聊聊照片的「噪點」：佳能的低 ISO 畫質悲劇

來自專欄周三科技

寫在前面

這篇文章其實是我把之前的坑補上的（前文：聊聊照片的「噪點」：你的快門和光圈設置不對啊），這裡我又搞了個標題黨。但如果你能夠理解這篇文章，大致上也就能理解為什麼以往佳能同檔的全幅單反，在 ISO800 及更低感時，其動態範圍表現會明顯比尼康、索尼同時代的單反/微單更糟糕了。

文中也有援引擴展閱讀，專門談到這個問題，我也為此寫過一篇文，不過沒有先人們寫得那麼好，有興趣的可以去翻一翻周三科技以前的文章。但如今的佳能單反，這個問題似乎已經得到了妥善解決，所以這裡的資訊內容顯得比較舊了。

本文主要是對 DPreview 於 2015 年發表的文章《Sources of noise part two: Electronic Noise》的翻譯，部分位置有二次演繹。

上篇文章探討了散粒雜訊，本文則要談（電子）讀取雜訊了，這部分雜訊是真正和相機用料好壞有關的——面向有簡單成像理論基礎的技術愛好者們。如果你沒有看過前文，一定要去看一下，否則可能面臨看不懂本文的尷尬。而且文章的部分位置需要做擴展和思考。如果你不了解相機成像原理（例如採用高 ISO 是怎麼回事，例如光電效應、模數轉換）則你可能看不懂本文；而且本文真正要求你掌握什麼是動態範圍，可點擊這篇文章了解。

其實本文要表達的思路還是比較清晰的，就是對於後端讀取雜訊比較嚴重的相機而言，其低感畫質表現會比較糟糕（動態範圍），但到了高 ISO 時，相比後端讀取雜訊低的相機，這種畫質的弱勢會消除（說的就是佳能！！！）。有關這一觀點的陳述，很多文章都通過不同的方式展開過，有興趣的可以去搜一搜。

正文開始：

本文的第一部分中，我們探討了現如今成像的大量雜訊其實都並不來自於相機本身，這些雜訊源於拍照時捕捉到的光的隨機性，這種雜訊幾乎只受到進光量多少的影響。我們這裡要談到的第二種雜訊源，應該就是大部分人認識的那種雜訊了：即背景電子雜訊（electronic noise），這就真正關乎你所用的相機或成像設備了。之所以說這個雜訊源就是大部分人「認識的」「雜訊」，是因為人們比較容易想像 Hi-Fi 放大器產生的背景雜訊，這是一個道理。

需要指出的是，雖然散粒雜訊（shot noise）和電子雜訊（electronic noise）來自不同的雜訊源，但除了某些特殊情況（例如帶狀雜訊（banding pattern noise）），兩者從畫面的視覺上是無法加以區分的。雜訊看起來是一樣的：特別亮或者特別暗的像素，或者雜色。

要聽出 Hi-Fi 放大器造成的雜訊並不難，把音量調高，在音樂播放時比較安靜的部分就能聽出來。成像中的雜訊也是類似的，電子「讀取雜訊（read noise）」出現在畫面的暗部（信號不多的位置），在推高信號（以較高 ISO 拍攝）時就會更加明顯。

為了更好地理解不同感測器的行為，我們這裡將電子雜訊源分成兩部分，將它們分別單獨來看。這兩部分雜訊分別為，電信號放大之前就有的雜訊，以及信號放大之後才增加的雜訊。所有這些雜訊排除我們上一篇文章談到的散粒雜訊。

下面我們所謂的前端讀取雜訊（Upstream read noise）包含了畫面捕獲過程中像素產生的電子雜訊 *1。而後端讀取雜訊（Downstream read noise）則包括 ISO 放大之後的所有後端電子與其他來源產生的雜訊 *2。

之所以將這兩部分單獨開來，是因為雖然它們的變化不會太大（對於特定感測器而言）：前端讀取雜訊是在信號放大之前就有的；在改變 ISO 時，信號被不同程度放大（包括前端讀取雜訊），但後端讀取雜訊是保持不變的，無關乎信號放大。在進行不同圖像感測器的性能對比時，這一點很重要。這關乎到相機的最終成像結果，以及我們怎樣去拍照。

當代的大部分感測器，前端讀取雜訊都很少，不同感測器設計的最大差異主要表現在後端讀取雜訊方面。下文中，我們將以理論的方式來對比兩台相機的行為：其中一台前端和後端讀取雜訊都比較低，另一台則在後端讀取雜訊方面略高；然後來看看其表現的差異在哪兒，這些差異是如何形成的，用這兩台相機應該怎麼拍攝。這裡仍然使用上一篇文章中的圖片來表達，追蹤場景中影調發生的變化，從捕捉畫面開始，到最終輸出的照片。

低 ISO

在原生 ISO 下，不存在 ISO 放大，較低的前端讀取雜訊造成的差異很小。不過從低 ISO 拍攝畫面的動態範圍來看，後端讀取雜訊的就有差異了：那台後端讀取雜訊更低的相機，低 ISO 下的動態範圍更出色（查看原文，可以點開看大圖）。

很多人可能無法從輸出的 JPEG 照片中看出差別，即便同時代雜訊最嚴重的相機，在 JPEG 輸出圖片最暗調以下部分都存在雜訊的極限。不過當代最出色的相機所攝畫面仍會有更多可用的動態範圍，這在 JPEG 格式照片中一般很難看得出來。因為 JPEG 輸出通常會應用影調曲線，這可以讓照片在屏幕上顯示或者列印的時候表現出足夠的對比度（所以動態範圍會窄很多），如果我們採用 RAW 格式輸出，也就會有更廣闊的創作空間，有更多的信息可供後期利用（如本文開頭的那張圖，原本在沒有應用影調曲線之前，這張圖是長這樣的）。

上面這張圖，推了 RAW 文件的暗部，所以畫面暗部有了更多信息（應用不同的影調曲線），這樣就能看出兩台相機在雜訊表現方面的差異了。對後端讀取雜訊較低的相機而言，即便較大幅度推高暗部，也不會有太大問題。但我們看第二張後端讀取雜訊較高的相機所攝的畫面，推高畫面暗部，雜訊也明顯推出來了。

如果說後端讀取雜訊包含某種固定形態的雜訊，問題則會更嚴重。比如帶狀雜訊，這種雜訊在畫面上並不是完全隨機的，即便進行縮圖操作，它也不會消失。悲劇的是，人眼對於識別邊緣地帶還特別敏感， 所以相比其他來源完全隨機的雜訊，人眼更能發現這種雜訊，並且認為這樣的雜訊更嚴重。

這個問題在畫面欠曝的時候，影響會更大。比如說就背光場景而言，即便是最出色的測光系統也可能壓低畫面的曝光。這就會增加畫面的散粒雜訊，但如果後端讀取雜訊較低的話，輸出的 RAW 文件在加亮時，畫面也會有更好的可用性。如下圖，用這樣的相機拍攝，新郎西服上的噪點也理應會更少。

高 ISO

如前文所述，現在大部分相機的前端讀取雜訊都已經比較低了，實際上前端雜訊在更高 ISO，即信號放大後，對畫面的影響也會更大（也包括散粒雜訊）。我們假定一台相機的原生 ISO 為 100，那麼在 ISO 12800 時，就會看到所有前端讀取雜訊（和散粒雜訊）被放大 128 倍。這樣一來，後端讀取雜訊此時就顯得微不足道了。所以說一台相機若存在較高的後端讀取雜訊，對其低 ISO 的動態範圍是存在影響的，但對高 ISO 成像的影響卻非常小（因為此時散粒雜訊和前端讀取雜訊成為最主要的因素）。

（譯者註：早前佳能單反低感動態範圍，相較尼康普遍比較差——因為採用外置 ADC，所以其後端讀取雜訊問題比較嚴重，但其高感表現卻與尼康基本持平，原因就在這裡。有關這個問題的詳情建議看：佳能工藝之殤？暗部降噪？不，沒有那麼簡單）

由於這是高 ISO 樣張，曝光時間更短，信號放大更多。從上面的圖中也能看到。所以實際上相機捕捉到的真正原場景的亮度，其實也就是大量較暗的影調（因為曝光時間短），在寫入到 RAW 文件之前會整體進行信號的放大（以達到曝光需求）。更短的曝光時間，也就意味著相機捕捉到的光更少，畫面只用較少的信號來還原原場景，信噪比自然就比較差（主要是因為散粒雜訊）。也就是說，畫面更暗的部分，包含的信號是非常少的——這樣一來，在現有的照片中，不僅散粒雜訊是雜訊的重要組成部分，前端讀取雜訊也對信噪比存在較大影響（因為被放大）。

信號放大也就是說，在最終的照片里將這些量很少的信號（裡面還包含了讀取雜訊）提到相當的亮度，成為可見的影調。由於後端讀取雜訊並不會放大，所以相較而言，後端讀取雜訊的影響也就變得很小了。（譯者註：給一個擴展閱讀，這篇回答主要可以看看「讀取雜訊」部分，講的還是比較到位的：韓磊：到底有沒有等效光圈? ）

注意，輸出的 RAW 文件呈現出的最亮部位，並非感測器捕捉到的最亮部位。原本更亮區域的信息的確是被感測器捕捉到的，但這部分信號被放大之後，寫進 RAW 文件里時就溢出了：這部分被削減，記錄下來之後就是過曝的白色區域。值得一提的是，形成最終照片的所有數據，包含了後端讀取雜訊。

說明兩件事。首先，一台相機的後端讀取雜訊如果比較低，使用低 ISO 也就越放心了，因為這樣一來我們不採用 ISO 放大的方式，而對照片後期應用加亮的影調曲線，並不會產生大量噪點，而且還能保留畫面中更多的高亮細節。相反，如果某台相機的後端讀取雜訊比較大，那麼拍攝時採用 ISO 放大的方式來推高圖像信號，就能壓制住這台相機的後端讀取雜訊——比採用低 ISO 拍攝再後期提亮的方式更好，更能抑制住雜訊，因為如前文所述這樣的相機拍出來的照片，如果後期提亮其暗部，則會顯著放大後端讀取雜訊。

有關我們 RAW 動態範圍測試的意義

這篇文章還能幫助各位理解我們的 RAW 動態範圍測試究竟在呈現些什麼。我們的曝光寬容度（Exposure Latitude，譯者註：注意嚴格意義上，Dynamic Range 動態範圍，與 Latitude 寬容度，是不一樣的，有興趣的可以點擊這裡了解：先看懂這些才能真正讀懂相機評測 | 鍵攝者說⑦ ）測試展示的是，當我們嘗試後期推高一張低 ISO RAW 格式文件時，情況將會是怎樣：這對反映真實場景下的拍攝是有意義的。不過這麼做也有個弊端：因為我們需要針對畫面減少曝光量，這也就帶來了更多的散粒雜訊——這樣一來，就沒辦法搞清楚產生的雜訊究竟有多少是散粒雜訊，又有多少是讀取雜訊了。這種方式，只能對比同尺寸圖像感測器的表現（相機接收相同量的光，意味著差異主要就在讀取雜訊方面）。

為了解決這一問題，我們的 ISO Invariance 測試，在不同的設定中採用相同的曝光，也就是說所有雜訊差異都只來自於（電子）讀取雜訊。這樣一來就能更清楚地呈現相機自身的讀取雜訊了，而不需要再受到散粒雜訊的干擾。需要指出的是，這種方式乍看和我們平常拍照的習慣不同，但實際上卻能真正反映相機本身的表現。

可以得出一個推論，針對較低後端讀取雜訊的相機，可以在拍攝時採用較低的 ISO 設定（但仍採用較短的曝光時間），然後後期去選擇性地推高影調。這樣一來既能獲得更多的高光信息，雜訊也不會有多大變化。

（譯者註：有關這個問題 DPreview 也寫過一篇文章，專門談什麼是 ISO Invariance，聽起來還很反人類，就是建議你拍攝時不要用高 ISO，而是選擇後期去提亮度，畫質其實也不會有什麼損失。這其實也是本文想要闡明的一個點，如果你能夠領會，這兩篇文章就能融會貫通了。這篇文章我恰巧先前也翻譯了，有興趣的移步：別用高 ISO，後期給照片加亮度更好！索尼 a7RII 相機 ISOless 研究 ）

最後

我們寫這兩篇文章的目的，是消除很多人對雜訊的誤解。但實際上，有關雜訊的問題比這複雜多了。我們還會再以後有關 ISO Invariance 更深入的文章中談到量化雜訊（quantization error）。不過如果你有興趣了解更多有關讀取雜訊的來源問題 *4，可以閱讀 Email Martinec 的總結文章。我們希望，這系列的兩篇文章能幫助各位理清幾件事：

第一，雜訊源取決於你看到的畫面，以及你如何拍攝。我們看到的大部分雜訊其實並不是相機造成的：而是捕捉光的隨機性導致的散粒雜訊，這和快門速度、光圈 F 值，以及圖像感測器尺寸有關。和像素數量無關。

而相機產生的雜訊主要在捕捉到畫面最暗的部分。在低 ISO 設定下，如果一台相機的後端讀取雜訊比較低，則這台相機輸出的 RAW 格式文件會更具後期空間，獲取到的動態範圍也更廣，對於意外過曝也有更好的寬容性。

而在高 ISO 設定下，前端讀取雜訊和散粒雜訊急劇放大，畫面中即便是亮部也會表現出來。在捕捉到的光線比較少的情況下，任何前端讀取雜訊或者感測器效率方面的微小差異，此時都會放大。

想知道你的相機表現如何，我們的 ISO Invariance 測試能夠呈現讀取雜訊。這項測試不僅能表現 RAW 文件的後期彈性空間，也能表現在放大 ISO 或保持相同曝光設定、降低 ISO 後期推高亮度這些不同情況下，相機表現究竟如何。

總結一句話就是我們期望提供這些信息讓你了解為什麼有些相機拍照的雜訊更少：更大的感測器可以捕獲到的更多的光，自然能減少散粒雜訊的影響。但感測器表現方面的差異，甚至會消弭感測器尺寸方面的差異，尤其是低 ISO 下的動態範圍（譯者註：在黑佳能嗎？）...

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注釋：

*1 ISO 放大前端最顯著的雜訊源包括有複位雜訊（reset noise）、像素放大器雜訊（pixel amplifier noise），以及長曝光的暗電流散粒雜訊（dark current shot noise）（這部分我們沒有深入分析過）。複位雜訊的來源：在讀取電荷之後，每個像素複位至不同電壓（理想情況下所有像素應複位至相同電壓）。複位雜訊可以通過名為 CDS（相關雙採樣，correlated double sampling）的流程得到極大程度的緩解，CDS 會從曝光產生的總電壓中，對任意像素的複位電壓進行採樣和扣除。這個大致可以看成是暗流消除（dark frame subtraction），非常有效，能夠減少像素間差異，也能降低像素級別的放大器雜訊，到單電子的級別。但 CDS 也並非萬能方案，就合理的曝光時長而言，CDS 之後仍然存在的複位與像素放大器雜訊，應該就是前端讀取雜訊的最大雜訊源了。

*2 後端讀取雜訊是指 ISO 放大過程以後的所有雜訊。這部分包含來自可編程增益放大器（由 ISO 設定決定）的雜訊，來自 ADC 模數轉換過程的雜訊，以及相機中所有電子元件通路上產生的任意雜訊。

*3 相機能夠利用光的多少，取決於感測器效率，這就是本文範圍之外的內容了。這裡之所以提到這一點是因為更高效率的感測器，在相同曝光設定的情況下，能記錄更多的有效光信息：這也能夠帶來更少的散粒雜訊，在我們的曝光寬容度測試中，成績也會略微好些。

*4 還有一些雜訊源在本文討論範圍之外。長曝光會有熱雜訊（thermal noise），放大器發熱會在圖像邊緣產生「hot spot」，PRNU（像素響應不一致性）會在即便畫面較亮區域也產生雜訊，而量化雜訊則進一步惡化了陰影位置的信噪比。

• 譯者：歐陽洋蔥，原文：Sources of noise part two: Electronic Noise
• 上篇：聊聊照片的「噪點」：你的快門和光圈設置不對啊

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