下,这款相机才算是真正的 ISO-invariance,有关这部分的讨论未来我们或许可以再聊聊。DPReview 的原文实际上对此略有注解,但谈的比较少。

感谢老柳同学在评论中特别指出这一点。】

正文开始:


图片来源:索尼

索尼 Alpha 7R II 有不少具备革新意义的提升,其中一大提升就是采用全新的全画幅 4240 万像素 BSI-CMOS 传感器。索尼传感器通常由于噪声低,Raw 动态范围是相当高的,不过我们期望进一步了解噪声水平到底有多低。所以我们针对这款相机进行了 ISO-invariance 研究,而且是真实拍摄场景下。

引言

最近,我们在可控环境下测试了相机的 ISO-invariance,主要是对比不同相机之间的 Raw 动态范围。在聊索尼 a7R II 的结果之前,我们先聊聊背景知识。

噪声水平很低的相机,也就能够捕捉到较广的动态范围,有助于画面暗部的细节呈现,暗部画面噪声也会比较低。也就是说,后期可以推一推暗部,令其可见——这样一来,拍摄的时候就可以针对高光部分做测光,通过后期来“拯救”暗部。而那些动态范围更小的相机,这方面的能力就会比较差,所以后期推亮度,会让画质显得更糟。

(译者注:当我们严肃地聊到动态范围,也就是 dynamic range 这个词的时候,就不能将其与“宽容度(latitude)”一词进行混用了。一般的,某个图像传感器的动态范围 = 图像传感器的满阱容量 / 本底噪声,可见噪声对于动态范围的价值。)

上面这些背景知识,暗含了下面一层意思:噪声水平很低(高动态范围)的相机,很多时候已经不需要放大传感器信号来控制噪声水平了(译者注:这里的放大传感器信号,就是指放大传感器的电信号,也就是放大 ISO 的过程)。这样一来,某些原本需要高 ISO 设定的场景,拍摄过程就有了新的选择。也就是说,如果你已经决定好拍摄所用的快门和光圈设定,就可以不用去管更高的 ISO 设定了——因为更高的 ISO 只是让直出片看起来更亮——你可以选择后期去调亮度。

为什么这么做?为了保留高光细节。实际上,下面就是我以这种方式用尼康 D810 拍的一张照片——尼康 D810 也是一款 ISO-invariance 的相机:

我们先前在 DPRreview 之上已经发过这张照片好几次了,因为这的确是真实场景下一个很不错的例子,即用高宽容度相机捕捉到的画面。

这张照片的曝光是以高光部分为基准进行的,所以 ISO 比较低。这张照片用 M 模式拍摄,采用大光圈和高速快门(1/640s)。为了保证天空部分不会过曝,我把 ISO 设定在 140。后期将阴影/中间调提 4EV,拉低高光部分,这张照片就达到我的预期了,并不存在太多噪声的问题。这主要得益于尼康 D810 的 Raw 动态范围,还有索尼传感器。

ISO-invariance

在我们的 ISO-invariance 测试中,我们做了一件看起来比较反直觉的事情:我们在不同 ISO 设定下,采用相同的光圈和快门速度拍照,然后在后期处理中将所有 Raw 文件拉到相同的亮度。还记得我们前面提到的吗?ISO 设定其实只是相机内部的一个“提亮工具”,所以我们要做的就是观察:提升 ISO 拍照,和通过后期提亮照片,区别有多大。

下面的样张中,你会看到不同 ISO 拍下的照片。所有 ISO6400 以下拍摄的照片,都会通过 ACR 后期提曝光。比如说,以 ISO100 拍摄的照片提亮 6EV,ISO200 拍摄的照片则提亮 5EV,以此类推。结果会发现,ISO-invariant 相机以低 ISO 拍摄的照片,通过后期提亮,画质损失是非常小的;但如果是 ISO-variant 相机(较低动态范围),相比依靠 ISO 抬高亮度,后期调整画面曝光,就会对画质造成明显更大的消极影响。

要查看原图请前往 DPreview 原文
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如上图所示,采用 ISO6400 拍摄,相较采用 ISO100 拍摄再后期对数字信号进行提亮,这两者在噪声方面的差异,从观感来看是比较小的,或者说可接受的*。知道了这一点有什么用?这类传感器的后端读取噪声(downstream read noise)很低。其价值就在于,想一想在通常曝光场景下,ISO6400 设定下的光圈和快门速度一般都会比较理想(也就是允许用更小的光圈和更快的快门)——在有了 ISO-invariance 的情况下,我们完全可以用 ISO200,搭配上述理想的光圈和快门速度来拍照,拍下来的画面虽然比较暗,但后期提亮即可。采用较低的 ISO,高光细节也可得以保留,针对暗部细节进行后期提亮也不会产生多大的画质损失。

(译者注:downstream read noise 是指在 ISO 放大之后,所有后端电子组件和各种来源产生的噪声,包括可编程增益放大器的噪声——即由 ISO 设定产生的,还有模拟数字转换过程中的噪声,以及相机中所有电子部件路径中可能引入的噪声;相对的 upstream read noise 则是指画面捕捉过程中,像素产生的电子噪声。如果你看不懂这一段的话,去理解下数码相机拍摄,从画面捕捉到最终成像的原理吧。)

但也不能说,采用低 ISO 再后期提亮不需要付出任何代价**。应该这么说,采用 ISO100 拍摄,后期提亮 6EV(相比 ISO6400 拍摄),需要付出的代价也仅是阴影部分的半档左右,中间调则几乎没有可见的损失***;与此同时还有更好的亮部呈现。

Raw 压缩

聊到信号,去看一看上面照片中悲催的伪像(artifact)。在 a7R II 这款相机中,索尼仍然采用祖传的有损 Raw 文件格式,没有给用户无损 14-bit Raw 的选择。当然这不会影响到所有的照片,但给照片提亮的时候,在高对比度边缘位置会产生难看的伪像。ISO100 + 6EV 和 ISO200 + 5EV 的画面中,就存在这样的伪像,更高 ISO 拍下的照片就不存在这种情况。这是索尼的有损压缩造成的,Iliah Borg 的研究文章中对此进行了更深入的分析。

(译者注:看到 DxOMark 官方将 artifact 这个词译作伪像,感觉翻译得挺好的,以前我的所有文章中都没有把这个词翻出来,因为感觉找不到对应的中文词汇。artifact 是指不属于画面中应有的东西,或看起来不自然的部分,比如说拍照常见的鬼影、眩光都属于 aritifact,此外双摄模拟背景虚化产生的不自然也可以说是 aritifact,此处的 artifact 则具体指将画面高对比度位置提亮后,产生的色调分离伪像。)

我们认为这样的 Raw 压缩方案真的很不应该,尤其在这样的 ISO-invariant 相机上。如你所见,ISO200 + 5EV 的照片,和 ISO600 拍下的照片,在早生方面的差异是很小的。这都是因为相机的高动态范围、ISO-invariance。这样一来,用户就可以多多依靠后期来提亮照片了,而不需要在拍摄的时候就提 ISO 设定。但由于 Raw 压缩的存在,这样的操作就受到了限制。

【补充:评论中老柳同学指出,a7r II 早在很久之前就推出了支持无损格式的固件。特此说明。】

总结

索尼 a7R II 的高动态范围,也就意味着这款相机是 ISO-invariance 的。也就是说照片提亮操作可以留给后期处理的时候进行,采用更低的 ISO 还能更好地保留画面中的高光部分。这对纯手动(M 档)操作很有价值,把快门速度和光圈设定为你需要的参数(按照高 ISO 设定),再调低 ISO 即可。虽然索尼的 Raw 压缩会对此造成一些限制。

值得一提的是,在很多相机中,如果采用上面提到的方案来拍照,体验可能会比较糟,毕竟预览和直出片可能都是黑乎乎的。但在索尼新一代相机产品中,可以在 Picture Profile 菜单中设定 ultra-flat S-Log2 gamma 曲线。调整这条曲线,可将暗部在预览中呈现为中间调,这样一来人眼看到的预览画面仍有着较广的动态范围,也就能够更好地用上述方案来拍照了。

注释

* 如果你也想测试,记得关闭 “Shading Compensation”;

** 从噪声水平来看,通过后期处理来提亮画面(相比直接采用更高的 ISO 拍摄),必然也是有损失的。即便是噪声水平最低的相机,如尼康 D810,后期提亮相比高 ISO,还是能够看到一些额外的噪声,这主要是由后端读取噪声导致的——部分量化噪声源于此类相机较大的满阱容量,ADC 位深的不足。就 a7R II 这款相机,可能和更高的 ISO 设定有额外加成也有关系:即更高的转换增益。Bill Claff 针对 a7R II vs a7R 的数据显示,ISO640 及更高 ISO 下,前端信号路径中会应用更高的模拟增益,也就能够帮助进一步消除后端读取噪声——虽然这在索尼传感器中原本就已经非常低;

【补充:也正因为如此,实际上这款相机仅 ISO640 及以上才是真正的 ISO-invariance;此前 ISO-variant 反倒是好事。】

*** 作为参考,点击这里可以看看 D750 不同 ISO 设定之间噪声表现 1EV 的区别,或者不同格式间 1 1/3 EV 的噪声差异。我们观察到 a7R II ISO6400 和 ISO100 + 6EV 相比暗部噪声差异相较其它相机都更小。

* DPReview 原文:Sony Alpha 7R II: Real-world ISO invariance study ,转载请注明来自 DPReview 及译者欧阳洋葱

编辑于 2017-11-01

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