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为什么人眼的动态范围 (Dynamic Range) 比相机大得多?

【Mon1st的回答(63票)】:

人的视觉动态范围大,主要实现机制是在视觉系统各层级灵活的增益控制(gain control)。

具体机制写起来可能会比较长,这里先试图讲明白问题的实质究竟是什么。

@韩磊的回答 认为相机动态反应的范围主要受显示屏显示能力的限制,未必全错,但是没有说到点子上。显示屏的响应范围足够了。一个很简单的道理:

人的视觉系统处理图像是用神经元的电信号活动。不论外界光源的绝对亮度范围如何,一进入眼睛打到视网膜上,视网膜上的视觉细胞的响应范围大概只有10~400这个数量级[2]。所以问题完全不在显示媒介的绝对亮度上,而是在于图像不同位置之间亮度的对比

上面不清楚的话没关系,我们来看一个例子[1]。你手机的照相机可能有HDR(High Dynamic Range)这个功能,它是用来干嘛的?

上图中,上面的大图是一个“人眼中的自然场景”;下面的三幅小图分别是曝光短,中,长时间的显示效果。HDR就是通过结合不同曝光时间的图片来获得较为自然的综合图像的。

显然,你的显示屏是足够表现这个场景的,否则大图就不会看起来那么“正常”了。那么为什么下面的三幅图看起来那么“失真”呢?

答案是我们看到的图像,从来都不是“忠于”自然界光线亮度的。下面的三幅图,每一张都比上面的更“正确/自然”,因为它们忠实的反映了视野中每个点的绝对亮度比值(当然纯白和纯黑部分就是超过绝对响应范围了,但是这个不是决定性因素)。

正是因为人脑视觉系统各级(从最底层的视网膜开始!)对外界光线的加工,才使得我们实际看到的视觉经验中的场景像上图中的大图一样,每个区域最终在视觉上都表现出合适的对比度,尽管场景中最亮和最暗的部分绝对光强的差异远超神经元活动本身的响应范围。

1. 视网膜

视网膜的输出细胞:视网膜神经节细胞(Retinal Ganglion Cell)对同样强度的光线的反应取决于视野中光的强度和对比度。

2. 外侧膝状体(lateral geniculate nucleus, LGN)

光线激活视网膜细胞后,视觉处理系统的下一层是LGN。

(写了一点发现没时间了,有需要的话以后有时间补充。有兴趣的读者也可以自行参阅[2])

[1] 图片来源:File:HDR image + 3 source pictures (Cerro Tronador, Argentina).jpg

[2] Bethge, M., Kayser, C. (2007). Do We Know What the Early Visual System Computes? J. Neurosci., 25(46), 10577–10597.

【韩磊的回答(24票)】:

我并不觉得人眼的动态范围比相机大,一台中高端相机的RAW文件经过后期之后还原出的信息远远超出人眼的能力。

真正的问题在于你用来显示照片的媒介的动态范围很低。比如说,晴天时户外一朵云的亮度高达30000nit,太阳什么的更不用说了,而民用显示器的亮度一般只有300nit。如果做线性映射的话,相当于:

现实中的30000nit - 显示器上的300nit

现实中的x nit(亮度过暗,有点看不清) - 显示器上的x/100 nit(完全看不清)

这个才是主因。

【李明殊的回答(44票)】:

由于自然界的光强变化范围特别大,如下图

从刺目的阳光到星光之间整整相差了10^8数量级,也就是一亿倍.计算一下Log2 10^8=26.6.

用摄影的语言讲光线的动态范围应该在27Ev这个数量级,实际上因为光的反射跟叠加,动态范围应该会远远超过这个值的。

这是实际的光照情况。

先说说相机的动态范围

当前相机的感光元件主要分为两种,ccd和cmos,可以这样理解,感光元件实际上就是由一个个很小面积的像素(实际上叫做感光元件的感光组件,像素的大小跟感光组件的分辨率有关,为了方便理解,直接用像素儿子代替)组成,曝光的的过程实际上就是往这一个个像素点存储光信息的过程,这个像素点的存储光子的能力是有限的,超过某一个值的时候,就像水桶装满会溢出一样,再多的水也只能白白的浪费掉了,同时由于存在噪声的原因(热噪声和统计噪声),记录光信息也会有下限。

相机的动态范围就是记录光强(与所存储的光子量成正比)上下限之比。

ps,像素的面积越大,所能存储的光子信息就越多,抗噪声的能力也越好,所以大尺寸,或者低像素会拥有更好的动态范围,或者说拥有更好的画质,这也就解释了为什么500w的iphone4的照片画质要好过大多数安卓的800W(当然这也跟软件算法有关系),为什么全画幅比aps-c拥有更好的画质一样。

再次Ps,其实我真的想买中画幅,一提都是眼泪啊。。

人眼的动态范围

((这张图也看不出来细胞多少个啊,魂淡!

再来看看我们牛逼的人眼,人单眼视网膜上约有700万个锥体细胞,1亿2千万杆体细胞。锥体细胞负责强光感知和颜色分辨,杆体细胞负责弱光感知,只能分辨明暗。每个视网膜在一秒钟内均可以发送近1000万字节的信号。从这1亿2千万的杆体细胞你就该知道人眼的动态范围该是多么的强大。

再来做做比较

其实相机的感光元件能够记录宽范围的动态范围,但是由于需要 进行光电信息的转换,在数码里边叫做位深度(bit),记录的深度越高,能记录的动态范围就越大。从网上down一张位深度和动态范围之间的关系图:

大部分单反数码相机的RAW文件可以记录10到14的位深,因此理论的动态范围是10-14EV。大部分数码相机实际可用的动态范围能是5-9EV。

所以各位亲爱的童鞋,相机能拍raw,一定要拍Raw啊!

相机的动态范围是ISO值的函数。ISO值越高,噪声越严重,动态范围也越低。

人眼呢,人眼就不是一个静态的,人眼的作用更类似于一台视频摄像机,而非静态的照相机。人的眼球反复转动,持续接受外界的光信号,并随时“更新”大脑内的图像细节。同时,大脑将双眼得到的不同信号组合起来,也可增加图像的分辨率。而且,我们经常会转动眼球或者转动脖子,以接受更多的信息。因此,眼球和大脑的有机结合,使人眼的分辨率不仅仅由虹膜上的光受体决定。

并且人眼的动态范围可因为感光度的变化而发生改变,但是人眼调节感光度的能力稍慢,需要时间来改变,这也就是为什么晚上出门会感觉很黑,但是过一会就好了。

但是人眼的感光度不怕噪声的影响啊(有研究说人眼也会产生噪点,为毛我就没看见,哈哈),还有人眼还有一个强大的后期工具,这就是大脑,一般你所看到的,都是脑补过后的图像,所以,你说呢,相机如果后期,还得拖进ps。

据新闻说,日本发布新型CMOS传感器 动态范围超过人眼

怎么来说呢,我认为这是扯淡!提升抗噪能力,提升画质和操控才是关键啊!

引自:

  • Understanding Dynamic Range in Digital Photography

    人眼与相机可对比的参数(动态范围、高感......)

    以上

【HongS1r的回答(0票)】:

人眼应该是大光圈吧

相机用小光圈长曝焦点外细节也清晰可见,

而人眼长曝后会变成斗鸡眼 甚至短暂失明,固件不能升级,镜头不能更换不能变焦,也就在夜间能挽回一点颜面。

【周天凌的回答(0票)】:

很简单,人眼+人脑作弊了。

人眼观察自然景物时,有效的注意力只会在一小片地方,剩下的部分都是脑补。而这一小片地方自动ISO一下,就不会过曝或者死黑了。

而照片是用同一个ISO同时对全景做的画面凝结。

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