ISO感光度和曝光指數

介紹

ISO感光度（或ISO感光度）衡量的是影像感測器和/或相機對光線的反應強度。感光度越高，拍攝高品質影像所需的光線就越少（光圈越小和/或曝光時間越短）。遺憾的是，感光度有多種衡量方法，而且它們之間並不統一。 Imatest計算其中兩種：基於飽和度的ISO感光度和標準輸出感光度。

曝光指數 (EI)是相機的一項設置，它是基於一項或多項感光度測量值計算。它用於確定相機根據光照強度測量值所對應的曝光量。曝光指數和感光度密切相關，有時可以互換使用，但應加以區分。例如，可以說：“當曝光指數設定為 100 時，相機的基於飽和度的 ISO 感光度為 80。”

提高暴露指數

在數位化（類比數位轉換）之前，增加影像感測器輸出端的（類比）增益，使相機能夠在光線較暗的情況下工作。
增加噪聲，降低整體影像品質。
這會導致系統在較低光照水平下飽和（儘管感測器飽和所需的光照水平不變），從而提高靈敏度測量值。當相機設定為最小感光度 (EI) 時，測量結果最能代表感測器的性能（但如果系統在感測器本身飽和之前就達到飽和——即達到最大像素等級——則測量結果可能並非完全準確）。

下表總結了 Imatest 支援的兩種靈敏度測量方法。

基於飽和度和標準輸出靈敏度
	基於飽和度的靈敏度S _sat	標準輸出靈敏度S _SOS
措施	靈敏度是指感測器或系統達到飽和所需的亮度等級。當影像曝光於反射率為 18% 的區域，且 EI 值由S _sat計算時，相當於 141% 反射率的亮度將使系統飽和（41% 的餘裕）。	靈敏度決定了用於確定曝光的區域的標準輸出等級。曝光通常基於反射率為 18% (0.18) 的灰階區域。標準輸出等級是歸一化的像素等級 = 0.18，^編碼伽瑪值為 1/2.2 時，像素等級為 116（最大值為 255）。
受影響	類比數位轉換前的感測器飽和度和類比增益（由相機的EI設定決定）。不受色調響應曲線（TRC）的影響。	所有訊號處理因素，特別是RAW轉換過程中應用的TRC“肩部”，旨在降低感測器飽和的可能性。 TRC肩部往往會增加S _SOS 。
測量精度	誤差約為±10%。最佳使用直接伽瑪編碼（無肩部），可透過使用dcraw解碼RAW影像取得。 TRC中的「肩部」可能會降低誤差。曝光不足會降低精度。輕微至中度過度曝光（最亮區域接近或達到飽和）可改善精度。	誤差約為±10%。由於S _SOS包含了訊號處理（例如TRC）的影響，因此測量精度不受TRC的影響。但「自適應」處理可能會降低測量精度，因為影像的不同部分會採用不同的處理方式。
起源	原始ISO-12232標準（1997 年）	CIPA DC-004 (2004)

入射光（照度）測量（2025年12月2日更正）

反射式圖表：入射光（照度）測量（單位為勒克斯）相對簡單。將入射照度計（最好有平面漫射器）放置在圖表正前方，指向相機（與圖表平行），確保不會遮擋任何光線。直接使用勒克斯測量值。

透射式照度圖：這類照度圖可沒那麼簡單：入射勒克斯測量並不適用。對於這種應用，您需要測量以下任一參數的亮度：

圖表灰階圖中的白色色塊，其透射率為ρ = 10 ^{（-色塊密度）} ，其中色塊密度在圖表參考文件中指定，或
燈箱的漫反射表面應該接近朗伯光源（即亮度與角度無關）。

為了測量（近似）朗伯燈箱上密度為ρ的區域的等效照度（ I ），請使用以下公式：

L = ρI/π ，或I = πL/ρ ，

其中L是在色塊上測量的亮度。若要直接從燈箱亮度取得I （即，不使用色卡），請從方程式中移除ρ （ ρ = 1 ）。

對於測量具有密度參考文件的透射式圖表的亮度（用於曝光指數以外的計算），請注意，所測量的參考文件密度包含基準密度。如果您在不使用圖表的情況下測量燈箱的亮度，請套用下列公式：

色塊亮度 = 燈箱亮度 * 10 ^{(–色塊密度)} 。

實用公式：如果您的測光錶讀數單位為 EV（曝光值）： @ ISO 100
注意： ISO 100 的 EV 也稱為光值( LV ₎ 。

Imatest 模組的靈敏度

靈敏度是在五個Imatest Master模組中計算的：eSFR ISO、SFRplus、Color/Tone Interactive、Stepchart 和 Colorcheck。

輸入入射光照強度（單位為勒克斯）（測試實驗室頁面對照度計進行了描述），
EXIF 資料可以直接從影像檔案中獲取，也可以手動輸入光圈值（F 值）和曝光時間（秒）。強烈建議使用Fred Harvey 的 EXIFtool 工具。如果沒有該工具，則只能解碼 JPEG 檔案的 EXIF 資料。

通常情況下，入射照度值會在輸入對話方塊中輸入，靈敏度會顯示在輸出圖表中，如果已寫入 CSV 輸出文件，則會顯示在該文件中。具體細節會因模組而略有不同。

步驟圖

步驟圖輸入對話框的一部分入射光強度（單位：勒克斯）在階梯圖輸入對話框左下角附近的文字方塊中輸入。如果文字方塊為空或值為零，則不會計算靈敏度。

如果存在 EXIF 數據，則「入射照度」下方會顯示「光圈（F 值）」和「曝光時間（秒）」。如果這些框為空，則必須手動輸入才能執行靈敏度分析。

結果（ S _sat 、 S _SOS和入射照度等級）顯示在 Stepchart 雜訊細部圖的右上角（選取所有項目後顯示的第二個圖）。

顏色檢查

在「顏色檢查」輸入對話方塊下方中央附近的文字方塊中輸入入射光強度（單位：勒克斯）。如果文字方塊為空或值為零，則不會計算靈敏度。
	結果（ S _sat 、 S _SOS和入射照度等級）顯示在 Colorcheck 雜訊細部圖左上角的密度響應圖中（當所有項目都已檢查時，第二個圖）。

SFRplus

入射光強度（單位：勒克斯）在SFRplus設定和選項視窗的「設定」區域中輸入，可透過點擊Rescharts SFRplus設定視窗中的「設定與選項」開啟。如果該值為空或為零，則不會計算靈敏度。

SFRplus 輸入對話框

如果存在 EXIF 數據，則「光圈」 （F 值）和「曝光時間」（秒）會顯示在「設定」視窗底部附近的「可選參數」區域中。如果這些框為空，則必須手動輸入才能執行靈敏度分析。

結果（ S _sat 、 S _SOS和入射照度等級）顯示在色調響應和伽瑪顯示的密度響應圖的右下角。

SFRplus 敏感度結果

顏色/色調互動式和顏色/色調自動

色彩檢查輸入對話框的一部分當「顯示」設定為7 時，可在「顏色/色調互動」視窗右側的「顯示」區域中輸入入射光強度（單位：勒克斯）。黑白密度。如果該區域為空白或為零，則不會計算靈敏度。

若要查看 EXIF 資料（或在 EXIF 資料缺失時輸入光圈和曝光設定），請按一下「設定」按鈕。這將打開“顏色矩陣”和其他設定選單。下方顯示了用於顯示和/或輸入光圈和曝光設定的部分。

顏色/色調互動附加設置，用於輸入光圈和曝光

結果（ S _{sat} 、 S _{SOS}和入射照度）顯示在黑白密度圖的右下角。只有在顯示過黑白密度圖後，點選「儲存資料」按鈕，結果才會出現在 CSV 檔案 [root name]_multicharts.csv 中。

方程式

一般背景

Imatest計算出的兩個關鍵靈敏度測量值都源自於同一個方程式。

（1）

H是影像感測器上用於確定曝光的物體（測試圖塊）的曝光時間，單位為勒克斯·秒，通常為反射率為 18% 的區域。 I  _sensor是感測器處的照度，單位為勒克斯。 t 是曝光時間，單位為秒。關鍵問題是：

如何指定與H對應的物平面照度（即測試圖上的勒克斯）和輸出訊號（即像素級）？
選擇H的標準。

測試圖表亮度和感測器照度之間的關係可以從 Jacobson、Ward、Ray、Attridge 和 Axford 合著的攝影手冊（Focal Press 出版社）第 5 章第 5 節第 65 頁的公式（5）中推導出來。

（2）

在哪裡

I是影像（感測器）平面上的照度，單位為勒克斯。
T是透鏡的透射率，通常假設為 0.9，
L _obj是物平面（測試圖）上的亮度，單位為坎德拉/平方公尺。
N是光圈值（f 值）。

靈敏度標準除了T之外，還包含兩個會降低通過鏡頭的光量的因素。這兩個因素分別是漸暈因子v （假設為 0.98）和 cos ⁴ ( T )，其中T假設為 10 度。 cos ⁴ (10 度) = cos ⁴ ( π /18 弧度) = 0.9406。對於典型的Imatest測試條件而言，這個數值偏高。當T = 6 度時，cos ⁴ ( T ) = 0.9783。加上這些附加因素後，

（3）

將I代回方程式 (1) 得到

（4）

請注意，當T = 10 度時，靈敏度 =根據安森美半導體(OnSemi) 的 ISO 測量文件，感光度的單位為 1/(光照強度 * 曝光量)。這可以透過回顧曝光量與光照強度和感光度成反比關係來理解，即光照強度或感光度越高，曝光量越低。

用於測量靈敏度的Imatest模組分析灰階階梯圖影像，這些影像由已知密度d或反射率ρ的色塊組成，其中X-Rite Colorchecker和Color/Tone Interactive支援的主要色卡都包含此類圖案。作為參考，純白色表面的密度ρ約為 90% (0.9)，相當於色度 d約為 0.05。色卡色塊的亮度為

其中I為測試圖表的照度，單位為勒克斯。 (5)

參考資料：《基礎攝影材料與工藝》（第二版），作者：Stroebel、Current、Compton 和 Zakia，第 1 章，第 27 頁（腳註）：「公制：一個完全漫反射（100%）的表面，在 1 米燭光（… 1 lux）的照射下，每平方米將反射…坎德拉 1/ π 。

照度（單位為勒克斯）很容易用入射光度計測量，例如價格低廉的BK Precision 615 。

基於飽和度的 ISO 靈敏度 S _sat

此測量假設影像使用反射率為 18% ( r = 0.18) 的標準灰卡曝光，且感測器在反射率為 141% 時達到飽和（達到其最大輸出）（遠高於純白的 90% 反射率），以便留出一定的「餘裕」。感測器飽和的區域（以及對應的亮度L _{sat}和飽和反射率r _{sat} ）是透過外推最亮的未飽和區域來計算的。（如果存在飽和區域，則不能直接使用，因為它們不包含任何實際資訊。在這種情況下，外推得到的飽和亮度不能大於第一個飽和區域。）

此方程式是透過假設L _obj為感測器飽和值的 18/141 而推導出來的，其中， r _sat 和L _sat是透過外推像素層級來決定飽和點的，即在測試圖表上，我們必須使用

（6）

基於飽和度的ISO感光度不受訊號處理的影響，但測量精度可能會受到顯著影響。為獲得最佳精度，建議使用RAW檔案。

標準輸出靈敏度 S _SOS （來自CIPA DC-004 ）

此測量假設影像使用反射率為 18% ( r = 0.18) 的標準灰卡進行曝光，且該區域的歸一化像素等級為 0.18^(1 / gamma) ，其中gamma是與色彩空間對應的顯示 gamma 值。

許多標準色彩空間，例如 sRGB 和 Adobe RGB，都是為伽馬值為 2.2 的顯示而設計的，因此歸一化像素層級為 0.4586（對於 8 位元像素，像素層級為 116，最大值為 255）。（ DC-004中使用的是 0.461 或像素等級 118 _，因為 sRGB 的伽瑪值並非精確的2.2。）色塊密度d46 = _-log10 ₍ r46 ) 和亮度在哪裡與此像素層級對應的值是透過對像素層級的對數進行二階多項式擬合得到的，該對數像素層級是影像區塊密度的函數。如果L _obj是影像區塊亮度，

（7）

SOS 值很大程度上依賴訊號處理。當色調響應曲線 (TRC) 中存在「肩部」時，SOS 值會增加。肩部常用於降低高光「過曝」（飽和）的可能性。對於使用直線 gamma = 1/2.2 曲線編碼的檔案（例如使用 dcraw 解碼 RAW 檔案時所得到的檔案），也就是說，假設影像在 100% 反射率時達到飽和（沒有餘裕）。當有肩部時， S _SOS通常大於S _sat 。

頭部空間HDR

曝光餘裕是指 100% 反射區域曝光量與系統飽和度之間的可用曝光量。當曝光指數 (EI) 設定為基於飽和度的 ISO 感光度S _{sat 時}，曝光餘裕始終為Hdr _sat = 41.4% 或 1/2 檔光圈（或 EV 或區域）。

標準輸出靈敏度S _SOS 及其對應的動態餘裕Hdr _SOS都與響應曲線密切相關。增加反應曲線的「肩部」（飽和附近的曲率）會同時提高S _SOS和Hdr _SOS 。計算公式相當簡單：

（光圈值、曝光值或區域）（8）

使用 RAW 文件

使用dcraw並採用以下設定轉換RAW檔案時，基於飽和度的 ISO 感光度測量會更加準確可靠。

dcraw 輸入對話框，顯示建議的靈敏度設定 — dcraw 輸入對話方塊（開啟 RAW 檔案時出現）
顯示 ISO 靈敏度測量的建議設置

必須取消勾選「自動白平衡」 。
去馬賽克功能應設定為「普通 RAW 轉換」 。（我們尚未找到能夠對拜耳 RAW 檔案產生可靠結果的正確設定組合。）
輸出色彩空間通常設定為sRGB 。
輸出伽瑪值應設定為sRGB或2.2 。

Q-14 和 Colorcheck 影像，
裁切與縮減

飽和點的決定是透過外推或內推法，取決於最亮區域是否達到飽和。由於使用 dcraw 轉換的 RAW 檔案具有直線型伽馬曲線（對數刻度上的直線，即沒有「肩部」），因此可以較為精確地確定飽和點。

以下輸出結果為Stepchart運行結果
在圖片的完整尺寸版本上
右側所示為裁切縮小後的影像。

這些是使用 dcraw 轉換的 RAW (CR2) 檔案的結果。請注意左上角的直線色調響應（斜率 = γ）。正如預測的那樣， S _SOS 約為S _sat的 0.71 倍，但存在一些實驗誤差。

階梯圖結果：dcraw — **RAW (CR2) 檔案的密度響應和靈敏度階梯圖**
**使用 dcraw 轉換。**

以下結果顯示了相同曝光條件下，使用 JPEG 影像而非 RAW 影像得到的色調響應曲線。曲線右側亮部區域的「肩部」（曲率）使得難以準確估計飽和點，但從影像效果來看，這並非壞事。肩部降低了高光飽和的可能性，從而通常能獲得更令人滿意的影像。從 RAW 影像（上圖）得出的S _sat值更為可靠。請注意，標準輸出靈敏度S _SOS = 110.8 已增加了一倍以上。動態餘裕為光圈值。

階梯圖結果：jpeg — **JPEG影像的密度響應和靈敏度階梯圖。水平刻度相同。**

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