ISO感光度和曝光指数

介绍

ISO感光度（或ISO感光度）衡量的是图像传感器和/或相机对光线的响应强度。感光度越高，拍摄高质量图像所需的光线就越少（光圈越小和/或曝光时间越短）。遗憾的是，感光度有多种衡量方法，而且它们之间并不统一。Imatest计算其中两种：基于饱和度的ISO感光度和标准输出感光度。

曝光指数 (EI)是相机的一项设置，它基于一项或多项感光度测量值计算得出。它用于确定相机根据光照强度测量值所对应的曝光量。曝光指数和感光度密切相关，有时可以互换使用，但应加以区分。例如，可以说：“当曝光指数设置为 100 时，相机的基于饱和度的 ISO 感光度为 80。”

提高暴露指数

在数字化（模数转换）之前，增加图像传感器输出端的（模拟）增益，使相机能够在光线较暗的情况下工作。
增加噪声，降低整体图像质量。
这会导致系统在较低光照水平下饱和（尽管传感器饱和所需的光照水平不变），从而提高灵敏度测量值。当相机设置为最小感光度 (EI) 时，测量结果最能代表传感器的性能（但如果系统在传感器本身饱和之前就达到饱和——即达到最大像素级别——则测量结果可能并非完全准确）。

下表总结了 Imatest 支持的两种灵敏度测量方法。

基于饱和度和标准输出灵敏度
	基于饱和度的灵敏度S _sat	标准输出灵敏度S _SOS
措施	灵敏度是指传感器或系统达到饱和所需的亮度水平。当图像曝光于反射率为 18% 的区域，且 EI 值由S _sat计算得出时，相当于 141% 反射率的亮度将使系统饱和（41% 的余量）。	灵敏度决定了用于确定曝光的区域的标准输出级别。曝光通常基于反射率为 18% (0.18) 的灰度区域。标准输出级别是归一化的像素级别 = 0.18，^编码伽马值为 1/2.2 时，像素级别为 116（最大值为 255）。
受影响	模数转换前的传感器饱和度和模拟增益（由相机的EI设置决定）。不受色调响应曲线（TRC）的影响。	所有信号处理因素，特别是RAW转换过程中应用的TRC“肩部”，旨在降低传感器饱和的可能性。TRC肩部往往会增加S _SOS 。
测量精度	误差约为±10%。最佳使用直接伽马编码（无肩部），可通过使用dcraw解码RAW图像获得。TRC中的“肩部”可能会降低误差。曝光不足会降低精度。轻微至中度过度曝光（最亮区域接近或达到饱和）可改善精度。	误差约为±10%。由于S _SOS包含了信号处理（例如TRC）的影响，因此测量精度不受TRC的影响。但“自适应”处理可能会降低测量精度，因为图像的不同部分会采用不同的处理方式。
起源	原始ISO-12232标准（1997 年）	CIPA DC-004 (2004)

入射光（照度）测量（2025年12月2日更正）

反射式图表：入射光（照度）测量（单位为勒克斯）相对简单。将入射照度计（最好带有平面漫射器）放置在图表正前方，指向相机（与图表平行），确保不遮挡任何光线。直接使用勒克斯测量值。

透射式照度图：这类照度图并不那么简单：入射勒克斯测量并不适用。对于这种应用，您需要测量以下任一参数的亮度：

图表灰度图中的白色色块，其透射率为ρ = 10 ^{（-色块密度）} ，其中色块密度在图表参考文件中指定，或者
灯箱的漫反射表面应该接近朗伯光源（即亮度与角度无关）。

为了测量（近似）朗伯灯箱上密度为ρ的区域的等效照度（ I ），使用以下公式：

L = ρI/π ，或I = πL/ρ ，

其中L是在色块上测量的亮度。要直接从灯箱亮度获得I （即，不使用色卡），请从方程中移除ρ （ ρ = 1 ）。

对于测量具有密度参考文件的透射式图表的亮度（用于除曝光指数以外的计算），请注意，所测量的参考文件密度包含基准密度。如果您在不使用图表的情况下测量灯箱的亮度，请应用以下公式：

色块亮度 = 灯箱亮度 * 10 ^{(–色块密度)} 。

实用公式：如果您的测光表读数单位为 EV（曝光值）： @ ISO 100
注意： ISO 100 的 EV 也称为光值( LV ₎ 。

Imatest 模块的灵敏度

灵敏度是在五个Imatest Master模块中计算的：eSFR ISO、SFRplus、Color/Tone Interactive、Stepchart 和 Colorcheck。

输入入射光照强度（单位为勒克斯）（测试实验室页面对照度计进行了描述），
EXIF 数据可以直接从图像文件中获取，也可以手动输入光圈值（F 值）和曝光时间（秒）。强烈推荐使用Fred Harvey 的 EXIFtool 工具。如果没有该工具，则只能解码 JPEG 文件的 EXIF 数据。

通常情况下，入射照度值在输入对话框中输入，灵敏度会显示在输出图表中，如果已写入 CSV 输出文件，则会显示在该文件中。具体细节会因模块而略有不同。

步骤图

步骤图输入对话框的一部分入射光强度（单位：勒克斯）在阶梯图输入对话框左下角附近的文本框中输入。如果文本框为空或值为零，则不会计算灵敏度。

如果存在 EXIF 数据，则“入射照度”下方会显示“光圈（F 值）”和“曝光时间（秒）”。如果这些框为空，则必须手动输入才能运行灵敏度分析。

结果（ S _sat 、 S _SOS和入射照度水平）显示在 Stepchart 噪声细节图的右上角（选中所有项后显示的第二个图）。

颜色检查

在“颜色检查”输入对话框下方中央附近的文本框中输入入射光强度（单位：勒克斯）。如果文本框为空或值为零，则不会计算灵敏度。
	结果（ S _sat 、 S _SOS和入射照度水平）显示在 Colorcheck 噪声细节图左上角的密度响应图中（当所有项都已检查时，第二个图）。

SFRplus

入射光强度（单位：勒克斯）在SFRplus设置和选项窗口的“设置”区域中输入，该窗口可通过点击Rescharts SFRplus设置窗口中的“设置和选项”打开。如果该值为空或为零，则不会计算灵敏度。

SFRplus 输入对话框

如果存在 EXIF 数据，则“光圈” （F 值）和“曝光时间”（秒）会显示在“设置”窗口底部附近的“可选参数”区域中。如果这些框为空，则必须手动输入才能运行灵敏度分析。

结果（ S _sat 、 S _SOS和入射照度水平）显示在色调响应和伽马显示的密度响应图的右下角。

SFRplus 敏感性结果

颜色/色调交互式和颜色/色调自动

颜色检查输入对话框的一部分当“显示”设置为7 时，可在“颜色/色调交互”窗口右侧的“显示”区域中输入入射光强度（单位：勒克斯）。黑白密度。如果该区域为空白或为零，则不会计算灵敏度。

要查看 EXIF 数据（或在 EXIF 数据缺失时输入光圈和曝光设置），请单击“设置”按钮。这将打开“颜色矩阵”和其他设置菜单。下方显示了用于显示和/或输入光圈和曝光设置的部分。

颜色/色调交互式附加设置，用于输入光圈和曝光

结果（ S _{sat} 、 S _{SOS}和入射照度）显示在黑白密度图的右下角。只有在显示过黑白密度图后，点击“保存数据”按钮，结果才会出现在 CSV 文件 [root name]_multicharts.csv 中。

方程式

一般背景

Imatest计算出的两个关键灵敏度测量值均源自同一个方程。

（1）

H是图像传感器上用于确定曝光的物体（测试图块）的曝光时间，单位为勒克斯·秒，通常为反射率为 18% 的区域。I  _sensor是传感器处的照度，单位为勒克斯。t 是曝光时间，单位为秒。关键问题是：

如何指定与H对应的物平面照度（即测试图上的勒克斯）和输出信号（即像素级）？
选择H的标准。

测试图表亮度和传感器照度之间的关系可以从 Jacobson、Ward、Ray、Attridge 和 Axford 合著的摄影手册（Focal Press 出版社）第 5 章第 5 节第 65 页的公式（5）中推导出来。

（2）

在哪里

I是图像（传感器）平面上的照度，单位为勒克斯。
T是透镜的透射率，通常假设为 0.9，
L _obj是物平面（测试图）上的亮度，单位为坎德拉/平方米。
N是光圈值（f 值）。

灵敏度标准除了T之外，还包含两个会降低通过镜头的光量的因素。这两个因素分别是渐晕因子v （假设为 0.98）和 cos ⁴ ( T )，其中T假设为 10 度。cos ⁴ (10 度) = cos ⁴ ( π /18 弧度) = 0.9406。对于典型的Imatest测试条件而言，这个数值偏高。当T = 6 度时，cos ⁴ ( T ) = 0.9783。加上这些附加因素后，

（3）

将I代回方程 (1) 得到

（4）

注意，当T = 10 度时，灵敏度 =根据安森美半导体(OnSemi) 的 ISO 测量文件，感光度的单位为 1/(光照强度 * 曝光量)。这可以通过回顾曝光量与光照强度和感光度成反比关系来理解，即光照强度或感光度越高，曝光量越低。

用于测量灵敏度的Imatest模块分析灰度阶梯图图像，这些图像由已知密度d或反射率ρ的色块组成，其中X-Rite Colorchecker和Color/Tone Interactive支持的主要色卡都包含此类图案。作为参考，纯白色表面的密度ρ约为 90% (0.9)，相当于色度 d约为 0.05。色卡色块的亮度为

其中I为测试图表的照度，单位为勒克斯。(5)

参考资料：《基础摄影材料与工艺》（第二版），作者：Stroebel、Current、Compton 和 Zakia，第 1 章，第 27 页（脚注）：“公制：一个完全漫反射（100%）的表面，在 1 米烛光（… 1 lux）的照射下，每平方米将反射… 1 / π坎德拉。”

照度（单位为勒克斯）很容易用入射光度计测量，例如价格低廉的BK Precision 615 。

基于饱和度的 ISO 灵敏度 S _sat

此测量假设图像使用反射率为 18% ( r = 0.18) 的标准灰卡曝光，并且传感器在反射率为 141% 时达到饱和（达到其最大输出）（远高于纯白的 90% 反射率），以便留出一定的“余量”。传感器饱和的区域（以及相应的亮度L _{sat}和饱和反射率r _{sat} ）是通过外推最亮的未饱和区域来计算的。（如果存在饱和区域，则不能直接使用，因为它们不包含任何实际信息。在这种情况下，外推得到的饱和亮度不能大于第一个饱和区域。）

该方程是通过假设L _obj为传感器饱和值的 18/141 而推导出来的，其中， r _sat 和L _sat是通过外推像素级别来确定饱和点的，即在测试图表上，我们必须使用

（6）

基于饱和度的ISO感光度不受信号处理的影响，但测量精度可能会受到显著影响。为获得最佳精度，建议使用RAW文件。

标准输出灵敏度 S _SOS （来自CIPA DC-004 ）

该测量假设图像使用反射率为 18% ( r = 0.18) 的标准灰卡进行曝光，并且该区域的归一化像素级别为 0.18^(1 / gamma) ，其中gamma是与颜色空间对应的显示 gamma 值。

许多标准色彩空间，例如 sRGB 和 Adobe RGB，都是为伽马值为 2.2 的显示而设计的，因此归一化像素级别为 0.4586（对于 8 位像素，像素级别为 116，最大值为 255）。（ DC-004中使用的是 0.461 或像素级别 118 _，因为 sRGB 的伽马值并非精确的2.2。）色块密度d46 = _-log10 ₍ r46 ) 和亮度在哪里与此像素级别对应的值是通过对像素级别的对数进行二阶多项式拟合得到的，该对数像素级别是图像块密度的函数。如果L _obj是图像块亮度，

（7）

SOS 值很大程度上依赖于信号处理。当色调响应曲线 (TRC) 中存在“肩部”时，SOS 值会增加。肩部常用于降低高光“过曝”（饱和）的可能性。对于使用直线 gamma = 1/2.2 曲线编码的文件（例如使用 dcraw 解码 RAW 文件时得到的文件），也就是说，假设图像在 100% 反射率时达到饱和（没有余量）。当存在肩部时， S _SOS通常大于S _sat 。

头部空间HDR

曝光余量是指 100% 反射区域曝光量与系统饱和度之间的可用曝光量。当曝光指数 (EI) 设置为基于饱和度的 ISO 感光度S _{sat 时}，曝光余量始终为Hdr _sat = 41.4% 或 1/2 档光圈（或 EV 或区域）。

标准输出灵敏度S _SOS 及其对应的动态余量Hdr _SOS都与响应曲线密切相关。增加响应曲线的“肩部”（饱和附近的曲率）会同时提高S _SOS和Hdr _SOS 。计算公式相当简单：

（光圈值、曝光补偿或曝光区）（8）

使用 RAW 文件

使用dcraw并采用以下设置转换RAW文件时，基于饱和度的 ISO 感光度测量会更加准确可靠。

dcraw 输入对话框，显示推荐的灵敏度设置 — dcraw 输入对话框（打开 RAW 文件时出现）
显示 ISO 灵敏度测量的推荐设置

必须取消勾选“自动白平衡” 。
去马赛克功能应设置为“普通 RAW 转换” 。（我们尚未找到能够对拜耳 RAW 文件产生可靠结果的正确设置组合。）
输出色彩空间通常设置为sRGB 。
输出伽玛值应设置为sRGB或2.2 。

Q-14 和 Colorcheck 图像，
裁剪和缩减

饱和点的确定是通过外推或内推法，具体取决于最亮区域是否达到饱和。由于使用 dcraw 转换的 RAW 文件具有直线型伽马曲线（对数刻度上的直线，即没有“肩部”），因此可以较为精确地确定饱和点。

以下输出结果为Stepchart运行结果
在图片的完整尺寸版本上
右侧所示为裁剪缩小后的图像。

这些是使用 dcraw 转换的 RAW (CR2) 文件的结果。请注意左上角的直线色调响应（斜率 = γ）。正如预测的那样， S _SOS 约为S _sat的 0.71 倍，但存在一些实验误差。

阶梯图结果：dcraw — **RAW (CR2) 文件的密度响应和灵敏度阶梯图**
**使用 dcraw 转换。**

以下结果显示了相同曝光条件下，使用 JPEG 图像而非 RAW 图像得到的色调响应曲线。曲线右侧亮部区域的“肩部”（曲率）使得难以准确估计饱和点，但从图像效果上看，这并非坏事。肩部降低了高光饱和的可能性，从而通常能获得更令人满意的图像。从 RAW 图像（上图）得出的S _sat值更为可靠。请注意，标准输出灵敏度S _SOS = 110.8 已增加了一倍以上。动态余量为光圈值。

阶梯图结果：jpeg — **JPEG图像的密度响应和灵敏度阶梯图。水平刻度相同。**

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