這篇文章將從CMOS成像原理出發(fā)，深入講解ISO的本質(zhì)，誰決定ISO，原生ISO和基準(zhǔn)ISO的區(qū)別和定義，分析噪點(diǎn)產(chǎn)生的原因。詳解信噪比、動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)別與計(jì)算，以及最重要的ISO如何影響信噪比與動(dòng)態(tài)范圍。

ISO的本質(zhì) 基準(zhǔn)/原生ISO區(qū)別

通常我們將ISO理解為傳感器對(duì)光的敏感程度，在膠片時(shí)代，可以調(diào)節(jié)銀鹽顆粒的大小來決定真正的感光效率，但在數(shù)碼相機(jī)時(shí)代這么理解并不恰當(dāng)。

因?yàn)閷?duì)于同一塊傳感器，光子到電子的轉(zhuǎn)換效率，也叫量子效率已經(jīng)確定，不隨ISO的改變而改變。

那我們?cè)谕瑯拥墓馊涂扉T下如何改變出圖亮度呢？加增益。沒錯(cuò)，ISO的本質(zhì)就是增益，可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。一般我們將僅由模擬增益決定的ISO稱為原生ISO，也叫native ISO，而最低原生ISO稱為基準(zhǔn)ISO，也叫Base ISO，但通常這兩個(gè)概念可以混用。

CMOS成像原理

為了搞清楚誰決定ISO的課題，我們來回顧一下CMOS圖像傳感器成像原理。

光子進(jìn)入CMOS的光電二極管內(nèi)被轉(zhuǎn)化為電子并捕獲到potential well也叫勢(shì)阱內(nèi)完成積累，這個(gè)光子到電子轉(zhuǎn)換效率被稱為量子效率，也叫QE。

?

勢(shì)阱的電子被浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD也叫floating diffusion轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存到一個(gè)電容CFD里，讀出過程中，這個(gè)電容完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換并被源極跟隨器SF讀出。

?

之后這個(gè)電壓被一個(gè)可編程增益放大器PGA執(zhí)行模擬放大并交給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC量化為數(shù)字信號(hào)。

?

深入理解誰決定ISO

縱觀整個(gè)光到電再到數(shù)字信號(hào)的讀出流程，ISO又體現(xiàn)在哪兒呢？

首先，量子效率決定了光電靈敏度，這個(gè)很好理解，一般相機(jī)為50%-60%。

其次，浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電容CFD決定電荷到電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系，我們小學(xué)二年級(jí)就學(xué)過C=Q/V，表現(xiàn)電容和電壓、電荷量的關(guān)系，那一個(gè)電子給到這個(gè)電容能產(chǎn)生多少電壓呢？就是基本電荷量小q/Cfd。那么這個(gè)由浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)電容值決定的電荷到電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就稱為conversion gain，也叫轉(zhuǎn)換增益，這個(gè)電容很重要，一會(huì)兒有大用處。

一般來說conversion gain的單位是微伏每電子，比如索尼a1高增益的conversion gain是85.7 uV/e-，表示它一個(gè)電子給到浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)上，能轉(zhuǎn)化成85.7微伏的電壓。在同樣的量子效率和像素尺寸下，這個(gè)由浮動(dòng)擴(kuò)散電容決定的conversion gain就決定了基準(zhǔn)ISO，因?yàn)榇藭r(shí)PGA不放大，而源極跟隨器通常有固定倍率。

索尼A1論文中的芯片參數(shù)

那當(dāng)PGA開始執(zhí)行模擬放大，比如說放大兩倍，意味著接受同樣曝光量下能給到ADC的電壓是基準(zhǔn)ISO的兩倍，基準(zhǔn)ISO100的被放大到ISO200，原生ISO就是被PGA的模擬增益乘上基準(zhǔn)ISO決定了。

?

但PGA的放大倍率也有限，一般是30db，那如果你想開非常非常高的增益，比如說ISO102400，已經(jīng)超過模擬放大極限怎么辦？ADC量化之后再機(jī)內(nèi)數(shù)字增益唄，這時(shí)和你后期提亮沒有任何區(qū)別，這一段也叫擴(kuò)展ISO。

簡(jiǎn)單看個(gè)例子，比如說使用imx410傳感器的尼康Z6，datasheet顯示最高30db的PGA放大，也就是32倍左右。已知imx410在ISO800時(shí)通過雙增益電路切換到高增益的conversion gain，配合32倍的PGA放大，最高原生ISO是32*800=25600，是不是正好對(duì)應(yīng)到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

?

當(dāng)然不同廠家對(duì)原生ISO的標(biāo)定有時(shí)也帶上數(shù)字放大，這里就不在贅述了。下面來詳細(xì)講講信噪比、動(dòng)態(tài)范圍和寬容度。

光的量子特性和散粒噪聲

絕大多數(shù)人都錯(cuò)誤的認(rèn)為高ISO下的噪點(diǎn)是CMOS引起的，但事實(shí)并非如此。光的散粒噪聲才是噪點(diǎn)的第一大來源，尤其是目前由于技術(shù)進(jìn)步，讀出噪聲可以壓到幾個(gè)電子的級(jí)別，散粒噪聲更是在大多數(shù)情況下占據(jù)主導(dǎo)。

不確定性原理指出，不可能同時(shí)精確確定一個(gè)基本粒子的位置和動(dòng)量。由于光的量子漲落，在某處測(cè)得的光子數(shù)量不是定值，而是呈現(xiàn)一定概率。

而一段時(shí)間內(nèi)光打到傳感器后的接收數(shù)量符合均值為λ的泊松分布。泊松分布有個(gè)很好的性質(zhì)，就是其期望和方差都是均值λ，標(biāo)準(zhǔn)差自然是根號(hào)λ。這個(gè)性質(zhì)可以直接算公式，也可以通過中心極限定理近似到正態(tài)分布得到。

什么是信噪比？就是均值/標(biāo)準(zhǔn)差。

比如說某個(gè)像素成功轉(zhuǎn)換了n個(gè)光子為電子，那此時(shí)散粒噪聲信噪比就為n/根號(hào)n=根號(hào)n。

所以說對(duì)散粒噪聲，隨著光子數(shù)量n的增加，雖然噪聲是以根號(hào)n的形式增加，但其信噪比也在以也在以根號(hào)n的形式增漲，這就是為何我們要增加進(jìn)光量的微觀解釋。

而在需要用到高ISO的場(chǎng)景，本身的進(jìn)光量就小，光的信噪比不足。此時(shí)開高增益以提亮圖片，散粒噪聲就更加明顯了，這也是所謂“ISO引起噪點(diǎn)”的說法錯(cuò)誤所在：高ISO下的噪點(diǎn)是因?yàn)榈瓦M(jìn)光量造成散粒噪聲信噪比低，而不是開了高增益引起多余噪點(diǎn)。

?

進(jìn)光量相同 適當(dāng)?shù)母逫SO反而噪聲更低

讀出噪聲 熱噪和FPN

接下來，我們來看看讀出噪聲，也就是CMOS對(duì)信號(hào)的讀出本身引入的噪聲。

讀出噪聲最重要的來源是ADC量化之前的模擬電路部分，尤其是讀出電路中的FD和SF會(huì)分別引入100 μV左右的噪聲。當(dāng)開啟高ISO，PGA模塊對(duì)SF的讀出電壓加模擬增益，前面的所有讀出噪聲也被同步放大，這一段隨ISO放大而放大的讀出噪聲也叫前端讀出噪聲。

而PGA模塊和ADC本身也會(huì)引發(fā)噪聲，不隨模擬增益而改變，這一段也叫后端讀出噪聲。

其中對(duì)于ADC來說，連續(xù)變化的模擬信號(hào)采樣為離散的數(shù)字信號(hào)一定是不完美的，這其中的誤差稱為量化誤差，引發(fā)了量化噪聲，反映在raw文件里一般為固定的幾個(gè)bit，量化噪聲可以通過增加ADC的采樣精度而減少，比如選用14bit或16bit ADC。

當(dāng)然除了讀出電路本身引入的噪聲，成像過程中隨著快門時(shí)間增長(zhǎng)，CMOS產(chǎn)熱會(huì)引起熱噪聲。

熱噪聲也約翰遜–奈奎斯特噪聲，本質(zhì)是電子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，任何時(shí)候都有，只是高溫更為明顯。在電容器里熱噪聲也叫KT/C噪聲。

?

以及由于不同像素之間的非均勻性導(dǎo)致的固定模式噪聲，也叫FPN，F(xiàn)ixed Pattern Noise

但這兩者一般來說并不占主導(dǎo)，比如索尼A1的論文中就著重提到了采用列并行的取樣保持電路（S&H）對(duì)KT/C噪聲降噪。

動(dòng)態(tài)范圍與信噪比的定義與區(qū)別

剛剛有提到，信噪比是某一均值下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差的比值。

而動(dòng)態(tài)范圍的定義不一樣 ，動(dòng)態(tài)范圍DR是最大值和最小值的比值。

在CMOS里，最大值是像素達(dá)到飽和時(shí)最多能容納多少電子，也叫滿阱容；最小值是沒有信號(hào)輸入時(shí)本身cmos本身會(huì)引起的噪聲，也叫本底噪聲或零輸入響應(yīng)，可以近似為讀出噪聲。

滿阱容被誰決定？還記得浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)電容CFD嗎？給定允許的最大電壓擺幅V，是不是可以通過V*Cfd算出這個(gè)電容最多能容納多少電子，再結(jié)合基本電荷量q即可算出最多能容納多少電子。

這就是滿阱容，也叫FWC，full well capacity。

計(jì)算信噪比和動(dòng)態(tài)范圍

信噪比和動(dòng)態(tài)范圍怎么計(jì)算呢？通過photonstophotos.net查看不同相機(jī)的單個(gè)像素的最大滿阱容，以及在各個(gè)ISO下以電子為單位的讀出噪聲。

?

通過FWC/readout noise能算出這個(gè)相機(jī)的最大動(dòng)態(tài)范圍。我們通常將動(dòng)態(tài)范圍用擋來表示，2倍是一檔，那動(dòng)態(tài)范圍是多少擋呢？就是:

對(duì)于信噪比來說，由于現(xiàn)代傳感器讀出噪聲很小，我們可以通過滿阱容開根號(hào)得到的散粒噪聲信噪比近似為某相機(jī)的最大信噪比，以db來表示就是:

以a7R4為例的SNR和DR計(jì)算

具體來看個(gè)例子，以索尼a7R4為例，其最大滿阱容為36000個(gè)電子，最低原生ISO下讀出噪聲大概3個(gè)電子。

可以得到其最大動(dòng)態(tài)范圍是:

大概13.55檔。DXO測(cè)出來13.3，很精準(zhǔn)吧。

?

最大信噪比呢？我們通常用18%的中灰也就是大致吃到滿阱的18%來算此時(shí)的信噪比，也就是:

實(shí)測(cè)是37db，也差不多。

注意這里的計(jì)算都是基于像素層面，沒有縮圖，至于縮圖會(huì)復(fù)雜一點(diǎn)。

ISO如何影響和信噪比與動(dòng)態(tài)范圍

好，重點(diǎn)來了。ISO和信噪比、動(dòng)態(tài)范圍是什么關(guān)系呢？

首先，高ISO能提高信噪比，當(dāng)進(jìn)光量確定的時(shí)候，散粒噪聲的信噪比也確定了。而在相同的Base ISO下，采用更高的ISO，事實(shí)上就是改變的PGA放大器的放大倍數(shù)。

讓它放大電壓有什么用？第一，壓制放大器到ADC之間的那段傳輸噪聲。第二，讓ADC能接收更高的電壓擺幅，量化時(shí)能用到的有效色深采樣更高，壓制ADC的量化噪聲。

所以說這就得到了一個(gè)很反常理，但又非常正確的結(jié)論：給定相同的進(jìn)光量，在不過曝的前提下提高ISO，反而能壓制后端讀出噪聲提高信噪比。

而一般測(cè)試圖里提高ISO噪點(diǎn)變多，是因?yàn)橐３之嬅嫫毓庀嗤s小了光圈/縮短了快門，本質(zhì)上還是因?yàn)檫M(jìn)光量變少造成散粒噪聲信噪比降低，并不是ISO引起了噪點(diǎn)。

保持曝光不變，開高ISO必然要縮光圈/減快門，低進(jìn)光量引起噪點(diǎn)

?

保持進(jìn)光量不變，后期提到一個(gè)亮度，高ISO反而噪點(diǎn)少

我們來看看實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)不論是新老相機(jī)，高ISO的讀出噪聲總是比低ISO低那么點(diǎn)，即使是具有所謂ISO不變性，后端讀出噪聲足夠低的新相機(jī)，比如索尼a7C，高ISO的信噪比收益仍然存在，雖然收益沒那么明顯了。

這時(shí)候你可能有疑問了，唉不對(duì)啊，前文不是說了高ISO會(huì)放大散粒噪聲和前端讀出噪聲嗎？怎么到這里又壓噪聲了？

注意這里壓噪聲是指前期用高ISO比后期提亮信噪比高。對(duì)于散粒噪聲，它是光的物理屬性，想把很少的光提亮到高亮度，散粒噪聲總是被放大，所以說散粒不是CMOS的鍋。

在后期提亮?xí)r，要共同放大散粒+前端+后端噪聲，提高ISO只放大前端+散粒，帶一個(gè)固定的后端噪聲。所以我們才得到ISO對(duì)信噪比的結(jié)論：進(jìn)光量相同時(shí)，高ISO能壓制后端讀出噪聲來提高信噪比。

至于ISO對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響則完全相反。

ADC能接受的最大電壓擺幅是固定的，比如說1v。PGA不放大時(shí)FD能裝多少電子就是最大滿阱容。

那當(dāng)PGA放大器開始放大，比如說2倍，ADC還是只能接受1v，但對(duì)應(yīng)到放大器的輸入端就只能接受0.5v了，造成將將過曝時(shí)對(duì)應(yīng)的電子數(shù)量砍半。

所以說，ISO越高，動(dòng)態(tài)范圍越低，而且當(dāng)后端讀出噪聲足夠低的時(shí)候，提高ISO對(duì)于本底噪聲影響不大，造成的結(jié)果就是ISO和動(dòng)態(tài)范圍近似為線性負(fù)相關(guān)。

我們可以看到近期的幾個(gè)相機(jī)，包括索尼a1，尼康z(mì)9在雙增益后都符合這個(gè)趨勢(shì)。下期會(huì)提到這個(gè)性質(zhì)和ISO不變性的聯(lián)系。

ISO的形象化理解

我們可以形象化地把ISO想成話筒的話放，你說話聲音一樣的時(shí)候，話筒振膜的振幅是確定的。但電路中傳輸過程和模數(shù)轉(zhuǎn)換過程一定會(huì)有噪聲，如果你說話聲音很小，就直接被淹沒在底噪里了，再怎么后期放大都沒用 。

這時(shí)候你開啟話放，適當(dāng)讓前端的電壓擺幅增大，是不是就對(duì)后端噪聲有壓制作用，提高了信噪比。

但如果話放增益開太大，電壓對(duì)振幅的靈敏度太高，你稍微說話大點(diǎn)聲就爆掉了（削波）。這時(shí)候是不是能接收的最大值和最小值之比就變小，所以動(dòng)態(tài)范圍就小了。

結(jié)語

簡(jiǎn)短地總結(jié)一下這篇內(nèi)容:

數(shù)碼相機(jī)的ISO不能理解為感光效率，而是一個(gè)增益。

基準(zhǔn)和原生ISO不一樣，基準(zhǔn)ISO是被一個(gè)電容決定的conversion gain影響，原生ISO是基準(zhǔn)ISO乘上模擬放大。

信噪比是均值/標(biāo)準(zhǔn)差，大多數(shù)情況下是散粒噪聲主導(dǎo)。

考慮光子射入符合泊松分布，散粒噪聲信噪比恰好是捕獲的光電子數(shù)量開根號(hào)

適當(dāng)?shù)母逫SO能壓后端讀出噪聲，提高信噪比

動(dòng)態(tài)范圍是滿阱容/讀出噪聲，其中滿阱容直接和ISO負(fù)相關(guān)，而新相機(jī)的讀出噪聲變化沒那么大

讀出噪聲足夠低時(shí)，ISO和動(dòng)態(tài)范圍是線性負(fù)相關(guān)

該開高ISO時(shí)開高ISO，比后期提亮噪點(diǎn)少，當(dāng)然也看光比

不要信“ISO引起噪點(diǎn)“，高ISO影響動(dòng)態(tài)范圍是真的

這就是我的第一期相機(jī)ISO硬核解讀。這篇文章從最底層的原理出發(fā)，分析了ISO的本質(zhì)，原生ISO和基準(zhǔn)ISO的區(qū)別和定義，講解了噪點(diǎn)產(chǎn)生的機(jī)制，詳細(xì)對(duì)比與計(jì)算了信噪比和動(dòng)態(tài)范圍的區(qū)別，以及ISO對(duì)它們的影響，并且澄清了噪點(diǎn)和ISO的關(guān)系，當(dāng)然也歡迎指出我的問題。下期會(huì)著重于雙原生ISO和雙增益，向右曝光，曝光寬容度和ISO不變性，并會(huì)結(jié)合實(shí)際給出更多例子。

歡迎加入【全棧芯片工程師】知識(shí)星球，手把手教你設(shè)計(jì)MCU、ISP圖像處理，從算法、前端、DFT到后端全流程設(shè)計(jì)。

實(shí)戰(zhàn)MCU+ISP圖像處理芯片版圖

實(shí)戰(zhàn)ISP圖像算法效果

?

知識(shí)星球發(fā)起MCU項(xiàng)目啟動(dòng)，大家一起參與MCU項(xiàng)目規(guī)格啟動(dòng)討論，我把設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、DFT、后端的知識(shí)點(diǎn)全部羅列出來，大家一起來完善。

以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式介紹MCU芯片全流程設(shè)計(jì)的方法；提煉相關(guān)的檢查列表、signoff checklist的樣本；讓星球成員熟悉SoC架構(gòu)、設(shè)計(jì)流程、開發(fā)進(jìn)度、項(xiàng)目管理；

編輯：黃飛