1 ISO相关概念

ISO是用来衡量底片对于光的敏感程度的值。

1.1 胶片时代的ISO

在胶片相机时代，通过调整银盐颗粒的大小和密度可以改变胶片的感光度。颗粒越大，胶片对光就越敏感，这相当于较高的ISO值；然而，颗粒较大也会导致图像的颗粒感增加，影响细节和清晰度。

1.2 数码时代的ISO

数码摄影中，ISO值并不是通过物理上改变感光元件的特性来实现的，而是通过电子增益来模拟不同的感光度。

1.2.1 量子效率（QE）

量子效率是指光电转换器件（如CCD或CMOS传感器）将入射光子转化为电子的能力。

量子效率QE = 平均捕获电子数 / 平均射入光子数

该数值决定了光子到电子转换的灵敏度；对于同一台相机而言，QE（量子效率）曲线是恒定的。

1.2.2 数码时代ISO的本质：增益

由于传感器的QE是恒定的，因此如果想要调整亮度，则需要对转化后的信号进行增益（增强或减弱），然后改变出图的亮度。

1.2.3 基准ISO

传感器在最佳条件下工作的ISO值，此时图像质量最佳，通常也是最低ISO值。

基准ISO下，增益最小，图像噪点最少。

1.2.4 原生ISO

原生ISO是指传感器能够在不使用额外增益放大或降噪处理的情况下工作的ISO范围。

在原生ISO范围内，主要依靠模拟增益来调整信号强度，图像质量较好。

模拟增益

模拟增益是在信号被数字化之前发生的增益调整。它通常发生在传感器输出的模拟信号被转换为数字信号之前，因此它是最接近原始信号的增益处理。

1.2.5 扩展ISO

扩展ISO是指超出原生ISO范围的ISO值。在这种情况下，相机可能会使用数字增益来进一步提高或降低信号强度。这通常会导致图像质量下降，因为数字增益可能会引入更多的噪点或损失细节。

数字增益

数字增益则是在信号已经由模拟转变为数字之后进行的增益调整。在这个阶段，图像已经被传感器捕获并转换成数字数据，随后通过图像信号处理器（ISP）进行处理。

2 从CMOS到ISO

2.1 一张照片的诞生

光子进入CMOS的光电二极管内被转化为电子，并捕获到Potential well（势阱）内完成积累

这个光子到电子转换效率被称为量子效率，也叫QE

势阱内的电子被浮动扩散节点FD（floating diffusion）转移并储存到电容CFD里

读出过程中，这个电容完成电荷到电压的转换并被源极跟随器SF读出

之后，这个电压被一个可编程增幅放大器PGA执行模拟放大并交给模数转换器ADC量化为数字信号

2.2 ISO的参与

2.2.1 基准ISO

另称其为“转换增益”。

注意，博主这里漏掉了一部分细节，即转换增益实际与电容的倒数成正比（线性）关系。这在下文的单位中有所体现。

补充：电容、电压、电荷量的关系

Conversion Gain（转换增益）的单位

即每一个电子在电容中形成的电压。

此时，PGA不放大，源极跟随器通常又有固定的倍率。

因此，在量子效率恒定的情况下，这个因电容恒定的Conversion Gain（转换增益）就决定了相机的基准ISO。

2.2.2 原生ISO

此时，PGA放大，PGA放大倍率*基准ISO = 原生ISO

PGA放大倍率有限，一般为30db

（db，分贝。分贝是对数尺度，因此可以方便地表示非常大或非常小的增益值，这里因过于复杂且不相关，不再展开）

2.2.3 扩展ISO

在PGA放大的基础上，通过ADC转换为数字信号后，在机内进行增益

注：博主说这里数字增益与图片后期调亮毫无区别，并不正确。因为此时数字信号并未转换成图片，后期则是在图片的基础上进行调节的。

3 信噪比与动态范围

3.1 信噪比

信噪比（Signal-to-Noise Ratio，简称SNR）是用来衡量信号相对于背景噪声的强度的一个指标。在图像传感器和许多其他信号处理系统中，信噪比是一个关键参数，用于评估信号的质量。

3.2 噪点从何处来

噪点并非又CMOS引起。光的散粒噪声才是噪点的第一大来源。

3.2.1 散粒噪声

量子力学的基本原理

即使在一个均匀的光场中，光子到达检测器的时间和位置仍然是随机的（由量子力学的基本原理：波粒二象性、不确定性原理决定的。这种随机性导致了光子计数的波动。

泊松分布

即使光子拥有随机性，但在给定时间内到达的光子数仍服从泊松分布，这使得可以对其进行数学建模。

泊松分布的特点是，方差等于其平均值。

散粒噪声信噪比的计算方法

根据信噪比和方差的定义，信号的平均值/信号的波动情况（波动即为噪声，越小噪声越少），即为：

从公式看影响

根号n的形式增加，但其信噪比也在以也在以根号n的形式增涨

当捕获电子量n增加，虽然标准差（噪声）是√n形式增加，但信噪比也是以√n的形式增长。

这就是为什么提高进光量可以提高信噪比。

噪点与ISO无关

信噪比和进光量有关，和ISO无关，那为什么高ISO会使噪点变得更明显？

因为高ISO通常是进光量不足的情况下，此时信噪比本身就低，而高亮度更凸显了噪点的存在。

这也是为什么高ISO的情况下，图片的亮部依然是相对干净的，而暗部会比低ISO的暗部会存在更多噪声。

3.2.2 读出噪声

图像传感器在将光信号转换为电信号的过程中产生的随机噪声的一部分。

即使没有光子入射（即在完全黑暗的情况下），也会存在一定的读出噪声。