Share
De flesta får kärnan på hur man använder ISO-betyg i fotograferingen, men vad är de? Var kommer dessa nummer från, och vad är skillnaden mellan ISO i film och digital? I denna handledning undersöker vi historiens och tekniska grunden för systemet. Om du någonsin undrat vad ISO betyder eller hur det fungerar är det här för dig!
I fotografering betyder "ISO" standardmätningssystemet för hur mycket ljuskänslighet en fotografisk film eller sensor har. Vi kan styra ISO för att skapa en bild som är korrekt exponerad: inte för ljus och inte för mörk.
ISO står för Internationella organisationen för standardisering, en global organisation som arbetar för att standardisera alla typer av produkter och processer för maximal driftskompatibilitet och säkerhet. 1974 tog ISO de senaste framstegen i det tyska DIN- och American ASA-systemet (nu ANSI) och arbetade dem till en enda universell standard för film: ISO-nummer. När digitala sensorer kom ut, antog tillverkarna slutligen samma standardnummer.
De tidigare två systemen, DIN och ASA, sträckte sig tillbaka till 1930-talet och 40-talet, för vilka olika klassificeringssystem sameksisterade från olika tillverkare och ingenjörer.
Vad betyder siffrorna själva? Det finns fyra ISO-standarder, en vardera för färgnegativ film, svartvit negativ film, färgomvandling (glid) film och digitala sensorer. Dessa är kalibrerade så att den effektiva känsligheten är oavsett vilken typ av film eller medium som helst. Detta är mycket användbart för praktiska ändamål medan du fotograferar, eftersom det gör det möjligt för fotografen och snabbare att kontrollera över exponeringen.
Skillnaderna i emulsion och tolkningar av mätprocesser över tillverkare, fabriker och jämna partier samt den inneboende variationen i en kemisk process betyder emellertid att även med standardiseringen kan resultaten variera. På fältet har fotografer funnit att för vissa filmer kan kameran till något olika ISO-värden än en viss films nominella hastighet ge vissa önskvärda resultat.
Filmhastigheten mäts från en "karakteristisk kurva", som beskriver en films allmänna tonal prestanda. Så här fungerar det:
Tonkurvan skapas med hjälp av en "sensometrisk tablett", ett speciellt glasstycke som består av en exakt kalibrerad grupp med 21 jämnt fördelade (från svart till vitt) nyanser av grått. Graderade gråtoner exponeras på filmen. Efter bearbetning kan den graduerade exponeringen av emulsionen läsas med användning av en kalibrerad densitometer, en maskin som läser filmens faktiska densitet.
De 21 stegen mäts sedan var och en noggrant, och när alla 21 steg har uppmätts, plottas de på ett diagram i millilux-sekunder.
Denna graf har olika delar som förklarar olika aspekter av hur filmen utförts, t ex dimning, gamma, kontrast osv. Den del vi är intresserade av för filmens ISO-hastighetsklassificering är från 0,1 densitetsenheter över minimitätheten, låt oss ringa denna punkt x. Detta värde är inte särskilt vetenskapligt, men är traditionellt accepterat som den minsta skillnaden i densitet som det genomsnittliga mänskliga ögat kan skilja.
Ekvationen för filmhastighet (ja det finns en) är hastighet = 800 \ över log ^ - 1 (x). Om exponeringen mäts i lux-sekunder i stället för millilux-sekunder blir detta: hastighet = 0,8 \ över log ^ - 1 (x) Observera att jag skriver logg till bas-10, inte ln för naturlig logg (bas-e).
Den viktiga delen är att i allmänhet, eftersom hastigheten fördubblas eller halverar, så gör ljusets känslighet också.
Film är tillverkad av en suspension av silverhalogenidkristaller i ett gelatinbindemedel. Denna emulsion är finskiktad många gånger tillsammans med eventuella färgämnen för färg eller behandlingsmedel på en celluloidbas, skyddad på baksidan med fysikaliska hanteringsbeläggningar. Silverhalogenidkristallerna är själva fotoreaktiva mediet.
De är endast reaktiva mot den blåa änden av det synliga ljusspektret (därav behovet av UV-filter vid filminspelning), de är belagda eller impregnerade under tillväxt med organiska föreningar som sensibiliserar dem till det fullt synliga spektrat.
Fotoner som slår silver överför sin energi till molekylen. Detta medför att en elektron utsöndras från en halogenidjon i silverhalogenidkristallen. Detta kan fångas av en silverjon för att bilda en elektriskt neutral silveratom.
Detta är dock inte stabilt. Fler fotoelektroner måste vara tillgängliga i samma region för att bilda fler silveratomer för att ett stabilt kluster av minst tre eller fyra silveratomer ska bildas. Annars kan de lätt sönderdelas i silverjoner och fria elektroner. Fler silveratomer kan bildas så länge som fotoelektroner genereras.
Efter exponering, men innan bearbetning har din film en latent bild: ingen bild finns ännu, men om vi dunkar den i rätt kemikalier kan vi göra en.
Vid bearbetning katalyserar ett atomkluster av rent silver av den stabila storleken I som beskrivits ovan katalysera reaktionen med utvecklaren, som sedan sönderdelar hela kristallen i en metallisk silverkorn, som framträder svart på grund av dess storlek och oförpolerad yta.
Fixaren fixerar sedan bilden genom att lösa de återstående silverhalogenid-saltkristallerna, som därefter sköljs bort (och förhoppningsvis lagras för återvinning). Detta har varit den allmänna grunden för fotografering i över ett sekel. Så vad har detta att göra med filmens känslighet?
Svaret på det är verkligen ganska enkelt: sannolikhet. Ju större silverhalogenidkristallerna är desto mer sannolikt är det att foton kommer att slå dem och absorberas. För att använda en grundläggande analogi, om du vinkar ett stort fjärilsnät genom en stor svärm av fjärilar, kommer du sannolikt att fånga fler av dem än med samma våg genom samma svärm med ett litet nät.
Större kristaller har en större yta mot linsen och logiskt är ljuskänsligheten direkt korrelerad med sannolikheten för att ljus slår på ytan.
Sålunda långsamma filmer som ISO 25, 50 och 100 har mycket fina korn för att minska mängden ljus som slår dem, vilket är användbart för att fånga detaljerade detaljer. Omvänt har väldigt snabba filmer som ISO 1600 och 3200 relativt stora korn för maximal chans att fånga fotoner, varför deras extremt korniga kvalitet.
Digitalkameror, som inte har någon kemisk process, kan inte mätas med samma metod som film. ISO-klassificeringssystemet är emellertid utformat för att vara rimligt lik film i form av verklig ljuskänslighet. Tekniskt sett är termen för digitala sensorer "Exponeringsindex" snarare än "ISO", men eftersom en ISO-standard täcker den ser jag inga problem med den mer traditionella "ISO". Praktiskt sett överensstämmer det mesta av världen.
Istället för en minimal synlig exponeringsnivå har digitala sensorer sin känslighet bestämd av den exponering som krävs för att producera en förutbestämd karakteristisk signalutgång. ISO-standarden för sensorkänslighet, ISO 12232: 2006, avser fem möjliga metoder för att bestämma sensorns hastighet, även om endast två av dem används regelbundet.
En kamerasensor består av en matris av miljontals mikroskopiska fotodioder, vanligtvis täckt med mikrolinser för extra ljusinsamling och ett Bayer-mönsterfilter för att fånga färg. Var och en representerar en enda pixel.
En fotodiod kan köras i antingen fotoljusläge med nollförspänning (ingen anbringad spänning), där utgångsströmmen är begränsad och intern kapacitans maximeras, vilket resulterar i en bildelektronuppbyggnad på utgången.
Den kan också köras i bakåtriktat fotokonduktivt läge, där fotoner absorberade i p-n-klyftan släpper ut en fotoelektron som direkt bidrar till strömmen som strömmar genom dioden.
Kamerans sensorer använder sistnämnda eftersom spänningen som appliceras på omvänd bias, ökar dioden både förmågan att samla fotoner genom att utvidga utarmningsområdet och minskar sannolikheten för rekombination på grund av den ökade elektriska fältstyrkan som drar laddningsbärarna från varandra.
Plötsligt förlorad? Låt oss gå över driften av de fotodioder som utgör sensorn i kameran.
På vanligt språk, när ljuset träffar din sensor, exciterar det materialet. Denna spänning orsakar en liten elektrisk laddning att strömma från en del av sensorn till en annan. När det gör kan vi mäta det och vrida det till en signal, som vi då kan göra till en bild.
Här är det igen i de tekniska detaljerna:
En fotodiod är i huvudsak en normal halvledardiod, en anordning som tillåter strömmen av elektrisk ström endast i en riktning, med p-n-klyftan utsatt för ljus. Detta gör det möjligt för fotoelektroner att påverka enhetens elektroniska funktion, dvs. det gör sensorn ljuskänslig.
En p-n-korsning är en del positivt dopad halvledare smält med en del negativt dopad halvledare. Dopning infunderar orenheter som donerar eller accepterar elektroner för att ändra tillgängligheten och polariteten för laddning i en halvledare. Denna selektiva hantering av laddning är grunden för all elektronik.
Nära samlingspunkten i halvledaren lockas elektronerna på den negativa dopade sidan, och tenderar att diffundera in i den postivdopade sidan. Det finns hål utan elektroner inom halvledargitteret, vilket resulterar i en netto positiv laddning. Hål behandlas som positivt laddade partiklar för allmänna ändamål. Dessa har också en tendens att diffundera in i den negativa dopade sidan.
Men när tillräckligt med mobila laddningsbärare (elektronerna och hålen) har ackumulerats i varje sida finns det tillräckligt med laddning där för att generera ett elektriskt fält som tenderar att avstöda fler laddningsbärare från diffunderande. En laddningsjämvikt uppnås. De diffunderande bärarna är lika med de avstängda bärarna i varje riktning.
Detta jämvikta område nära korsningen är det som kallas en uttömningsregion, där det finns ett moln av elektroner på den positiva dopade sidan av korsningen och ett moln av hål på den negativa dopade sidan. Bärarna har tömts från sina ursprungliga positioner och har skapat en avgiftsskillnad, vilket resulterar i ett elektriskt fält, dvs. inbyggd spänningspotential. Detta är grunden för en diod. En fotodiod är väsentligen densamma, men med ett genomskinligt fönster för att fotoner kan slå ut i utarmningsområdet.
Reverse-biasing dioden breddar utplåningsområdet genom att övervinna avloppsregionens naturliga laddningsjämvikt och ställa in en ny, där det medfödda elektriska fältet nu måste vara tillräckligt starkt för att motverka både attraktion, diffusion och även det applicerade elektriska fältet. Detta kräver naturligtvis en större uttömningsregion som innehåller mer laddning för att skapa ett starkare fält.
När en foton med tillräcklig energi träffar och absorberas av halvledargitteret, genererar det ett elektronhålspar. En elektron får tillräckligt med energi för att undvika gitterets atombindning och lämnar ett hål. Rekombination kan ske omedelbart, men i stort sett vad som händer är att elektronen dras i riktning mot den negativa dopade regionen och hålet mot den postiva dopade regionen.
Ofta kan de rekombineras med andra laddningsbärare i halvledaren, men helst med optimerat transittavstånd från fotositen till elektrodsamlaren (kort nog för att undvika rekombination men tillräckligt lång för att maximera fotonabsorptionen) kommer bärarna att nå elektroden och bidra till att fotocurrent till utläsningskretsen.
Lång historia kort, desto mer fotoner absorberas, desto mer laddningsbärare gör det till elektroderna, och ju högre nuvarande utläsning skickas till kamerans analog-digital-omvandlare. Ju högre ström, desto högre exponering tas emot och desto ljusare pixel.
Som jag nämnde ovan mäts ofta ISO med hjälp av den exponering som krävs för att mätta fotositerna. Jag förklarade precis vad photositesna är; utarmningsområdet inom fotodioderna. Så hur blir de mättade? Tja, antalet elektroner som är tillgängliga för fotoner att excitera är inte obegränsat. Efter att en viss mängd ljus energi har absorberats har halvledaren släppt så mycket laddning till elektroderna som möjligt och svarar inte längre på ytterligare exponering.
Fotografiskt är detta fullbrunnskapaciteten, eller markera klipppunkten. Vanligtvis misstänker tillverkarna medvetet sina sensorer för att behålla huvudytan i höjdpunkterna, vilket gör det möjligt att markera återhämtning i RAW.
Enligt ISO 12232 är ekvationen för att definiera mättningsbaserad hastighet S_ sat = 78 \ över H_ sat var H_ sat = L_ satt t. L_ satt är den önskade belysningen för en given exponeringstid för att nå sensormättnad. 78 är vald så att en 18% grå yta kommer att visas exakt 12,7% vit.
Detta gör det möjligt att markera höjdrummet i den slutliga bedömningen för speciella höjdpunkter att rulla av naturligt och inte som blockiga prickar. Denna klassificering är mest användbar för studiofotografering där belysningen är exakt styrd och maximal information krävs.
ISO definierar ett annat betygstest som är mindre använd men är mer användbart för verkliga scenarier, vilket är det brusbaserade hastighetsprovet.
Detta är ett ganska subjektivt test, eftersom bildkvaliteten och testkriterierna är något godtyckliga; S / N-förhållandena som används är 40: 1 för "utmärkt" IQ och 10: 1 för "acceptabelt" IQ, baserat på att man tittar på ett 180 dpi-tryck från 25 cm bort. S / N-förhållandet definieras som standardavvikelsen för ett vägt genomsnitt av luminans- och krominansvärdena för flera individuella pixlar i ramen.
Standardavvikelse är ett sätt att matematiskt härleda variationen i värden i insamlade data från det genomsnittliga eller förväntade värdet. Det är summan av alla skillnader kvadrerade, dividerat med antalet datapunkter i uppsättningen, kvadratrotsad. I huvudsak, ett genomsnitt av avvikelserna.
Fotografiskt betyder det att testpixlarna är genomsnittliga för att hitta "förväntat" värde av ljussignalen. Då definierar standardavvikelsen hur långt bort de enskilda testpixlarna brukar vara från detta medelvärde. Om vi antar att pixlarna är relativt likformiga, är denna avvikelse från medlet buller, antingen från sensorn eller processelektroniken.
Förhållandet mellan medelvärdet (signal) och standardavvikelsen (brus) är S / N-förhållandet. Ju högre detta förhållande desto mindre ljud finns i signalen. Till exempel, för den "utmärkta" bildkvalitetsstandarden på 40: 1 betyder det att i genomsnitt för varje 40 bitars bildsignal finns det bara ett av ljud. Den stora skillnaden mellan bilden och bruset är vad som skapar den rena bilden.
Buller kan introduceras på flera sätt: mättnad / mörk ström över fotodioderna, slumpmässiga termiskt frigjorda elektroner i fotodioderna eller processelektroniken (termiskt brus), laddningsbärarens rörelse över fotodiodens uttömningsområde (skottstörning) och brister i kristallstruktur eller föroreningar som resulterar i slumpmässig fångst och utsläpp av elektroner (flimmerbuller).
Ökningen av ljud från att öka ISO-inställningen på kameran är ett resultat av att förstärkningen av förförstärkare ökar mellan sensorn och A / D-omvandlaren. S / N-förhållandet reduceras nödvändigtvis, eftersom för att ge en "korrekt" exponering med hög förstärkning måste det finnas mindre exponering. Mindre exponering innebär mindre signal, därmed relativt större ljud som en bråkdel av den reducerade nivån.
Ett enkelt matematiskt exempel; sägs vid ISO 100, en korrekt exponering uppnås genom att fylla en viss pixel till 80% brunnskapacitet och dess S / N-förhållande är 40: 1, så +/- 2% av strömavläsningen är bullerinducerad. Förstärkning av ISO till 800 innebär att förstärkarna ökar signalen med 8x, och således uppnås rätt exponering vid endast 10% brunnskapacitet. Bullernivån +/- 2% förblir dock ungefär densamma och förstärks rätt tillsammans med signalnivån. Nu har 40: 1 S / N-förhållandet blivit ett 5: 1-förhållande, och bilden är värdelös.
Du kan se varför det är viktigt att skjuta med så mycket exponering och så lite förstärkning som möjligt. Kretskrets- och sensorteknik samt avstängningsalgoritmer förbättras ständigt; Tänk bara på skillnaden mellan ett ISO 800-skott från 2008 och ett ISO 800-skott från idag. Majoriteten av bilderna ses nu också i relativt små storlekar på nätet, och storleken på storlek minskar också bullret.
För stora formatutskrifter kan du dock se varför det är viktigt att skjuta med mycket ljus och vid bas ISO. Därför också maximen "exponera till höger", vilket innebär att bilden blir så ljus som möjligt på histogrammet utan att klippa höjdpunkter. Det maximerar inte bara mängden ljussignal jämfört med den bildade elektronikens rimliga ljudnivå, men hur dataen digitaliseras betyder att mer information kan lagras i höjdpunkterna än i skuggorna.
Det handlar om det, tror jag. Jag hoppas att den här artikeln var intressant, kanske till och med för användningen, till några av er och att du inte blev för förlorad i tekniken i solid state fysik!
Kommentarer? Frågor? Upprepa kommentarerna nedan!
Accentsconagua