Re: [問題] 光圈和片幅的取捨

[splendidpoem (天降六月雪)]

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
。


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※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc), 來自: 42.71.45.28
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→ PlayStation3: ...有點強
※ 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
推 kblover: 簡單明瞭  把路徑都寫出來就很明顯了
推 kblover: 不過這裡我覺得有點問題  s大寫類比訊號是連續的比較不
→ kblover: 會斷階  但就算是類比訊號最終也是要經過DAC數位化
→ kblover: 原始是連續的訊號也要變離散  這樣看來跟斷階與否感覺
→ kblover: 只有在你最後擷取的位元深度有關  原始的數位訊號如果
→ kblover: 就是高位元數(ex.14bit或更高)  其實也不會斷階
→ kblover: 感覺跟類比或數位似乎沒什麼關係
推 linpo1206: 好強！
推 ll35566: 瞭改
推 yesno1011: 推
推 ts3098362: 專業推
推 NewTypeNeo: 有點強   而且手機發文還沒排版問題
→ Issye: 好厲害，看不懂，但好有意思
推 Issye: 沒推到補推
推 ienari: 我怎麼跪著推文
推 waa006: 強者
推 strike5566: 推
推 ferrinatice: 專業推！我可以腦補這就是為什麼Canon相機的DxOMark
→ ferrinatice: 普片偏低的理由嗎？
推 IloveBlack2: Sent from my Android
推 DESTINY0105: 看了好幾遍~~~~好強的文
推 loxjjgu: 推
→ shinegg: 我有點好奇 請問這是原PO自己的理解 還是資料的整理@@?
→ shinegg: 有幾點疑問想提出討論(並非吐槽)
推 CYBASTER: 長知識大推！感謝如此細緻的分享
→ shinegg: 1.關於訊號轉換的DA部分 這部分有點曖昧不清 不管你在哪
→ shinegg: 部分放大 最後記錄下來的都是數位訊號呀 前面senser的
→ shinegg: 二極體部分記錄到的光子都是類比訊號 後面DA都要變成數位
→ shinegg: 理論上從哪放大都是一樣?差別只在於前面類比部分的純淨度
→ shinegg: 2.關於有個基本ISO這部分我也有疑問 如果長期在低照度環
→ shinegg: 境下拍攝的經驗 ISO100跟ISO1600能拍到的東西是天差地遠
→ shinegg: 更別說ISO3200以上的情況 我實在無法理解如何用一個固定
→ shinegg: ISO的raw檔去解析轉換成其他ISO值
→ shinegg: 不管高光還是暗部的部分 差個4級ISO之後根本拍到的是完全
→ shinegg: 不一樣的東西 反向過來你可以試試看在亮度充足的環境下
→ shinegg: 同樣用高速快門拍個ISO3200的照片和正常快門拍個ISO100的
→ shinegg: 照片比較 看雜訊 動態範圍細節 色調等等 是否會一樣?
→ shinegg: 就結果來看 canon的相機在"極"暗部雜訊方面一直有問題 但
→ shinegg: 色彩過渡性的確也一直細膩沒錯 nikon的色彩鮮明乾淨 暗部
→ shinegg: 拉回來能用的多一些 sony沒啥玩過 就結果論來看是這樣
推 kiffy: 強大！
→ shinegg: 但前面解釋的部分 在邏輯上有些東西我不太能理解w
→ shinegg: 不知道有沒有更明確的資料?
推 rugger5566: 推專業(立馬把5D3低ISO擴張關掉XD)
→ festa: shinegg講的結果裡的canon特性就是類比放大的特性啊
→ shinegg: 其實我覺得有點像是用結果回去"推測"原因而已 不知道有沒
→ shinegg: 有明確的資料XD另外ISO擴張是真的可以增加一點動態範圍..
→ shinegg: 我是指拍攝當下能拍到的動態範圍 不是後製的
推 rugger5566: 應該是高光度優先？！
推 rugger5566: 另外應該不是用電傳輸就是數位，像以前電視的cable線
→ rugger5566: 是類比。
→ shinegg: 唔 是高光優先沒錯XD 我有點腦包抱歉w
→ shinegg: 另外 不管數位還是類比都可用電傳輸 只是訊號的類型不同
推 sorochis: 我對文中提到「一個像素對應一個ADC」抱有很大的疑問
→ sorochis: 這不但以元件面積來說不太可能達到，以功耗來說更是驚人
推 donatello: 是啊 D810 是36MP 所以有3600萬枚 ADC? 在sensor裡？
→ donatello: 不過這好像解釋了當初nex 連拍和錄影冷卻時間很長
推 vchenkoshe: 不完全正確阿 原生ISO不是只有100,還有200,400,800等
→ vchenkoshe: 而且不是以數位放大來完成的
→ vchenkoshe: ISO 6400曝1/100 跟ISO 3200曝1/100再拉1EV是不一樣的
推 kblover: 我也覺得一個像素對應一個adc很奇怪  哪有這麼多ADC
→ kblover: 我覺得也不完全是單純的數位放大拉
推 kblover: 單純只有數位放大  那你只要GAIN拉高一點很快就overflow
→ kblover: 那雜訊應該爆得很快  而且是線性爆炸
推 user1120: 單純就CIS是不是一個pixel就是一個ADC，我很久以前的印
→ user1120: 象，的確是如此，而CCD則是一個ROW還是Column使用一個
→ user1120: ADC，所以這個ADC可以做的比較CMOS上的準，但CCD成本比
推 kblover: 挖靠這麼威  所以d800系列友36mp個ADC....
→ user1120: 較高，電路和Sensor要用不同的製程，CMOS就是同個製程，
→ user1120: 成本差異下，大家都往CMOS這條路，技術精進，現在CMOS
→ user1120: 已經做的比當年好得多了。另外，Full HD 錄影需求也讓
→ user1120: CCD這種共用 ADC 的架構比較不適合，因為共用代表資料
→ user1120: 要循序進入ADC，所以 data rate 就比較不好提高，
→ user1120: CCD的機子很少有 Full HD 錄影的
→ user1120: 這是好幾年前的印象，有錯誤請告知，謝謝。
推 C3X: 不過類比訓號還是可以透過電容之類的元件去平滑化之類的吧？
推 user1120: 要作幾個不是問題，問題是一個 pixel 一個 ADC ，留給
→ user1120: 設計ADC的面積空間很有限，做的好不容易
→ festa: 背照式不就在處理這個問題嘛
推 SwordDevil: 推!! 之前只知道 C家雜訊跟其他家趨勢不同 現在瞭解了
→ SwordDevil: 還有 iso 和動態的範圍的關係
推 Roset: push
推 joseph335: 想請問那CANON早期的相機，像5D、大兔這些跟現在的5D3
→ joseph335: 狀況是一樣的嗎？
推 ttykimo: 請問是因此sony單眼在錄影上才那麼容易過熱?
推 evol6381: 感光元件直接內建ADC???ADC架構很大耶，要怎麼內建呢?
→ evol6381: sony應該是採用column level ADC
這篇文章為了讓板友們也能一起參與討論、而不是只限於部份人士，因此特別簡化許多專
業名詞和概念，用不絕對精確、但比較易懂的描述來形容其機制。Sony的感光元件，確實
是Column Parallel ADC。
※ 編輯: splendidpoem (61.64.206.27), 05/14/2015 11:37:29