理解数码噪点：产生原因及对拍摄的指导意义

这是我在2015年写的文章，此后修改过很多次，直到我觉得自己的知识能够支撑这篇文章的内容。很多人觉得数码照片的噪点与感光度直接相关，ISO越高噪点越明显，这其实是一种舍本逐末的认知。在这篇文章中，我试图通过相对简单的描述，将数码噪点的主要形成原因做一个大致的概括，帮助你了解数码噪点产生的原因，并且更好地了解自己的相机，在拍摄中做出更合理的曝光选择。

噪点是数码摄影中的一个重要概念，也是经常引起关注的现象。大量的器材评测都将噪点表现作为评价相机画质的主要因素之一。事实上，相机成像质量的几乎所有方面，包括动态范围等都和噪点密切相关。在这篇文章中我将不会涉及与噪点相关的复杂理论，而是站在一个相机使用者的角度为你介绍在拍摄中降低噪点的一般原则。当然，为了真正将这些原则融入拍摄活动中，我们不得不简单地了解噪点产生的原因。

噪点，不是你想象的那样

说到噪点，很多人会自然联想到高感光度。“高感”与“噪点”几乎是两个并列的词语。谈及噪点，一定与高感有关；评价高感好坏，自然是看噪点的多少。因此，简单的错误结论是：噪点的多少与感光度有关。在摄影中，感光度设置越高，就越容易产生噪点。

进一步，有人会表示噪点的多少与照片亮度有关。照片越暗，噪点越明显。即使在同一张照片中，阴影区域的噪点也会比明亮区域显著。这是因为，阴影区域光线信号较弱，这时候在读取信号的时候噪点就会相对明显；而越是明亮的区域信号强度越大，噪点不明显，图像也会显得干净。

尽管这是大多数人对噪点的基本认识，甚至只有比较深入的爱好者才会拥有的“专业”认识；然而这两种表述虽然与事实相符，却与理论背离。数码图像噪点产生的原因与想当然的理解不同。下面我们要来准确理解噪点到底来自于何处。希望你在看完这篇文章后能够有一种别有洞天的感觉，也希望你对数码噪点的理解能够更上一个台阶。

理解信噪比（SNR）

噪点是一种我们可以直观看到的现象。一般来说，噪点是真实信号的偏移，表现为与背景不相容的杂信号。例如，在一个红色的物体上出现绿色的信号，或者在一个灰色物体上出现了白色信号，这些信号就是我们所说的噪点。因此，噪点与信号是相辅相成的；或者说噪点本身也是信号的一种，无非是我们不需要的信号，抑或不正确的信号。

显然，撇开信号来谈论噪点是没有意义的。噪声是模拟设备与电子设备普遍存在的问题，噪点是噪声在数码图像上的表现形式。假设某个采样设备获得的噪声是1，你能否判断这样的噪声是否明显呢？答案是否定的。因为我们只有在了解信号的强度以后才能够判断“1”到底是较强的噪声还是微弱的噪声。如果采样设备获得的信号也是1，这时候信号相对噪声的比值是1:1，噪声就非常高，高到信号本身已经失去意义。假如采样获得的信号是10000000，这时候信号相对噪声的比值就非常大，噪声就显得相对很低。

为了评判噪声相对信号的强弱，我们通常用信噪比（signal noise ratio, SNR）来衡量某个设备或者系统的噪声水平。信噪比的定义非常简单，它就是信号与噪声的比值：

SNR=S/N

等式中S代表信号，N代表噪声。信号越高，噪声越小，信噪比就越高；信号越低、噪声越大，信噪比就越低。信噪比一般用分贝（db）来表示。分贝的定义是：

db=10lg(S/N)

在上面的例子中，信号与噪声都为1，其信噪比为0（lg1=0）。直观地说，由于信号与噪声是一样的，根本就无法区分信号和噪声，所以也就没有所谓的信噪比了。而在信号与噪声比值为10000000:1的情况下，其信噪比为70db。

信噪比直观地体现了设备的信号采集性能。表现在数码摄影中，采集的图像信噪比越低，噪点就越明显；信噪比越高，画面就越干净。在数码图像的生成过程中，有很多环节会引入噪点。下面我们将就噪点形成中的两个主要环节进行讨论。

光子噪声：与曝光强弱显著相关的噪点来源

假如我告诉你数码照片上出现的噪点与你的设备无关，你是否会感到惊讶？尽管这句话存在局限，然而在很大程度上确实如此。数码图像中记录的主要噪点并非源于高感光度设置，甚至与你的相机无关，而是来自于光线本身。

我们每天都在接触光线，阳光是地球能量的根本来源，光线也是摄影的基础。然而要从科学的角度理解光不是一件容易的事情。天才的物理学家们为此做出了大量努力，才使得我们对光有所认识。如果你没有忘记物理老师教授给你的知识，那么你或许知道光具有一个非常重要的性质：波粒二象性。

所谓波粒二象性是指光既具有波动性又具有粒子性。我们日常生活中更易于体会到光的波动性。经典的光学实验比如干涉、衍射等反应的都是光的波动特征。然而，光同时是一种粒子（光子），也满足量子力学的基本定义。在量子力学中，粒子的运动具有随机性，因此量子力学是一种描述统计规律的物理学。

回忆一下中学里学习的价层电子云模型。在原子核外的每一个能级轨道上都存在高速运动的电子。电子云的形态由波函数描述（s/p/d/f），是相对固定的。但是，波函数描述的并不是电子的实际位置，而只是电子出现在某个位置的概率。我们无法预测某一个特定时间电子会出现在哪里，这是无法测量的。与此相似，光子的活动也具有随机性，这种随机性表现为围绕某一概率数值附近所出现的偏差。

光子的这一粒子特性反应在我们的照片拍摄过程中。将光线想象成一束光子流，它们射向感光元件后完成曝光。理想情况下，固定强度的光线在固定的感光元件面积上投下固定数量的光线。然而，由于光子的粒子特性，这一数量会存在微弱的偏移。这就好比我们在做精确测量时总会反复多次以求得均值。例如，某个物体的重量是1.025克，我用一个精度不够高的天平进行测量，可能获得1.025克，也可能获得1.024、1.026克等其他数值。然而，测量次数越多，其均值与中值就越会接近1.025克。在数学上，我们通常用(均值±标准差)的方法来描述测量结果，标准差代表数据的离散程度。

假设投射到某个像素矩阵上的光线强度都是100，那么在实际记录的时候既可能记录为100，也可能记录为105或者95。在1000个像素点上，有990个记录为100，其他10个像素由于涨落记录为存在偏移的数据，在图像上就表现为噪点——噪点是偏移于实际信号的杂信号。偏移的程度越大，噪点也就会越明显。

这种由光的粒子性所引入的噪声称为光子噪声（photon noise），或者也被称为光子散粒噪声（photon shot noise），这是照片噪点的主要来源之一。由于光子涨落是随机而不可控的，所以光子噪声来源于光线的固有特性，与设备无关，也无法避免。尽管如此，光子噪声却与曝光显著相关。

我们前面说过，光子噪声其实是由于涨落所引起的记录信号与实际光线强度之间的偏移，噪声是相对实际光线强度的离散。这种离散的概率与信号强度密切相关。掷一个六面骰子，看起来掷到哪个数字是随机偶然的。然而，如果你掷一万次，那么掷到任何数字的概率大致接近六分之一。这和我们上面讲到的测量类似。随着重复次数的增多，离散程度会下降，偶然度降低，数据会向一个中心靠拢。

我们可以用类似的道理来理解光子涨落，毕竟这也属于统计学的范畴。根据泊松分布原理，光子噪声的强度等于信号的平方根，这是问题的关键。假设信号强度是100，这时候离散程度是10，即噪声相对信号的比例是10%。如果信号强度是10000，离散程度是100，这时候噪声相对信号的比例是1%，信噪比提高了10倍！正是基于泊松分布的特点，当光线强度足够高，离散光子所占的比例就低，光子的随机投射对信号的影响就小，图像的信噪比也就比较高。相反，如果投射到感光元件的光线很少，这时候光子涨落造成的影响就显著，从而表现为噪声的提高，信噪比降低。

由上述描述我们可以归纳出一个基本观点：光子噪声的产生仅与曝光有关。复习一下曝光的概念：曝光是决定投射到感光元件光线数量的过程。光子噪点来源于光的固有特性，与任何设备均不相关，而只与你的曝光有关。曝光过程是产生噪点的第一个环节，也是最为重要的环节。曝光越充分、照片越亮，光子噪点的影响就越小；曝光越不足、照片越暗，光子噪点的影响就越大。

现在我来回答本部分开头提到过的那句话。为什么说光子噪点与设备无关只是一句部分正确的话？从原理上来说，光子噪点仅与曝光有关，而决定曝光的三个要素是光线强度、光圈大小与快门速度，这三者与设备均无关。可是，在描述曝光的时候我们还有一个前提：感光元件面积相同的前提下。重复曝光的概念：曝光是感光元件感受到的光线总量（不是单位面积！）。感光元件面积越大，感受到的光线自然越多；感光元件面积越小，感受到的光线自然也越少。所以，在同等制造工艺下、拍摄同样的场景、使用相同的光圈与快门组合，大尺寸感光元件接收的光线总量总是比小尺寸感光元件更多，其光子噪点也就一定更少。这就是感光元件尺寸影响画质的主要因素——无论在胶片时代还是数码时代，这都是无法改变的固有特性。

读出噪声：与设备性能显著相关的噪点来源

光子噪点来源于曝光过程，属于光线的固有属性。在曝光之后所引入的噪点通常被统称为电子噪点或者电子噪声。有多种类型的电子噪声会影响最终的图像噪点，这其中比较重要的是读出噪声（read noise）。

光线投射到感光元件后，每一个像素点会将感受到的光线强度转化为电势能（光子激发电子从而产生电压），经过放大与增益后，电势能被转换为电子信号作为最终记录下来的原始数据，也就是模数转换（analogue to digital converter, ADC）。由于设备的固有特性，在光线最终被记录为电子信号的过程中或多或少会引入噪点。感光元件在把光线强度记录为电势能的过程中会引入噪声，放大与增益过程将放大已有的噪声并可能引入新的噪声，而后续的ADC过程也是噪声的重要来源。这一过程中产生的噪声笼统地称为读出噪声，因为这是设备读取信号过程中产生的噪声。

由于这一过程发生在曝光之后、RAW记录之前，因此读出噪声是与设备性能密切相关的参数。在曝光条件相同的情况下，相机的读出噪声越低，其信噪比就越高，成像质量越好，噪点越少；相机的读出噪声越高，其信噪比就越低，成像质量越差，噪点越多。感光元件尺寸相同的数码相机所表现出来的画质差异——比如噪点水平的不同、动态范围的不同——主要来源于相机的读出噪声。当然，之前我们已经说过了，在感光元件尺寸差别很大的情况下，光子噪声是影响画质的核心因素。

高感光度与噪点的关系在哪里？

在了解了光子噪点与读出噪点之后，有一个必须要解答的问题：感光度到底在噪点的发生过程中起什么作用？高感高噪是一个不争的事实，而我们在谈论噪点成因的时候却似乎根本没讲到感光度，那么这究竟是由什么原因引起的呢？

要理解这部分内容需要科学的认知，因为这和我们通常的理解看起来是不一致的。而我也不打算深入感光度调整在整个数码成像中的作用，因此我只给你一个简单的结论性描述：

高感光度不是一个增加噪点的因素，也不是一个降低信噪比的因素。相反，高感光度的出现在某种程度上是为了获得更高的信噪比，以表现那些在低感光度情况下无法很好表现的细节。然而，当我们提高ISO的时候照片上就会出现明显的噪点，为什么要说高感光度反而能增加信噪比呢？问题依然在于曝光。

让我再强调一遍：曝光决定于投射到感光元件上的光线总量，这一过程与感光度ISO无关。感光度处于曝光下游的信号处理，其位置大约在ADC之前。当我们提高ISO的时候，相机将放大之前记录的一切——包括信号和噪声。

让我们来考虑这样一个事实。我们在相同的光线环境下对同样的物体用ISO 100和ISO 6400分别充分曝光，获得同样亮度的照片。假设在ISO 100的情况下我使用的曝光组合是f/2.8、1/60秒，由于ISO 6400的设置将在相机内对信号放大64倍，为了获得相同的“亮度”，我必须增加6档快门，即采用f/2.8、1/4000秒。

组合A：ISO 100, f/2.8, 1/60s

组合B：ISO 6400, f/2.8, 1/4000s

在照片上看起来两者的亮度是一样的，组合B的噪点水平肯定超过组合A，这是因为组合A的实际曝光量是组合B的64倍！为了在不同ISO设置下获得相同的照片亮度，低ISO照片的曝光量永远大于高ISO照片，所以在高感光度情况下拍摄的照片就容易出现噪点。而这些噪点本质上主要来源于光子噪声——对于光子噪声来说，曝光量越小，噪声就越明显。这就是高感高噪的实质：相对于基础感光度而言，为了在高感情况下获得合理亮度，你的照片永远是严重“欠曝”的——当然，我知道实际情况是相反的：你总是为了获得合理亮度，所以才使用高感。那么，不妨换一个思路来理解问题：事实上只有在曝光不足的情况下你才会提高感光度（设置失误不在讨论范围内）。因此，高感光度照片的背后必然是曝光不足。

在数码相机评测中，你经常看到对于同一场景采用相同曝光在不同感光度下的照片比较以评价高感噪点表现。在这些例子中你看到的同一相机在不同感光度下的噪点差异主要来源于光子噪点，而和感光度本身无关。当然，不同相机在ISO处理上的区别会影响高感光度下的噪点表现，因此对同一感光度下不同相机的成像水平进行横向比较对于评判相机之间的区别依然是有意义的。

由于提高ISO会放大上游的所有信号与噪声，因此提高ISO也会在一定程度上影响读出噪声。然而，事实上对于绝大多数相机，提高ISO后会降低相机总读出噪声在信号中的占比，从而提高信噪比！尽管你可能很难相信，但是这就是实际情况。这一趋势在佳能相机上尤为明显。以EOS 5D Mark III为例，该相机在ISO 100时的读出噪声为33.6e-，而在ISO12800时的读出噪声降低为2.4e-！

因此，高感光度带来的实际问题依然在于曝光不足。高感本身不是噪点的来源，与高感相关联的曝光不足才是噪点的主要根源。

降低光子噪点的影响：合理曝光

了解噪点产生原因的目的无非是为了能够在拍摄过程中尽可能降低噪点——理论上所有信号总会伴随着噪声一同产生，所以不可能完全避免噪点。降低噪点的关键步骤在于曝光，因为光子噪点是所有噪点中影响最大、也是在通常环境中最主要的噪点来源。根据光子噪点的产生原因，我们很容易得出结论：只要增加在曝光过程中投射到感光元件上的光线总量，就能降低光子噪点，获得更好的画质。要实现这一目的有三种主要手段：

1. 增加感光元件面积；

2. 增加拍摄场景的光线强度；

3. 选择合适的镜头，并向右曝光。

手段1决定在相同技术条件下全幅相机的噪点控制水平一定好于半幅、4/3幅面或者更小幅面的数码相机；同样，中画幅、大画幅相机也一定好于全幅相机。更换更大尺寸的摄影系统能够降低光子噪点、提高画质。

手段2是通过增加曝光量来实现降低光子噪点的结果。选择充足的光线，或者营造充分的光线（闪光灯、影室灯）都能够增加光通量，从而获得更好的效果。关于这个问题我在《理解曝光》一文中详细介绍过，建议参考。

手段3是通过器材和曝光技术改善噪点。为什么在相机高感性能越来越好的情况下还需要大光圈镜头？因为大光圈镜头能带来通光量的增加。单纯就噪点来说，在室内使用f/1.4和ISO 100的组合永远好于f/5.6和ISO 1600的组合（相机性能一样的情况下）。而向右曝光也是通过技术手段来改善噪点的方法。所谓向右曝光是指在高光区域没有溢出的情况下尽可能增加曝光量（通过光圈与快门，而不是ISO！），将照片拍得亮一些，然后在后期处理中将影调调整到正常范围。向右曝光是充分利用感光元件感光性能、提高信噪比的实用技术。根据光子噪点的原理我们很容易理解，曝光量越大，光子噪点就越少。向右曝光就是利用了这条基本的噪点产生原理以达到最佳画质。

光子噪点的原理告诉我们，要获得更好的画质，拍摄的过程非常重要，曝光的过程尤为重要。曝光是在多数情况下噪点记录的主要来源，把握好这一步，就能降低最终照片中的噪点数量，获得更干净的图像。

降低读出噪点的影响：充分理解你的相机

光子噪声来源于光线的固有属性。以同样的曝光量进行曝光，所有相机所接受的光子噪点都是一致的，因此光子噪点的多少与设备性能无关。然而，读出噪声的水平却是区分不同相机或者说不同感光元件成像质量的关键。理解相机的工作方式，取长补短，才能合理开发相机的潜能。

在关于高感的部分我已经提到过一个论点：随着感光度ISO的提高，相机的读出噪声通常会降低。我们可以笼统地通过这一特性将相机分为两类。如果相机的读出噪声随着ISO的提高下降非常明显，比如之前提到的5D Mark III，我们姑且称这类相机为ISOfull相机；如果相机的读出噪声随着ISO的提高只是轻微下降，甚至根本不下降，我们称这类相机为ISOless相机。

由于相机厂商在数据处理中还会采用不同的增益步骤，因此确切判断ISOfull和ISOless是很困难的。一般来说，目前市场上几乎所有的佳能相机都属于ISOfull相机，而其他相机或多或少都更符合ISOless成像的特点。为什么要区分这两类相机？原因在于ISOfull相机和ISOless相机对ISO调整的反应不同，由此会影响你的拍摄参数设置。

ISOfull相机的读出噪声随着ISO的提高会明显下降；反过来说，这类相机在基础感光度下的读出噪声就比较高。由于读出噪声高，ISOfull相机在基础感光度下的成像质量总体上略逊于ISOless相机，这一差别主要表现在阴影区域。假如你在基础感光度下拍摄了非常暗的图像并且希望在后期进行提亮，ISOfull相机的噪点会相对明显。从另一个角度来说，ISOfull相机在基础感光度下的动态范围往往相对较窄。

然而，随着ISO的提高，ISOfull相机的读出噪声会显著下降，所以其在高感区域的信噪比提升会比较明显。这决定了一个重点：如果你使用的是ISOfull相机，那么应尽量避免在低ISO情况下曝光不足。例如，光圈与快门已经设置到极限，在ISO 100的情况下照片依然曝光不足。这时候你应该及时提高ISO以获得合理的照片亮度。对于ISOfull相机，提高ISO往往要比后期软件提亮的效果更好，所以应尽可能利用相机的高感能力。对于ISOfull相机来说，提高ISO带来的最大改善在照片的阴影部分。

相反，假如你使用的是ISOless相机，那么ISO调整对噪点的影响相对不那么重要。这是因为ISOless相机随着感光度的提高其读出噪声的下降并不明显，这使得在基础感光度下就能够获得较低的读出噪声，从而带来相比ISOfull相机更好的信噪比，获得更宽的动态范围。对于ISOless相机来说，有时候在后期软件中提亮阴影的效果与你在相机中增加ISO的区别并不大。但是，需要指出的是，理论上在曝光不足的情况下使用合适的感光度设置总能获得更好的结果，只是对于ISOless相机来说，这种成像的改善并没有ISOfull那么明显而已。

区分ISOfull还是ISOless不是要评论相机的好坏，而是为了能够更好地理解相机对噪点的处理方式，以更好地发挥相机成像性能。事实上相机制造商或许也是这样考虑问题的。降低曝光值、后期提亮是相机保持高光色调细节的主要手段，佳能将其称为高光色调优先，尼康将其称为动态D-Lighting。佳能相机在开启高光色调优先的时候其最低ISO通常会比基础感光度高一档，而动态D-Lighting则没有这个限制。尽管我从没和设计人员探讨过这一问题，不过我想佳能这样做的目的恐怕是为了避免可能出现的明显阴影噪点，而尼康则不需要这么做。

当然，有时候问题并不那么单纯。比如，尼康D850不属于典型的ISOless相机，这是因为D850采用了双重增益模式。在高ISO模式下，相机限制了单个感光元件的信号容量（full well capacity）并略微降低了读出噪声，导致高ISO下的噪点下降，同时动态范围也下降。因此，理解相机处理噪点的一般规律能够帮助你更好地使用自己的相机。

关于数码噪点的小结

在这篇文章的最后，我想就关于数码噪点的问题做一个简单的小结，因为对多数读者而言这篇文章的信息量可能确实有点大，作为作者的我也需要一个总结来厘清自己的思路。

• 噪点是伴随信号而产生的信号偏移。有信号就有噪声，有数码图像就有数码噪点，不可避免。离开信号评价噪声没有实际意义，所以通常用信噪比来描述噪声的强度，信噪比也能够直观地反应信号水平，或者说成像质量。
• 数码噪点的来源可以大致被分为两部分。一部分由曝光过程产生，其来源是光子的随机性，属于光的固有特性。这部分噪点被称为光子噪点，或者光子散粒噪点。另一部分源于曝光之后的信号处理，这部分噪声被称为电子噪点。电子噪点中，读出噪声是相对比较重要的一种。
• 光子噪点的产生只与投射到感光元件上的光线强度有关。光线信号越强，光子噪声就越少；光线信号越弱，光子噪声就越大。光子噪点是照片上最主要的噪点来源，尤其在曝光不充分的情况下。为了降低照片上的光子噪点，最佳方法是提高曝光量，比如在弱光环境下使用大光圈镜头，比如向右曝光技术。
• 读出噪声是相机感光元件的固有属性。对于大多数相机，读出噪声随感光度ISO的增加而降低。我们根据这一趋势把相机分为ISOfull和ISOless两种。ISOfull相机提高感光度对降低噪点的效果更为显著，而提高感光度对ISOless相机的影响则相对有限。这决定了两种相机在参数设置上的不同考量：前者应尽量使用合适的ISO设置，而后者对ISO设置的包容性则更高一些。

最后，如果文章中所描述的细节对你来说过于繁琐，那么你只需要记住以下两个结论：

• 大多数照片上的噪点来自于光子噪点，而曝光不足是放大光子噪声的主要因素。通过光圈与快门的组合，或者改变拍摄场景光线强度是降低光子噪点的最佳手段。更换大尺寸感光元件（比如从m43升级到FF）也能够起到相似的作用。
• 提高感光度ISO不会增加噪点。高感光度下的噪点多数是由曝光不足产生的光子噪点。然而，不同相机间噪点的差异则主要来源于读出噪声，以及相机对ISO变化的不同反应。无论ISOfull还是ISOless相机，在曝光不足情况下，使用合适的感光度设置都能够降低噪点，ISOfull相机尤为明显。

思考题

破天荒给大家出一道思考题：尼康D810/D850在DXO实验室的感光元件评测中拥有全画幅相机中最出色的动态范围和色深（可以理解为基础感光度下的信噪比最好）。有人说D810/D850低至ISO 64的基础感光度在其中起到很大的作用。请结合本篇教程，分析为什么D810/D850的ISO 64能够提升相机基础感光度下的信噪比？

（提示：大多数相机的基础感光度为ISO 100，部分相机的基础感光度为ISO 200。）