Что происходит в камере, когда мы изменяем ISO?

Вероятно, первый ответ, который приходит в голову: мы изменяем чувствительность. Но так ли это? На самом деле нет…

Напомню, что концепция чувствительности перекочевала в цифровую фотографию из плёночной, где в единицах ISO действительно измерялась чувствительность фотоплёнок к свету. Всё бы ничего, однако сенсоры цифровых фотокамер имеют неизменную чувствительность - её невозможно поменять физически.

Почему тогда все говорят про изменение чувствительности? Вероятно так сделано, чтобы сохранить привычную с плёночных времён экспонометрию, не усложнять жизнь фотографам и не превращать искусство в физику (хотя лично я считаю физику искусством). Однако, у любого упрощения есть своя цена. В данном случае цена - непонимание того, что такое ISO и как его правильно выбирать. Ведь опираясь на неверное понимание чувствительности сложно добиться оптимальных результатов. В дневной съёмке это не так сильно мешает, но, как это часто бывает, ночью всё меняется. Подробнее о мифах про ISO и о том, как его правильно выбирать, можно посмотреть в нашем видео.

Как часто можно услышать что-то типа: «я не буду ставить высокое ISO, потому что оно шумит». Это заблуждение. Шум появляется не из-за высокого ISO, а из-за снижения реально попадающего сигнала на матрицу из-за уменьшения выдержки и/или зажатия диафрагмы, которыми как правило сопровождаются повышение ISO. Это приводит к снижению соотношения сигнал/шум, что на бытовом языке называется «снимки стали шумнее». Если же не уменьшать выдержку и не зажимать диафрагму, то высокие ISO чудесным образом становятся менее шумными, чем ISO низкие (чудо здесь конечно же не при чём, только математика и физика). Впрочем, мы сейчас не об этом.

Эта заметка о другом: о том, что же на самом деле происходит в камере, когда мы меняем ISO. Когда мы крутим колёсико ISO, изменяется усиление (gain) электрического сигнала* из которого «строится» наше изображение. В этом смысле значение ISO определяет множитель, коэффициент усиления. И вот как это работает: допустим, мы сняли галактику. На сенсоре камеры под воздействием фотонов генерируются электроны. Они в свою очередь создают электрический заряд, который преобразуется в напряжение. Аналоговое усиление изменяет (усиливает) это напряжение. Затем сигнал оцифровывается и записывается в raw-файл в виде цифр. Эти цифры называются аналогово-цифровыми единицами (Analog-to-Digital Units, сокращенно ADU). Например, объект, в котором набралось 1000 ADU, будет ярче, чем объект в 100 ADU. И вот тут на сцену выходит ISO.

Значение ISO задаёт коэффициент усиления (gain), который устанавливает соответствие между количеством электронов в пикселе и итоговым значением в ADU в raw-файле. Размерность этого коэффициента: e-/ADU (электронов на аналогово-цифровую единицу). Он показывает сколько нужно электронов в пикселе, чтобы камера посчитала их за 1 ADU в raw-файле.

К примеру, мы снимаем галактику на камеру Canon 6D и делаем два кадра: на ISO 200 и на ISO 3200. Значения усиления для этой камеры на ISO 200: 3 e-/ADU, а на ISO 3200: 0.2 e-/ADU (эти показатели взяты не с потолка, а рассчитаны на основе тестов). От ядра галактики прилетели фотоны и под их воздействием в пикселе было сгенерировано к примеру 300 электронов. В случае кадра на ISO 200 (3 e-/ADU) в raw-файл запишется значение 300/3 = 100 ADU - изображение займёт всего 100 цифровых уровней. Далее мы повышаем ISO до 3200 (усиление 0.2 e-/ADU). Это значит, что в raw-файл запишется уже 300/0.2 = 1500 цифровых уровней - ядро галактики стало заметно ярче**. Вот и вся магия ISO :)

Если вы хотите самостоятельно поразвлекаться с цифрами и вычислить коэффициенты усиления для вашей камеры, то отправлю вас к серии статей Крейга Старка: раз, два и три.

Обратите внимание на ключевые моменты: света в обоих случаях пришло одинаково. Чувствительность сенсора осталась неизменной (потому, что её физически невозможно изменить). Изменился лишь коэффициент усиления. Поэтому в raw-файлы записались разные значения ADU и изображение, сделанное при более высоком ISO, выглядит ярче.

Вот что происходит на самом деле в вашей камере, когда вы изменяете ISO.

Примечания:

* В современных CMOS сенсорах часть ступеней ISO реализуется аналоговым усилением до АЦП (Аналогово-Цифрового Преобразователя), а часть - цифровым множителем после АЦП.

** При повышении ISO (увеличении аналогового усиления) насыщение пикселя (достижение максимального значения ADU) происходит при меньшем количестве электронов. Хотя физическая ёмкость пикселя (full-well capacity) остается неизменной, эффективный динамический диапазон (отношение максимального сигнала к уровню шума считывания) сокращается.