人眼的寬容度為何如此之高，而相機感光元件卻做不出來？

12-07

為什麼人眼可以在同一環境下看清亮度差值較大的物體，使得暗部和亮部都能呈現細節，而相機卻要麼過曝要麼欠曝？

高寬容度的感光元件，雖然可以通過後期把高光和陰影的曲線拉下來，但卻無法像人眼一樣，直接感受到的亮部和暗部的亮度差異不明顯。

謝邀。不想看分析的可以直接拖到底看結論。

首先題主對人眼的能力有所高估。這裡可以做一個簡單的實驗，取一張報紙或者一本書，放在明視距離上（大約距離人眼25cm位置），然後閉上一隻眼睛，睜開的眼睛盯緊視野中央的字，同時感覺一下圍繞中央這個字，上下左右各個方向最遠能夠看清楚幾個字。一般情況下，字大的能夠分辨出一兩個，字小的看清楚三四個也差不多到達極限了。這個圈以外就是模糊的了，如果想要清晰辨認出周圍到底是什麼字，那麼眼球就得轉動一下，轉向那個方向才行。因此，雖然我們眼球的視場角很大，但那僅僅是「看到」而已，能夠「看清」的角度極小。

結論一：單幅圖像中人眼能夠看清的範圍極小

這是為何呢？其實這是由眼球結構決定的。

圖1 眼球結構示意圖

圖1中展示了人眼結構的示意圖，其中視網膜上有個位置叫做黃斑。我們都知道人眼視網膜是由感光細胞所組成的，實際上感光細胞大致可以分為兩類，一類叫做視桿細胞，另一類叫做視錐細胞。視桿細胞無法分辨細節，視錐細胞可以分辨細節。視錐細胞集中分布在一個特殊的位置，這個位置就叫做黃斑。

因此我們人眼看東西的時候，首先大範圍視野中會囊括許多物體的輪廓，而只有視野中央是清晰的。人腦再控制眼球轉動，將視野中心移動到我們感興趣的位置去。

說句題外話，眼球追蹤是一門專門的學問，例如通過實驗測量打開一個網頁時人眼視覺中心在網頁上移動的軌跡和停留的時間，可以判斷出哪些位置投放廣告更有利；也可以通過測量視覺中心在人臉照片各個位置的停留時間，來判斷人類的審美習慣等等。

所以說，只看一幅圖像的話，眼球的表現未必比相機有優勢。正如其他答主所提到的，牛逼的不是眼球而是大腦。眼球是有光強調節系統的，例如瞳孔，就類似於相機的光圈，眼球視野中心移動到每個位置，它都會努力迅速調節到舒適的入光量。同時大腦也會對連續採集的圖像的亮度進行處理，這樣一來，通過眼球的高速運動配合大腦的圖像處理系統，一個流暢、平滑、舒適的視覺界面就這樣產生了。說白了就是許許多多幅圖像處理後拼接的結果，只不過這個過程極其迅速，我們意識不到罷了。

結論二：人眼優秀的成像結果是大腦處理和拼接的結果，單幅圖像情況下對比相機並沒有明顯優勢

計算機的圖像處理系統同樣也可以重複這個過程，不過要耗費巨大的計算量。我們在這裡只討論單幅圖像的情況，相機為何在明暗差距較大的環境下難以同時分辨出細節呢？這還得從感光器件的原理說起。

我們都知道感光器件是一排排整齊分布的格子，可以想像成一口口深度相同的木桶。當光子飛過來的時候，就如同雨點掉進了木桶里，木桶會把這些雨水收集起來。所有的木桶在同一時刻打開井蓋開始收集，然後又在同一時刻關閉。關閉之後，大家開始清點每個桶里有多少水，這就是最終這個點的光強。然後以陣列的形式顯示出來，就是一幅圖像了。

圖2 相機感光器件原理示意圖

這裡面有幾個概念。
外界雨量定下來的時候，有多大比例會進入房子（相機）裡面呢？這就是由光圈決定的。
一個光子過來兌換成雨滴的時候，相當於多大一個呢？這就是ISO，所謂的感光度決定的，這個值越大表示對光線越敏感。比如ISO小的時候，一個光子相當於一滴水，大的時候就相當於一瓶水了。最後清點的只能是水量，因此ISO越大，填滿水桶就越快。（高ISO會引起高雜訊，不過這不是本題目討論的重點，就不細說了。）
木桶開啟和關閉之間間隔多長時間呢？這個好理解，就是曝光時間了。

插一句，這裡反而可以看出一個相機比起人眼的優勢來，那就是相機感光元件對光線是有積累作用的。在極暗的條件下，人眼盯著一個物體無論看多久，看不清就是看不清。而相機則不同，保持好穩定性，對準物體一直拍，時間足夠長就能夠拍出物體來。做攝影的朋友肯定對此深有體會。

回到正題，外界物體明暗差距比較大的時候，往往強光部分的木桶已經收集的差不多了，而弱光部分的木桶還沒收集到幾滴水呢。這時候把桶蓋關閉了，自然就只能看清楚強光部分而不能看清楚弱光部分。如果將桶蓋一直開啟，或者調高ISO值，那麼等到弱光部分的水井收集到差不多合適的水量的時候，強光部分的木桶早就滿了，所以圖像中強光部分就是一片白，什麼也分辨不清，這就是過曝了。

結論三：單幅圖像來看，外界光強差異較大時，由於曝光量難以同時滿足強光部分和弱光部分，因此明暗部分會出現難以同時清晰。

因此要解決這個矛盾，最直觀能夠想到的就是對每一口木桶單獨調整光圈、ISO或者曝光時間。但是遺憾的是，我們一個也做不到。

難道此事就沒有解決辦法了嗎？No No No，如果這樣想，那就太小瞧人類的智慧了。

不就是無法同時滿足強光和弱光部分所需的曝光量嘛？有一種解決思路就是HDR技術，通過不同曝光量對同一幅圖像多次採集，然後使用演算法融合，得到每個位置都看得清而且每個位置都不會過曝的圖像。不過演算法耗時比較久，而且拍攝時相機和物體絕對不能夠有相對移動，否則就沒法看了。

圖3 HDR技術示意圖

還有另外一種方案。前段時間，MIT剛做出了一款永遠不會過曝的相機，叫做「餘數相機」。說起來，這個項目的負責人之一是我大學同學呢，同為科研狗，看看人家都已經做出如此轟動的成果了，再看看自己，連SCI還沒投出去呢。

餘數相機的原理其實並不難理解。剛才我們提到，過曝的原因是弱光部分採集到差不多的時候，強光部分早就滿了。餘數相機就是在木桶滿了之後直接對其強行重置為零，然後重新開始採集信息。如果把一口井的水量假設為1000，那麼餘數相機相當於最終結算水量的時候，結算的是總水量對1000的餘數。這樣一來，相機就永遠不會過曝了。

圖4 餘數相機效果

有人可能會說，直接取餘數，這樣一來結算的時候豈不是有可能原本亮的地方暗下去了，原本暗的地方變亮了？而且還是會有些位置因為太暗而看不清楚？

的確如此，因此餘數相機需要特定的演算法來恢復圖像，而不能夠直接使用記錄的圖像。不僅在攝影領域，餘數相機還可以應用在機器視覺中，幫助機器人連續採集圖像時，獲得更好的視覺效果。

我就不詳細介紹他的成果了，有興趣的可以自己看以下鏈接：新興技術：不會過曝的相機

所以結論如下：
1.人眼清晰成像範圍很小，優異的成像效果很大程度上歸功於大腦。
2.單幅圖像來看，外界光強差異較大時，由於曝光量難以同時滿足強光部分和弱光部分，因此明暗部分會出現難以同時清晰。
3.解決此問題可以使用HDR技術或餘數相機技術。

人眼是：
底片開了Dual ISO的掛
讀取開哈了Global shutter的掛
ADC開了大數據(腦補與腦放)的掛
除此之外還有3D功能。

所以好好玩相機不要老想跟開掛的玩23333

我覺得可能有兩個原因，一是沒有足夠好的ADC，二是人眼的雜訊比感光元件低很多數量級。

這麼想，現在的相機對於最亮的日常的光線的感應其實是不輸給人眼的，只要控制合適的光圈快門，很多人眼覺得過亮的情況相機都可以正確曝光，比如正對燈泡看和曝光。

但是在相同情況下，暗部的細節卻差了很多。這裡有兩種可能。
一是沒有足夠精細的ADC來處理感光元件產生的電流轉換出的電壓。這樣很多暗部細小的電壓變化全部被ADC的最小輸出值給代表了，因此根本看不出細節，怎麼拉曲線也沒用。介於人眼對光亮的感應是嚴重非線性的，可以理解為，對暗部的感應是比對亮部更為精細的，就好象一個非線性的ADC，給暗部分配的位數大於給亮部分配的位數。

二是因為感測器電路雜訊的量級太大，也就是所謂的SNR太低。後級電路和軟體根本無法分辨這是雜訊還是信號，有意義的小的電壓信號已經被淹沒在雜訊里，因此通常暗部是有噪點的，但是你看到有雜訊的圖片應該是已經降噪處理過的結果了，實際的雜訊應該比你看到的更嚴重，但是這不影響本質的結果，就是暗部缺少信息量。

簡單說，人眼是用視頻圖像通過人腦的合成來組成偽靜態圖像。
優勢是寬容度極高，不光是曝光寬容度，還能夠執行場景重組、少數消卷積、動態損失補償、場景還原還有色彩校正。
缺點是容易產生視錯覺，比如之前熱鬧過的藍黑還是白金色的衣服，還有各種視錯覺動畫圖片等。
這些技巧在攝影上是很難做到的，涉及大量的信息理解和重組，所以做不到。不過現在有類似HDR等技術從另外一個角度來實現類似的結果。

膠片相機可以做到一部分

首先呢你要明白人眼是千萬年進化的產物能夠自動調整各個場景的光線感受以獲得細節更多的畫面。人類的視覺神經能夠自動提亮暗部，降低亮部。
而相機實質上是一個量化光線的工具，接收到多少光線，它也就能把光線準確地量化，而不會自動地進行調整。
而後期實際上就是一個調整的過程，經過後期，我們可以做到所見即所影，這實際上就是人眼神經的調節過程。
再來說寬容度的問題，現代數碼相機的寬容度的確是非常地低，對數據量化過於精準。而舊時代的膠片攝影，各種膠片有著自己的用處，對應不同的場景有不同的膠片，膠片有著調節高光與暗部的功能，因而寬容度可謂非常地高，適合的膠片可以獲得更多的細節。但卻產生了可調性較低的缺點，也算是一種取捨啦，這也是為什麼一直有這麼多攝影師還鍾情於膠片攝影

某期《環球科學》里提到的，人眼會生成13幅圖層，供大腦合成，有的是只對高光敏感的圖層，有的是只對暗光敏感的圖層，有的是只對邊緣敏感的圖層，有的是只對運動物體敏感的圖層……

這麼算下來，相機感光層只有三原色，也太少了。相機別說暗光效果沒人眼效果好，強日光下，如果沒有超高速快門（1/2000s），一樣白茫茫一片。對焦啥的我就不提了，太欺負相機。

其實題主自己已經想到答案了。

「高寬容度的感光元件，雖然可以通過後期把高光和陰影的曲線拉下來，但卻無法像人眼一樣，直接感受到的亮部和暗部的亮度差異不明顯。」

其實人眼看到的東西，也算是經過了後期調整了高光陰影，這個調整是由大腦完成的。另外，除了高光陰影，大腦還會自動進行HDR，效果更好。眼睛更像是攝像機，而不是照相機。

但是人眼（腦）獲取會造成信息丟失，即使在視野範圍內的東西，也會視而不見，而相機不會ww相機總不能今天和昨天拍出來的照片角落上一對比有東西多出來了吧（昨天就是沒找到車鑰匙！

其實我覺得厲害的不是人眼，厲害的是人腦吧……

都是因為大腦軟體能力強能給調回來，人眼的硬體能力真不怎麼樣……