在室内拍摄运动的人物时，把快门调快并提高 ISO，照片亮度虽然保持住了，暗部却有颗粒感。相反，用三脚架拍夜景，低 ISO 下画面往往很干净。如果只用“因为 ISO 高”来解释这种差别，就会忽略真正的原因。
本文面向已经会搭配快门速度、光圈和 ISO 的摄影者，解释背后传感器的工作方式。不需要电路知识。我们先看照片的差别，再走进相机内部。
只需记住两件事：“收集了多少光”和“怎样让信号变亮”是两回事。
亮度一样，高 ISO 照片为什么更容易有颗粒感？
假设在相同光圈和照明下拍摄同一扇夜间的窗户。快门加快两档，同时 ISO 提高两档，输出亮度大致可以保持一致。
F2.8 · 1/125 秒 · ISO 800
接收的光：基准的 1 倍
颗粒所占比例较小
F2.8 · 1/500 秒 · ISO 3200
接收的光：基准的 1/4
亮度相同，却更容易显出颗粒
提高 ISO 能让照片变亮，却不能补回短时间曝光中没有收集到的光。
快门、光圈和照明都保持不变。
1/125 秒 · F2.8 · ISO 800
收集的光不变
1/125 秒 · F2.8 · ISO 3200
收集的光不变
变化的是信号处理方式和输出亮度。如果统一到相同的最终亮度再比较，来自光线的噪声比例不变。真实相机还涉及读取噪声和饱和。
在照明和光圈不变时，快门从 1/125 秒变为 1/500 秒，传感器接收的光就降为 1/4。将 ISO 从 800 提高到 3200 可以提亮输出，却无法恢复收集到的光量。
所以不要把“高 ISO 必然增加噪声”当成定律。只改变 ISO，与改变 ISO 的同时减少曝光量，是两种不同的比较。使用自动曝光或自动 ISO 时，这两件事很容易同时发生。
光少的时候，为什么颗粒更明显？
像素把光产生的电子用作信号，但每次产生的电子数并不会完全相同。即使拍摄均匀的墙面，亮度也会有细微波动，在照片中看起来像颗粒。这种不可避免的光量波动叫作光子散粒噪声。
即使拍摄均匀的墙面，各像素接收的光也不会完全一致。光产生的电子数量略有差异，呈现为亮度颗粒。
波动 10 个电子，相当于信号的 10%。
即使波动 20 个电子，也只占信号的 5%。
收集更多光时，波动的电子数虽然增加，占信号的比例却变小。
用公式验证：散粒噪声与信噪比
在理想泊松模型中，若平均电子数为 N，光子散粒噪声的标准差就是 √N。100 个电子对应 10 个电子，400 个电子对应 20 个电子。
信号与噪声之比称为信噪比（SNR）。只考虑散粒噪声时，SNR＝N／√N＝√N。收集 4 倍的光，SNR 就从 10 增至 20，翻了一倍。
图中的三个像素是平均值 ±1σ 的说明例，并非实测值或随机抽样。此比较不包括读取噪声、暗电流或固定图案噪声等。
拍摄时真正有帮助的是在允许的范围内收集更多光：开大光圈、延长曝光时间，或调整照明和拍摄位置。但为了延长曝光而把运动的人拍糊，就得不偿失了。
到目前为止，图示只单独讨论了来自光线的噪声。真实照片还会受到接下来介绍的读取电路噪声，以及长时间曝光时的暗电流影响。
改变 ISO，传感器内部会怎样变化？
传感器的工作是把镜头送来的光转成能够记录图像的电信号。小像素中由光产生电子，随后将电子数量以电压读出，最终转换为数字。
传感器由许多把光转成电信号的小像素组成。它们储存光产生的电子，再把电子数量作为电压读出。
黄色代表光，蓝色代表传感器；结构与大小均为示意。
圆中的“−”代表电子。取消勾选可回到转移前的图示。电子数量仅为说明，并非实际数量。
某些相机会随 ISO 设置改变此处的放大倍数等参数。图示假设均为 100 个电子，信号从 1 mV 变为 4 mV。
电压到数字的转换称为模数转换（ADC）。图中为 3 位示例，并非真实相机规格。RAW 的记录方式与处理因机型而异。
ISO 设置改变的不是收集到的光量，而是如何读取由光得到的信号，以及如何对应输出亮度。
术语与省略电路说明
② 中的感光位置是光电二极管（PD），读取位置是 FD／SN，中间的控制部件是传输栅（TG）。这里示意典型 4T CMOS 像素，省略了复位、源极跟随器、行选择等部分。
电子转移会使 FD 的绝对电压下降。通常用相关双采样（CDS）取得复位后与转移后电压的差值。③ 将这个差值的幅度画成正值，并非 FD 电压上升。CDS 与 ADC 的先后顺序取决于设计。
ISO 控制可能涉及转换增益、模拟增益、ADC 后的数字增益及 RAW 元数据。并非所有机型都使用同一放大级，ISO 数值也不等于单个电路的放大倍数。
提高 ISO，不会让同样的光产生数倍电子。变化的是放大与读取设置，以及信号和输出亮度的对应方式。具体实现因机型而异，因此不能说“ISO 3200 一定会启用这个电路”。
如果想进一步了解像素和电路，可以阅读CMOS 图像传感器中的噪声如何产生。这里先掌握拍摄决策需要的部分。
低 ISO 拍 RAW，后期提亮，效果一样吗？
你也许会想：“光量相同，能否用低 ISO 拍暗一些，再在后期提亮？”答案是取决于机型和 ISO 范围。
光变成电信号并被读取的过程中，电路也会带来细小波动。这就是读取噪声。如果能在其中一部分噪声加入之前先放大信号，同样的光量下，暗部有时就能记录得更好。
以下把同样的光量拍摄的 RAW 统一到相同的最终亮度比较。差异源于读取电路本身也会加入细小波动。折线只示意放大后加入的噪声。
记录后再提亮，读取过程中加入的噪声也会一起放大。
由于信号相对于随后加入的噪声更大，统一到相同亮度后，后者的影响有时会减小。
即使光量相同，有些机型及 ISO 范围也能在高 ISO 端更干净地读取暗部。但它无法消除光量不足带来的颗粒感。
数值示例：区分放大前后的噪声
图中折线只示意放大后加入的噪声，不包括光子散粒噪声和放大前噪声。各点既非实测，也非严格的统计样本。
若在简化模型中同时纳入它们，假设平均信号为 100 个电子、放大前噪声为 2 个电子，增益为 1 时放大后噪声折算到输入端为 8 个电子，则增益 1 的总方差为 168 电子²、SNR 约 7.7；增益 4 时为 108 电子²、SNR 约 9.6。
SNR＝N／√[N＋r前²＋(r后／g)²]。假设各种噪声相互独立，累加的是方差而不是标准差。若放大后噪声的贡献可忽略，两种情况下总方差均为 104 电子²、SNR 约 9.8，差异就很小。
这不是实际相机的测量结果。模型省略了转换增益切换、放大器自身噪声、暗电流、量化和饱和等因素。
另一方面，有些机型或 ISO 范围内，即使把同一曝光量的 RAW 调整到相同最终亮度，暗部噪声的 ISO 差异也很小。这称为ISO 不变性。它不意味着“任何 ISO 的画质都相同”，也不意味着“光少也没关系”。
此外，低 ISO 下拍得较暗的 RAW 在现场更难检查曝光。JPEG 的色调和降噪处理也会变化，不能直接套用 RAW 的比较结果。
用高 ISO 提亮暗部，也要检查高光溢出
仅仅放大信号，无法无限制地记录亮部。像素能储存的电子数，以及读取电路和数字转换都有上限。达到上限的区域会失去亮度差异。
高 ISO 端的高光余量有时会缩小，但暗部读取噪声也会变化，因此不能一概断言“ISO 每提高一档，动态范围就必然少一档”。有些机型在增益切换时特性也会变化。
关键是同时检查暗部颗粒和想保留的高光。JPEG 直方图和过曝警告有时不对应 RAW 的饱和情况。详情参见HDR 与动态范围的关系。
技术补充：高 ISO 与高光余量
像素无法继续储存电子，与放大后电路或 ADC 先达到上限，是两种不同情况。下面使用固定输出上限为 1 的简化模型。
在 ×4 增益下，输入到 1/4 就会达到相同的输出上限。这并非实测 ISO 曲线；转换增益、RAW 记录和数字处理都会改变实际表现。JPEG 的过曝显示与 RAW 饱和也不一定一致。
技术补充：双转换增益改变了什么？
有些传感器会切换电子转为电压的转换率（转换增益）。下面展示一种改变读取位置电容的方式。
理想电容模型中，|ΔV|＝Nq／C。100 个电子对应 10 fF 与 2.5 fF 时，电压变化分别是 1.60 mV 和 6.41 mV。电子数和入射光并未增加。这些数值是假设条件下的结果，并非真实相机数据。
图中电容是读取节点 FD／SN 的电容，不是光电二极管的储存电容。电路下部是小信号模型的参考点。实际转换率还受寄生电容和源极跟随器增益影响。
Dual Conversion Gain、Dual Native ISO 和佳能的 Dual Gain Output（DGO）不是同一种技术。切换 ISO 与工作方式还会因机型、照片或视频模式以及 Log 设置而异。
拍摄时该怎样选 ISO？
不要以低 ISO 本身为目标。先满足所需的快门速度和光圈，并在条件允许时尽量获得足够的光。然后使用需要的 ISO，这就是基本原则。
拿不准时，可以按下面的顺序考虑，把“收集光”和“处理信号”分开。
根据主体运动和手抖情况决定快门速度。不要为了降低 ISO 而放弃必要的速度。
根据虚化、景深和镜头成像选择 F 值。如果可以开大光圈，就能收集更多光。
调整照明或拍摄位置。拍静止主体时，可以用三脚架延长曝光时间。如果不可行，就进入下一步。
也可以使用自动 ISO。确保达到目标输出亮度，并了解所用相机的常规 ISO 范围。
如果模糊，回到①；如果光不足，回到③；如果高光溢出，则重新考虑曝光量和 ISO。不要只凭一个数值决定。
使用光圈优先或快门优先时，可从你最看重的参数开始。闪光灯、视频快门角度、Log 和 EI 设置还会带来其他限制。
| 拍摄场景 | 优先事项 |
|---|---|
| 运动人物、体育摄影 | 先保证必要的快门速度。许多时候，凝固动作的高 ISO 照片比模糊的低 ISO 照片更好。 |
| 静止夜景、商品摄影 | 若能用三脚架或照明获得足够光量，通常更容易使用较低的常规 ISO。长时间曝光还要注意暗电流和主体移动。 |
| 明暗反差大的场景 | 不要只看暗部就提高 ISO，也要检查高光。RAW 与 JPEG 的过曝显示可能不一致。 |
例如在室内拍孩子，如果需要 1/500 秒才能凝固动作，就应优先保证这个速度。开大光圈后仍缺光，就提高 ISO。运动模糊和噪声是不同问题，降低 ISO 不一定更好。
防抖功能抑制的是相机晃动，无法凝固运动主体。关于快门类型，也可参考电子快门、机械快门与电子前帘快门的区别。
关于 ISO 与噪声的常见问题
提高 ISO 一定会增加噪声吗？
不一定。要先分清曝光量是否也减少，还是仅改变了 ISO。在相同曝光量、相同最终亮度的 RAW 比较中，高 ISO 端的读取噪声有时反而更低。
最低 ISO 一定有最好的画质吗？
菜单里最低的 ISO 有时属于扩展设置，常规基准感光度也因机型与模式而异。另外，模糊或曝光不足对照片的损害可能超过 ISO 数值的影响。应结合常规 ISO 范围和拍摄条件判断。
大像素或大传感器一定更擅长高 ISO 吗？
在相同照度、曝光时间和光电转换效率下，大像素通常更容易在单个像素上收集更多光。但比较整张照片还涉及传感器面积、像素数量、相同视角下的拍摄条件、显示尺寸、缩图处理及读取性能，不能只按尺寸排名。
切换到双原生 ISO 的切换点，就一定更干净吗？
这取决于机型、拍摄模式和 Log 设置。相同曝光量下，暗部读取性能有时会变化，但光子散粒噪声不会消失。请查阅官方说明书，确认该模式的基准感光度和限制。
怎样比较自己的相机是否具有 ISO 不变性？
用三脚架拍摄静止主体，固定照明、快门和光圈，以 RAW 记录。只改变 ISO，在后期调到相同亮度后比较暗部。白平衡、降噪、锐化和显示尺寸也要保持一致；排除已饱和的区域。
总结：分清照片亮度与收集到的光量
提高 ISO 可以提亮照片，却不会增加抵达传感器的光。光少时，光量波动占信号的比例更大。另一方面，某些读取方式会让高 ISO 端的暗部更干净。
拍摄时可以按“防止模糊 → 选择所需光圈 → 获得足够光量 → 调整 ISO → 检查高光溢出与噪声”的顺序考虑。以此为依据，你就能做出比“一律避免高 ISO”更合适的判断。
免责声明：本文是帮助摄影者理解原理的一般性说明。ISO 控制、RAW 记录、基准感光度和增益切换取决于机型、固件及拍摄模式。具体设置请以所用相机的官方说明书为准。
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