“通用曝光”设置实际上可行吗？

不确定这个问题的学问如何，但是我对学习感兴趣，所以在此先感谢您的放纵。

胶卷在曝光期间会发生物理变化。但是，数字传感器却没有。它只是在读取数据。有什么理由无法使相机“记住”每个曝光点的传感器读数是多少？只是数据而已。可能有很多数据，但是有时可能有人想要这样做，不是吗？在后期处理中提供更大的灵活性。

如果数据存储不是问题，那么至少在专业摄影和艺术摄影方面，有什么理由不能成为标准吗？

最好不要将数字传感器描述为“读取数据”。描述它的一种更好的方法是“收集光子”，然后在收集周期结束后通过测量它们产生的微观电荷将其转换为数据。它们没有能力在收集光时连续记录每个像素的变化状态。而且，根据产生的光量是多少还是多少，在生成除随机数据以外的任何东西之前，足够的光子可能需要很长时间才能入射到传感器。另一方面，在非常明亮的光线下，有时所有像素阱都可能被快速填充，以至于落在传感器上的任何其他光子都会丢失。

在第一种情况下，没有足够的光子被收集来通过流经传感器的能量所产生的“噪声”来创建可辨别的图案，该能量被用于收集落入像素阱的光子所产生的电压。因此，没有收集可用的信息。您的整个照片都是深色的，上面有随机的颜色和光点。

在第二种情况下，收集了如此多的光子，以至于每个像素都以相同的最大值被读出，这称为全饱和，并且由于图像中的每个像素都具有相同的值，因此未保存任何可用信息。您的整个照片都是纯白色。

只有当足够多的光子撞击传感器时，每单位时间具有更多光子的区域才比每单位时间具有较少光子撞击的区域具有更高的读出值。只有这样传感器才能收集到有意义的信息，可以区分亮度变化的区域。

想象一下，在院子里放了多个水桶来收集雨滴。想象一下，他们里面都有水，但是在放置它们之前先将其倒掉。有些被放置在房屋屋顶的屋檐下。有些放在您院子里的大树下。有些被放置在外面。有些被放置在将水从排水沟倒入院子的喷口下。然后开始下雨。

假设下雨时间很短：15秒。每个桶里有几滴水。但是，每个水桶中的水量不足以判断每个水桶中是否有更多的雨水掉落，或者在将水倒出之前将水桶中剩下的滴水量还不多在院子里。由于您没有足够的数据来确定院子哪个部分上有多少雨，因此您将所有的水桶倾倒出去，等待再次下雨。

这次下了几天雨。等到雨停了，院子里的每个水桶都溢出了。即使您确定某些存储桶的装填速度比其他存储桶快，您也无法知道哪个存储桶装满最快，哪个存储桶装满。因此，您需要再次将水桶倒出并等待更多的降雨。

第三次尝试下雨三个小时，然后停止下雨。您到院子里检查水桶。有些快满了！有些根本没有水！在这两个极端之间，大多数都有不同数量的水。现在，您可以使用每个铲斗的位置来确定院子每个区域的降雨量。

我们更改数码相机曝光的原因是试图收集足够的光线，以使最亮的区域几乎饱和，但不完全饱和。理想情况下，这是在相机具有基本ISO感光度的情况下发生的。但是，有时没有足够的光线执行此操作。即使在可用的最大光圈下，我们也无法在最长的时间内收集足够的光线（由于被摄体的运动），我们不敢将快门打开。在这种情况下，我们要做的就是调整相机中的ISO设置，以使从传感器传出的所有值都乘以一个系数，从而使最高值接近但几乎不饱和。不幸的是，当我们放大信号（光子降落在像素阱中产生的电压）时，我们也放大了噪声（用于收集每个像素阱电压的电流所产生的随机不均匀电压）。这导致较低的信噪比 这减少了我们可以从传感器收集的数据中创建的细节量。

还有其他技术限制，可防止相机在快门打开时以各种间隔保持“运行总”光子数量。在问题上投入足够的资金，其中一些局限性可以克服，至少可以部分克服。但是，要么物理学定律需要改变，要么我们需要彻底改变传感器计算光子的方式，然后才能克服其他限制。最终，某些或所有这些设备中的技术可能会取代我们目前捕获高质量图像的方式，但是我们还远远没有达到这个水平。

我们已经有了一些用于此的技术。我们记住每个曝光点的传感器读数的术语是“视频”，而您要的是从多个视频帧中重建最佳静止图像。

有关对此的Microsoft Research工作的概述，请从此处开始：http : //research.microsoft.com/zh-cn/um/redmond/groups/ivm/multiimagefusion/

有关可用示例，请参见Synthcam应用程序，该应用程序可以通过组合使用手机摄像头拍摄的视频帧来减少低光下的噪声：https : //sites.google.com/site/marclevoy/

对于日常摄影而言，这是一个很长的路要走，但是可以想象，未来的相机将拍摄许多帧高清晰度，高帧频的视频，从而使摄影师可以通过以后的选择和组合来达到理想的效果。

2016年末更新：当我写原始答案时，这与市场有些不同。在2016年末，情况似乎更加紧密了。马克·勒沃伊（Marc Levoy）的“ See In The Dark”应用程序在消费者智能手机上集成了多个具有稳定功能的视频帧，可以从月光下生成可用的图像。另请参阅Light L16相机，该相机将多个小型传感器集成到一个图像中。

最初的问题基于错误的假设（关于数字传感器在曝光过程中没有改变状态），但该概念与Eric Fossum研究的Quanta Image Sensor（QIS）想法有关。

http://engineering.dartmouth.edu/research/advanced-image-sensors-and-camera-systems/

QIS是我们在达特茅斯（Dartmouth）发明的相机中收集图像的方式的革命性变化。在QIS中，目标是对撞击到图像传感器的每个光子进行计数，并为每个传感器提供10亿或更多个专门的光电元素（称为“点”）的分辨率，并每秒读取数百或数千次点位平面，结果以兆位/秒的数据为单位。

这样的设备会（引用问题）

“记住”每个曝光点的传感器读数

并拥有完整的数据集，例如，可以在“照片”被捕获后“更改”有效曝光时间。

如今，可以通过录制视频并在后期处理中组合帧以模拟更长的曝光时间来近似估算（受相机性能，视频模式分辨率和快门速度的限制，但这表明了这一点）

如果QIS像预期的那样工作，它还将引入其他出色的功能，例如更好的弱光性能，增加的动态范围，没有混叠，完全可自定义的感光度（如胶片），没有ISO设置，可调整的分辨率vs噪点

最近的公告：http : //phys.org/news/2015-09-breakthrough-photography.html

胶卷在曝光期间会发生物理变化。但是，数字传感器却没有。它只是在读取数据。

这实际上取决于传感器的类型。当今的数码单反相机中使用的CMOS传感器会随着时间在每个像素中积累电荷，因此它们实际上会随时间变化，就像胶片一样。如果它们不能以这种方式工作，那么只要打开快门，图像就只会存在。CCD传感器（相机中图像传感器的另一种常见技术）也可以这种方式工作，随着时间的推移会积累光。

有什么理由无法使相机“记住”每个曝光点的传感器读数是多少？

这正是相机记录图像时的工作。我认为您的意思是，如果传感器可以读取瞬时光强度，则可以在事后将曝光调整为所需的任何值。如上所述，大多数图像传感器的工作原理并非如此。在另一方面，我们可以而且经常做调整曝光后处理颇有几分。

如果数据存储不是问题，那么至少在专业摄影和艺术摄影方面，有什么理由不能成为标准吗？

至于“记住”传感器的数据，这是许多摄影师的常态。大多数相机可以让您以“ RAW”格式记录图像，这几乎是从传感器读取的数据，再加上有关当时相机设置的更多数据。RAW图像比JPEG等其他格式占用更多的空间，但是它们使摄影师可以自由地稍后重新解释数据，因此您可以在后期处理中轻松更改诸如色温和白平衡之类的设置。

其他人已经从技术上解释了为什么这行不通。我想谈谈为什么它实际上不起作用。

如果数据存储不是问题，那么至少在专业摄影和艺术摄影方面，有什么理由不能成为标准吗？

考虑一下我们可能要拍照的不同照明条件的大小。即使忽略了诸​​如天文摄影的极端情况（您经常在其中拍摄几乎全部被黑色包围的小斑点光），您仍然可以进行夜间或夜间地面摄影，并可以在明亮的积雪覆盖的冬季风景中使用。我将使用后两个示例。

另外，我将假设为了准确地重新创建任何所需的曝光，我们必须将传感器曝光到完全饱和的点。

此外，我将假设我们可以以非破坏性方式读取传感器值。（这可能是“为该问题投入足够的钱并且可能可以解决的问题”类别的问题之一。）

在夜景摄影的情况下，我们就需要暴露传感器一个很长的时间，以饱和所有像素，这意味着任何照片，无论怎样，我们实际上想要的图片，要带荒谬长期服用。在户外酒吧跳舞的人的经典旅游照片几乎变得不可能了，因为，也许您可​​以在整个晚上捕捉其中一些。不好。因此，我们不能暴露于饱和状态，至少不能不加选择。（曝光像素的某个百分比达到饱和同样是没用的，但出于不同的原因;尝试获得的曝光完全正确服用有火燃烧中有一个壁炉的照片时，这几乎是不可能的，你不管怎么努力，一些 像素会过分曝光，或者大量的图像曝光不足。）

当拍摄明亮的冰雪覆盖的风景时，例如白天太阳不亮时的冬季远景，相机的自动曝光系统所要达到的曝光（“ 18％灰色”）严重不足。这就是为什么您经常看到深雪的照片，而雪看起来更像是浅灰色而不是白色的原因。因此，我们经常使用正的曝光补偿设置，导致雪被曝光为接近饱和的白色。但是，这意味着我们不能依靠相机的自动曝光系统来确定何时结束曝光：如果这样做，此类照片总是会曝光不足。

换句话说，在许多情况下暴露于完全饱和是不切实际的，而在许多情况下暴露于使AE系统满意的暴露是不充分的。这意味着摄影师仍然必须做出某种选择，并且在这一点上，我们至少要与我们已经拥有的和摄影师习惯的情况保持一致，从而使自动曝光系统更好，并使摄影师更容易（更容易？）访问曝光补偿设置。通过增加传感器的实际可用动态范围，我们可以允许（甚至）更大程度的后处理曝光变化；原始的数码单反相机价格高得惊人，但与今天的入门级产品相比，确实令人恐惧。

所有这些都可以在我们已经拥有的框架内完全完成。这并不是说轻松地提高传感器的可用动态范围很容易，但这可能比您所建议的要容易得多，这是供应商有经验的问题。

从定义上讲，专业人士都知道如何使用他们的贸易设备。如果他们是摄影师还是航天飞机飞行员并没有什么区别。尤其是在可以完成而又不会造成信息过载的情况下，通常最好让用户完全控制专业设备。我认为，当前的高端数码单反相机很擅长达到这一点。

让我们简化问题以了解为什么我们总是必须做出让步。

让我们发明您想要的相机，但它只有一个单色像素。它需要能够可靠地接收单个光子并将接收到的光子通知处理器。实际上，它还需要能够接收并通知处理器接收到无数个无限大的光子。

没有光的情况下的第一种情况。即使在适量的光线下也要秒。

主要问题是我们根本没有技术来创建具有如此宽动态范围的传感器。我们总是必须做出妥协，而现在，我们正在通过选择一个更大的范围来妥协，传感器可以接受几乎无限的光子，并且给出一个读数，表明有相对量的光射到传感器上。它根本不计算它们，但是就像我们的眼睛一样-它们仅给出与撞击它们的光子数量有关的输出，而无需尝试计算光子。

随着时间的流逝，这变得更加复杂。

理想的传感器实际上更像是盖革计数器-测量光子之间的时间，以使我们几乎可以瞬时测量落在传感器上的光量，假设光子的间距相对均匀（这是不正确的，但是是一个方便的假设，以及为什么盖革计数器会随着时间的推移像照相机一样平均）。

量子传感器将具有基本相同的问题。当然，它们可以感知单个光子，但是在某些时候它们的速度足够快，以至于您根本无法测量它们之间的时间，甚至无法计算出每个曝光时间有多少光子。

因此，我们需要做出这样的折衷，这要求我们要么拍摄多次曝光的几张图像，要么将同一次高曝光的多张图像相加，以找出暗光区域，或者将入射光分成两条或更多条路径，并使用不同动态传感器范围，或建立可以将像素组合在一起的传感器或将光传感器堆叠在一起，或者，或者，或者，或者-数十年来，摄影师已经通过多种媒体克服了这一基本问题的方法有数千种。

这是不可能克服的物理限制。我们永远不会拥有一台相机*，而没有摄影师的输入，而这使得所有的决定都可以在后期处理中做出。

* _{当然，如果更改摄像机的分辨率，则可能会对其他过程的结果感到满意，但这在很大程度上是主观的。现实情况是，如果您使用相机为场景成像，然后向人展示场景，然后再拍摄图像，则由于眼睛，图像传感器以及打印过程之间固有的差异，他们会感知到差异图片。摄影既涉及解释又涉及艺术，也涉及捕获光线，因此，狂热地关注“完美的相机”可能不是很有用。}