这段简短的文章解释了数码ISO感光度（以下简称ISO）如何被确定，以及使用更高或更低的ISO会给数码照片带来什么影响。 请注意，关于及数字传感器ISO感光度标准的文档是受版权的。如果你希望阅读这些资料，需要购买相应的ISO标准。本文，我们只总结一些最重要的原理和结论。
如果你使用过胶卷，很可能已经注意到在每一个胶卷盒子外面标注着的，表示对光线度的数字。这个数字就是胶卷的“ISO”。ISO数字越大，胶卷对光线就越。 在数码摄影中，ISO扮演着相同的角色。这就是：ISO数字衡量着相机传感器对光线的程度。且同样是数字越大，传感器对光线就越。 一款胶卷或一块传感器的ISO值由制造商来确定。国际标准组织（简写为ISO）制定了一系列相关标准，制造商就遵循这些标准来为胶卷或传感器确定ISO值。这些标准的作用是为确定ISO值提供一个统一的框架。 对数码相机来说，这些标准了具有相同ISO的传感器和胶卷对光线具有相同的程度。这意味着所有适用于摄影的测光表与技术，对数码摄影同样适用。
ISO的定义实际上存在两种刻度，一种是线性刻度，另一种是对数刻度，即“ASA”和“DIN”。创建于1987年的ISO感光度将这两种古老的刻度合二为一。 当出现两个数字时，它们需要用斜线“/”分开，而且对数值需要加上度数单位“°”。例如：“ISO 200/24°”。如果只写出一个数字，那么总是表示线性刻度。 在谈到ISO时，实际上有两种说法：ISO值和ISO范围。前一个表示一种特定的感光度，也就是我们一般情况下说的“ISO多少”；后一个表示一段感光度范围。在这个ISO范围内，照片的画质是“可以接受的”。 ISO范围决定了可以使用的ISO值的范围。对来说，改变ISO值需要改变冲洗液、温度或冲洗时间。如果ISO值被提高了，就称其为“迫冲”；如果ISO值被降低，就称为“降感”。 对传感器来说，ISO值通过模拟或数字放大来实现。在下文我们会详细讨论这种放大方法和其产生的结果。
为胶卷定义ISO的原理记录在3份的标准中：《ISO 6:1993》、《ISO 2240:2003》和《ISO 5800:1987》。它们分别适用于黑白负片、彩色反转片和彩色负片。 标准中记录的处理流程是用一系列的光亮照射待定，然后对分别用的显影液进行等级的显影。 在这一系列中，当的最小密度出现时，就按照标准确定出了胶卷的ISO值。这就是的基准ISO。 通过迫冲或降感，胶卷的ISO可以被升高或降低。降感会降低的对比度，同时提高动态范围；迫冲则具有相反的效果，同时也会增加可见颗粒。 通过和显影来确定ISO。不幸的是，这种方法不能用于传感器。数码ISO必须通过其他的方法来确定。 确定数码ISO的具体方法记录在标准《摄影技术.数字静物机.指数、ISO感光度标定值、标准输出灵敏度和推荐指数的测定；ISO 12232:2006》中。 与相同的是，传感器也有“基准ISO”。对现代传感器来说通常是ISO 100或ISO 200。基准ISO通常是传感器表现“最佳”的ISO，即动态范围最大且噪点最少。 佳能从未公布过其传感器的基准ISO。不过佳能用户相信一些早期的佳能数码单反在ISO 100下拥有最大动态范围和最少噪点，而后期的机型则在ISO 200下表现最佳。 尼康早年曾经公布过数码单反传感器的基准ISO。低于基准ISO的感光度被标为L0.3、L0.7和L1.0。 尼康公布过的机型中大部分基准ISO是ISO 200。从一些新机型（D3100和D7000）开始，尼康不再使用“L”设置，而是简单地把最低ISO标为ISO 100。经过测试，这些相机在ISO 100下的动态范围比ISO 200时的要小。看起来尼康也开始学习佳能，不再公布基准ISO了。 在数码相机中，光线转变成数据的过程是这样的：电子传感器通过光子井收集光电子（由光子撞击传感器产生）。这个过程会在光子井中积累电荷。 在光子井中累计的电荷可以成电压。这些电压经由模/数转换器（A/D转换器）产生RAW数据，最终变成一个个像素，组成一张照片。
这张图显示了在一台采用12位A/D转换器的数码相机中，一个光子井在整个过程中输出数据的情况。图表的左边从0开始（没有光子撞击传感器），右边表示传感器感受到了非常多的光子。图中蓝色区域表示有效信号，红色区域表示噪点信号。注意横竖坐标都是对数。 光子井的工作过程是线性的，但是存在极限。当一个光子井积累了超过极限的电荷（图中绿线），继续感受更多的光线就会产生溢出，甚至影响相邻的像素（传感器光晕）。基准ISO就由光子井的集电能力，和基准量子效率（入射光子产生光电子的时间比率）共同决定。 出了有效信号外，这个过程中也会产生噪点信号。这些噪点包括了“暗电流”噪点（即使没有光照，传感器中也有电流）、输出噪点以及热噪点。 噪点在上图中以红色区域显示。在最暗的阴影（图中左侧），噪点就已经出现了，而且淹没了信号。 注意线性变化的光子井在左右两端都被“截止”了。在左侧，信号被噪点层截止，在右侧则会溢出。这一点和非常不同。 RAW转换程序通常默认采用S形曲线的影调映射，来模拟的表现，但影调映射也无法非线性区中丢失的信号（比如低于噪点层或溢出的信号）。 传感器的动态范围是指从左边信号开始淹没噪点，到右边信号开始溢出之间的范围。影调范围是指代表不同亮度级的可用位数。 动态范围和影调范围是有关的，而且有时可以互换。但是，正如下面这张图所展示的那样，它们是彼此的东西。 我们可以得到动态范围高或低的图像数据，也可以得到影调范围高或低的数据，而且任何两种组合都可以同时出现（高动态范围高影调范围，高动态范围低影调范围，低动态范围高影调范围，低动态范围低影调范围）。
影调范围衡量在将真实世界的影调映射到记录媒介上时的过渡。高影调范围数据的过渡非常平滑；低影调范围的过渡很生硬，在照片上能够看到明显的“色带”。 正如每位数码相机用户都知道的：数码相机的ISO可以对每张照片单独调整。事实上，大部分数码相机都允许摄影师使用比基准ISO更低或更高的ISO。当你改变ISO时，相机也会调整内部处理程序来适应新的ISO。 化的RAW数据同样也会受到影响。（通常是通过一个放大电来实现，而且放大电位于A/D转换器之前，即先放大电压信号，再数字化。例如，如果在ISO 100时的电压是100mV，调到ISO 200时，电压就变成200mV，在ISO 1600时电压变成1600mV，以此类推。） 允许摄影师调整ISO的设计思是为了充分利用A/D转换器的完整输入电压范围。充分利用A/D转换器的位深，我们就能得到最高的影调范围。 不过，传感器对光线的性实质上并没有提高，相机只是放大了传感器产生的信号。当我们放大信号时，噪点也同时被放大，所以会损失一些画质。这与对迫冲的结果有些类似。 尽管设置高ISO并没有改变传感器的基准ISO，但它也会影响A/D转换器产生的RAW数据。具体的影响根据各机型而不同，不过对于多数相机来说，提高ISO拍摄比用基准ISO拍摄然后通过软件增加，可以得到更少的噪点和更高的动态范围。 下面展示的两张图片说明了这个问题。这两张照片都用尼康D700拍摄，使用相同的和快门（1/40s，f/5.6）。左边的照片使用ISO 3200拍摄，没有经过后期处理（使用ACR直接从RAW转成JPG）。 右边的照片使用ISO 200拍摄（D700的基准ISO，欠曝4档），然后使用ACR增加4档。下方是两张照片的100%截图。
这组照片的对比说明提高ISO获得“正确的”，比用基准ISO拍摄（然后后期提高亮度）的噪点更少。 当我们迫冲胶卷时，增加的噪点有时会产生更好的视觉效果。但提高数码相机ISO产生的噪点不会。不过最新款的数码相机已经拥有出色的控噪性能，具有更好的高感画质。 使用比基准更低的ISO基本没有实际意义。出于市场对低ISO的广泛要求，大部分相机都提供了低于基准的ISO。然而，我们并不用户使用这些设置，这将导致损失动态范围。 这里我们做出解释：当你设置一个低于基准的ISO时，光子井产生的电荷仍然由入射光的多少而决定，但是为了模拟低ISO效果，信号需要减弱。 这样做不会改变噪点层，所以传感器产生了与基准ISO相同的噪点，但有效信号却被减弱。换句话说，使用低于基准的ISO没有带来任何好处（但给了快门速度更多选择）。 一部数码相机提供的ISO选择由制造商决定，他们会努力将噪点控制在一个可以接受的范围内，而基准ISO通常拥有最少的噪点。 关于ISO范围，ISO值的上限由最多可接受的噪点水平决定，而下限则由制造商认为可以接受的动态范围损失而决定。 由于时间、温度和湿度会影响画质，在ISO标准中对每一项都做了规范。在实际中，我们会在非常多变的中拍摄，不必考虑标准中的那些受到控制的实验条件，但（在实验室中得到的）ISO值仍然对画质具有参考价值。 在很长的一段时期内，12位A/D转换器被广泛地应用在数码相机中。除了使用模拟放大电外，也可以通过采用更高位数的A/D转换器来提高ISO。A/D转换器中的1位表示1次倍增。 如果我们有一块基准为ISO 100的传感器，在每个光子井输出不变的情况下，使用16位A/D转换器可以将感光度提高到ISO 1600，而不需要使用放大电。有些相机就通过这项技术来提供高ISO，还有些相机将高位A/D转换器和放大电结合起来使用。 使用16位A/D转换器不会减少噪点，因为数字倍增时噪点也会倍增，就像放大电的结果一样。不过，对未经放大的数码信号流可以采用其他的降噪技术，有些观点认为这种方式可以得到更好的控噪结果。 正如有些ISO 400彩色反转片比其他ISO 400画质更好一样，有些传感器在指定ISO下也会比其他传感器画质更好。通常，大尺寸的光子井能够产生较强的信号（得到较好的信噪比）。
在这张示意图中，光子井被比喻成收集雨水的水桶。一个空桶代表全黑，满的水桶代表全白。在时，快门打开，水桶开始收集雨水。通过测量水桶中收集雨水的多少，我们可以确定这个水桶/像素的灰度。 如上图所示，小水桶和大水桶会以相同的速率接水。但是水桶的表面积越大，在特定时间内收集到的雨水就越多。 在收集光子时，表面积较小的光子井就像小水桶一样，表面积大的光子井就像大水桶。水的多少就代表着每个光子井产生的信号的强弱。更大的水桶收集更多的水，代表着更大的光子井在同样时间内可以产生更强的信号，有着更好的信噪比。 光子井的物理尺寸由两个主要因素决定：传感器的物理尺寸，以及传感器上的光子井数量。大尺寸传感器显然有着更大的表面积。而在相同尺寸的传感器上放置更少的光子井，也能增加每个光子井的表面积。对拜耳阵列传感器来说，每个光子井可以粗略地看作一个像素。 在相同像素的情况下，物理尺寸越大的传感器拥有更大的光子井。这就是为什么全画幅单反相机在ISO 1600可以得到干净的照片，而便携相机在ISO 1600时画质糟糕的原因。 在相同传感器尺寸下，更小的像素数也可以得到更大的光子井。这就是为什么尼康D3s（1200万像素）高感光度照片的画质比D3x（2400万像素）更好的原因。看100%原图时，D3s在ISO 1600的噪点，相当于D3x在ISO 400水平。 不过，如果我们把D3x的照片从2400万像素缩小到1200万像素，与D3s的分辨率相同，则两台相机在相同ISO下的噪点会变得差不多。 例如：一块传感器需要电力来驱动。如果电子零件位于传感器表面，它们就会占用一部分表面积，从而减少光子井拥有的空间。将这些电设计到传感器背面，或缩小电体积，就可以增加光子井的表面积，得到更强的信号。 在不增加光子井物理尺寸的前提下，使用微透镜令光子井收集光线的表面积拥有相同的效果（这就像在小水桶上加一个大开口的漏斗）。 此外，设计更好的信号处理系统也能够提高信噪比。目前传感器和信号处理系统的设计水平都在进步之中，我们还将在新传感器上看到更好的控噪能力。 很多数码相机都有内置的高感降噪功能，但是在降噪的同时也会损失细节，使照片看上去很假。如果有，应该在关闭和打开ISO降噪功能下都进行测试。 使用高ISO拍摄会增加噪点，使用降噪功能会损失细节，使用长时间快门会增加抖动的风险。你需要通过测试找到最适合自己的一个平衡点。
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