双增益设计相机ISO感光度设置原理与实践指南：以尼康Z为例

数码摄影中感光度（ISO）是一个很重要的设置参数——准确说，ISO是感光度（sensitivity）的度量单位。对于感光度有许多误区，最常见的是认为感光度是曝光的一部分（所谓的曝光三角，许多人应该都看到过）。实际上感光度不是曝光元素，而是曝光的下游。感光度ISO的变化会影响动态范围、噪声等关键参数，因此最终会对画质产生很大的影响。你可以这样简单理解：当感光元件CMOS的感光度越高（对信号越敏感），它对噪声的放大作用也会越强，因此尽管记录的信号变强了，总体的信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）却降低了。所以，直观的印象是：感光度越高，照片的噪点就越多，清晰度随之下降。由此导出的直接结论是：感光度越低，画质越好；所以，拍摄照片应该尽可能使用低感光度。

这两句你在几乎所有摄影教程中都会看到的话，实际上都是错误的。要解释为什么错误，不但需要长篇大论，还需要你有足够的摄影常识和逻辑推理能力。我不打算在这里细说这个问题。如果你对此感兴趣，可以阅读我之前写过的《理解数码噪点：产生原因及对拍摄的指导意义》一文，认真读完应该能自己做出总结。我在这篇文章里主要会结合尼康Z相机的感光元件设计，告诉你在实践中如何设置ISO感光度才能最好地发挥相机的成像性能——并不是越低越好！当然，本文涉及的所有要点，对于其他品牌相机的使用，都可以参考。

首先，传统的相机感光元件设计可以笼统地分为ISO-less和ISO-full两种。简单来说，ISO-less相机的动态范围（dynamic range, DR）随着ISO的提高基本呈直线下降，而ISO-full相机则并不是线性下降。下图中显示的尼康D810就是典型的ISO-less相机，而D3则是典型的ISO-full相机。ISO-less相机的特点是所谓的ISO invariance，即在相机中提高感光度和在后期处理中提亮照片，其获得的画面噪声总体相当（当然当然，一定是RAW！）。而由于基础ISO下（比如D810的ISO 64）DR很宽，因此在使用中倾向于采用基础感光度而在后期提亮，即使采用基础感光度时画面欠曝。与ISO-less相机不同，ISO-full相机随着感光度ISO的提升，其DR并不是呈线性下降，因此提高ISO往往比在后期提亮效果更好。于是，ISO-full相机在使用中倾向于设置较高的ISO以保证拍摄时成像的亮度在正常范围内。

但是，从D850以后，尼康所有的相机，包括从Z6/Z7开始的全部尼康Z相机，都采用了一种叫作双增益（dual-gain）的设计。类似的设计在索尼、佳能等各品牌相机上都可以看到。双增益设计使得相机的DR随ISO的变化被分成两段。下图展示的是尼康Z8动态范围随感光度ISO变化的曲线。与尼康D810的曲线不同，Z8在ISO 500的地方出现一个向上的折线，然后再向下。也就是说，这条曲线被分成两段，一段从基础感光度ISO 64一直到ISO 400，然后在ISO 500的地方“断裂”，再向右下方线性延伸。

造成这一变化的原因是尼康在ISO 500的位置切换了增益（gain），结果是在ISO 500前后拍摄的照片对应不同的增益。增益位于模数转换（analog to digital conversion, ADC）之前，增益的变化会影响下游的信号处理，从而改变SNR。下图是尼康Z8和尼康D810的读出噪声图。D810的读出噪声随着ISO提高而几乎呈线性增加[log2(DN)]，而Z8则在ISO 500的地方显著降低。

对于Z8，这一双增益模式带来的结果可以总结为两句话：

• 以切换点为界，相机分为两段不同的“ISO-less”：从ISO 64到ISO 400，近乎ISO-less；从ISO 500到ISO 25600，近乎ISO-less；
• 在增益切换点前后，高ISO设置的DR要好于低ISO设置；通过第一段ISO-less的ISO设置在后期提亮画面（弥补曝光不足），其画质表现不如第二段ISO-less范围内直接拍摄。

关键的问题在第二句话。下图是DPReview尼康Z8评测中ISO invariance测试的截图。我选了其中两个细节。ISO 4000和ISO 500+3EV的结果相似，显著好于ISO 64+6EV和ISO 250+4EV的结果。这说明，如果你把Z8的感光度ISO连续起来看，它不是一台ISO-less相机，问题就在于ISO 500的位置切换了增益。

我们再看一下Z8动态范围DR随感光度ISO变化的具体数值：

ISO 64    11.31

ISO 100   11

ISO 200   9.67

ISO 400   8.73

ISO 500   9.54

ISO 800   8.86

ISO 1600  7.87

一个惊奇的结果：对于Z8而言，ISO 500的动态范围比ISO 400更宽，基本接近ISO 200的设置（-0.13EV）！ISO 800的动态范围甚至略胜于ISO 400！这就是双增益相机的特性。基于上述特点，我自己是这样来设置Z8感光度的：

• 在可能的情况下，使用ISO 64。这是我最常用的感光度设置，也是从D810以来一直持续的习惯。在基础感光度下，能够获得最宽的动态范围。如果曝光确实不足，我考虑增加到ISO 100；
• 如果ISO 64下曝光显著不足，或者我需要提高快门速度，直接设置到ISO 500或者更高；
• 略过ISO 200 – ISO 400 ！

简单来说，我有两个“基础感光度”——ISO 64和ISO 500。如果单纯从“阴影提亮”的角度来看，那么确实我只需要ISO 64和ISO 500这两个设置，下面这张PDR shadow improvement曲线图，很好地说明了Z8的这个特性。

实际上，尼康Z的所有相机都可以采用类似的设置逻辑，只是增益切换的ISO位置不同。下图是尼康Z6 III、Z5 II、Z7 II和Z50的读出噪声图。从图上可以看出，Z6 III、Z5 II的切换点都是ISO 800，而Z7 II和Z50则是ISO 400。

如果我们再看一下动态范围随ISO变化图，那ISO的设置逻辑就应该很清晰了。

比如，如果我用Z5 II拍摄照片，我当然会首选基础感光度ISO 100，也可以根据情况采用ISO 200。但是，一旦曝光不足或者快门速度不够，我会直接跳过ISO 400而设置成ISO 800或者更高。对于Z5 II而言，两个“基础感光度”分别是ISO 100和ISO 800。

以上就是对于尼康Z这类双增益设计的相机正确设置感光度ISO的方法。相同的逻辑也适用于所有其他类似设计的相机。本文所采用的读出噪声和动态范围DR数据，都来自于photons to photo，你完全可以自己查询相机的数据，从而根据感光元件的特点，获得合理的ISO设置。

最后我想强调一点，感光元件的设计是非常复杂而专业的工作。评价什么设计更好，我想我们既没有能力其实也没有必要。我们的目的是了解自己设备的特点，并且根据特点去充分发挥设备的性能。之所以要强调双增益设计，是因为此类设计下我们对感光度ISO的设置逻辑会有所不同，尤其不同于我们习惯所说的“设置尽可能低的ISO”，因此我们需要了解其中的差别。仅此而已。