無忌論壇 - 如果人眼是台相機，那麼它就是一台700萬像素的數碼相機

1、為什麼攝影者需要研究人眼——這個就不解釋了，如果您認為人眼睛與攝影無關，可以不看此文，大家都不要浪費彼此的時間。2、為什麼發在數碼相機論壇里——沒別的，就是因為數碼相機和人眼的確是非常地像，下面有論證，不信您瞧瞧兒？3、本貼不歡迎無關的爭論，不歡迎「為了反駁而反駁」的發言。4、因為我個人知識層面的局限性，首貼內容僅起拋磚引玉作用，歡迎批評指正。-------------------------------------------------------如果人眼是台相機，那麼，它是一台20mm定焦鏡頭，自動對焦的相機。如果人眼是台相機，那麼，它是一台快門速度固定，自動調節光圈的相機。如果人眼是台相機，那麼，它是一台黑白/彩色可以切換的相機。如果人眼是台相機，那麼，它是一台可以自動提高或者降低感光度（ISO值）的相機。……如果人眼是台相機，那麼，它是一台使用Mosaic方式獲取圖像和演算法得到圖像的相機。如果人眼是台相機，那麼，它是一台使用專家系統來校正像場變形的相機。如果人眼是台相機，那麼，它是一台700萬像素的數碼相機。從相機的角度來評估人眼，人眼的指標應該是這樣的：焦距：大約20mm左右。人的眼睛的直徑20mm。前後大約25mm，以此推算，焦距應該在大約20mm。光圈：瞳孔直徑2mm - 8mm，相當於四檔光圈，可無級縮放鏡頭結構：1組X1片，有1片非球面鏡鏡片：折光率：1.36彩色感光器件：700萬個（像素），可獨立感受光線（一個視錐細胞接到一條視神經上），有效像素700萬。黑白感光器件：13000個（像素），不可獨立感受光線，每幾十個並聯，成為一個可感受光線的單位（每幾十個視桿細胞接到同一條視神經上）。有效像素300-600萬。色彩模式：明亮環境下可以感受彩色，黑暗環境下只能感受黑白圖像彩色模式感光度：可變，範圍較小黑白模式感光度：可變，範圍極大圖1：眼球的構造

圖1的說明：眼球的前極稍突出，前後直徑約25mm，橫向直徑約20mm，眼球包括屈光系統與感光系統兩部分，如圖1所示，在眼球的後極偏向內側有神經與大腦連接。眼球與視覺天成緊密相關的部分是眼球壁、屈光裝置、視網膜。眼球壁的外層是纖維膜，由前後兩個部分組成，分別是角膜和鞏膜。角膜約佔外層膜前部的1/6，無色透明，其折射率為1.336，角膜厚約0.8-1.1mm，具有屈光功能，光線經角膜發生屈折進入眼內。鞏膜約佔外層膜後部的5/6，厚度約0.4-1.1mm，是一層堅固的白色不透明膜體，起保護眼球的作用。眼球壁的中層是血管膜，含有豐富的血管、神經和色素細胞。它又分為三部分1）脈絡膜。它的範圍最廣，緊貼在鞏膜的內表面，厚約0.4mm，含有豐富的色素細胞，呈現黑色。它能吸收外來的雜散光，消除光線在眼球內的溫反射。2）睫狀體，在鞏膜和角膜交界處的後方，由脈絡膜增厚形成，內含平滑肌，稱為睫狀肌（平滑肌不受人的意識的直接控制，受人的意識的直接控制的是骨骼肌）。它的作用是支持晶狀體的位置，調節晶狀體的曲度。3）虹膜：是睫狀體向中央伸展形成的環形膜，它將角膜與晶大辯論體之間的空隙分隔成兩部分，即眼前房和眼後房。虹膜的內緣形成瞳孔。虹膜的收縮和伸展，可以改變瞳孔的大小。眼球壁的內層是視網膜，它貼在脈絡膜的內表面。位於眼球的最裡層，是眼球的感光部分，為一透明薄膜，其厚度約0.1-0.5mm。其中有視覺感光細胞、視錐細胞和視桿細胞。在眼球後極的中央部分，視網膜上有一細胞特別密集的區域，其顏色為黃色，稱黃斑，直徑約2-3mm。黃斑中央有一小凹坑，叫做中央凹，該處是視覺最敏銳的地方。黃斑跟鼻側約4mm處，有一圓盤狀物為視神經乳頭，由於它沒有感光細胞，也沒有感光能力，稱為盲點。由物體發出（或反射）的光線通過角膜、房水、晶狀體及玻璃體的拆射，聚焦成像於人眼感光器件——視網膜上。從圖中可以看出，人眼相當於單鏡片鏡頭，那麼，視網膜上的像應該是倒立的，但是我們並沒有這種感覺，為什麼呢？其實這又是人有大腦「搞的鬼」。某些書藉中介紹過有這類的試驗，將志願者或心理學家自己的一隻眼睛遮擋起來，另一隻眼睛前面固定一個鏡筒，鏡筒中有兩片短焦距凸透鏡，通過透鏡的幫助，使視網膜上成的像變成正像，但此時，試驗者看上去的一切東西都是反的和倒的，肢體很難做出正確的反應。經過了一周多的訓練後，就慢慢適應了。不過，等到再摘下這個鏡筒時，又會變得不適應，需要一段時間才能恢復。這種現象解釋了為什麼我們感覺不出視網膜上的倒像的原因——經過訓練的大腦適應了這種倒像。視網膜主要由三層細胞構成。最外層是視錐細胞和視桿細胞，它們是構成視覺通路的第一級神經元。中間層為雙極細胞層，可分為三種：侏儒型、桿狀型和扁平型雙極細胞層，雙極細胞的兩極突起，一極與視細胞相連接，而另一極與神經細胞相連接。在中間層還有少數水平細胞和無足細胞。最內層靠近玻璃體的細胞為神經節細胞。神經節細胞分為兩種，即侏儒型和彌散型，它們是視覺通路的第三級神經元，神經節細胞的軸突組成視神經，穿過眼球後壁進入大腦。圖2：視網膜上的視錐細胞和視桿細胞

視錐細胞的大小與其在視網膜上的位置有關係，在中央凹處，直徑約為2微米，在視網膜周圍則為4.5-7微米，平均長度為35微米左右。兩個視錐細胞間的平均距離為6微米。視錐細胞的數目約為700萬個，主要分布在視網膜中心區和黃斑區。每個視錐細胞最終一對一地連接到視神經上視桿細胞一般長約為60-80微米，直徑約為1.8-2微米。視錐細胞有三種，分別含有三種對光敏感的色素物質：感紅、感藍和感綠色素。視桿細胞只有一種，含有對光敏感的色素。主要分布在視錐細胞外的更廣範圍中。視桿細胞的數目大約為13000萬個。大約幾十個視桿細胞共同連接到同一條視神經上，按50個計算，那麼，視桿細胞的產生的有效像素數目為260萬個（黑白像素）。無論是神錐細胞還是視桿細胞，單獨某一種都不能型成彩色視覺。根據人眼色彩重現的三色學說，外來光線在視網膜上成像後，三種視錐細胞上傳入的單色信號組合起來，經過大腦的計算，就還原成了彩色的圖像。（此三色學說已被現代醫學解剖實驗所證明，但此處略去階段說和四色說的相關內容，感興趣的泡菜可以去查閱資料）圖3：三種視錐細胞的色覺感應曲線

圖3的說明：三種視錐細胞對可見光的全部範圍都有響應，並不是90度角截止的那種。因為峰值的不同，所以，不同顏色在三種視錐細胞上產生的電流就不一樣，通過高級視神經和人腦的「計算」，就可以從三種單色信息中還原出彩色的圖像。這種演算法，從原理上講，和相機內置的將Mosaic的CCD上的電平值轉換成圖像值的演算法是一樣的。所以說，人眼從本質上看，就是一台700萬像素的數碼相機（其實應該說數碼相機是人眼的最好模仿）為什麼不比喻成膠片相機呢？因為人眼的成像過程是多次的，是一個物理變化。而膠片的成像過程是一次性的，是化學變化。而且，從Mosaic和人腦對像素的後期處理這個角度上來說，也和數碼相機的工作原理更為接近。只有在外界光線明亮的情況下，視錐細胞才能工作，人腦感受到的色彩與圖像皆來自視錐細胞的信息。此時，視桿細胞處於飽和狀態（和CCD/CMOS的「飽合」是一回事，都是光電反應），對成像不起任何作用。這種視覺方式稱為「明視覺」當外界光線的強度減小到一定程度之時，視錐細胞就不再起作用。而此時視桿細胞則開始退出飽合狀態，在視網膜上會慢慢形成一種叫作「視紫紅」的物質，視紫紅能提高感光度。這種視覺方式稱為「暗視覺」。從明視覺向暗視覺的轉變其過程一開始很快，然後漸漸放慢，達到完全的暗視覺需要30-45分鐘。從暗視覺向明視覺的轉變僅需要幾分鐘的時間。在暗視覺下，人眼相當於一台幾百萬像素的高感光度黑白相機，視紫紅的形成過程，就是感光度的提高過程。介紹兩個關於眼睛的指標：視角和視力。視角是指人眼在觀察物體時，物體的大小對眼睛形成的張角，如圖中的a。同一物體，離人越近，視角越大，離人越遠，視角越小。參見下圖。

由tan(a/2) = A/D，得出a = A/D如果一個高度為1米的物體，距離人10米，則視角為： a = 1/4 = 0.25弧度（1度=1.044弧度）不同物理在跟人眼相同距離時，物體越大，則視角越大，物體在視網膜上成的像越大。視力又稱視覺敏銳度，其值等於視角的倒數。V=1/a平時我們說的視力1.0，就是說，在規定的距離下，人的眼睛能夠分辯角度為1/60度（1『)的物體的細節。因為人眼的視錐細胞間的距離為6微米，所以，我們的眼睛的分辯能力並不怎樣強的。這一點和主觀感覺上有不小差異。上面談了許多有關人眼睛的基礎知識，那麼，讓我們來了解一下眼睛的弱點：顏色適應與顏色記憶無論在白熾燈下，和熒光燈下，或者在太陽光下，我們都感覺到白紙是白色的，但是，如果我們使用標準的發光體來比較（比如5000K恆定的觀片器），那麼，就會發現，有時紙是偏黃的，有時紙是偏藍的。再比如，多數人的顯示器設置成了9300K的色溫，如果這時使用標準的6500K的D65光源給他看，他會認為這光源偏紅或者偏黃。但堅持適應一段時間後，再去看9300K色溫下的顯示器，就會覺得那是偏藍的了。說點題外話，許多顯示器的出廠設置是9300K，並且有偏高的趨勢，不少顯示器的色溫常常比標定值高800-1000K（個人經驗，Eye-OneDisplay測試）。這樣的顯示器並不適於照片的處理與顯示，建議大家把顯示器調整到6500K色溫以接近標準的D65光源。這種光源的刺激值未發生變化，但視覺上改變的現象稱之為「顏色適應」。這與人們對顏色的主觀印象還有關係，比如我們一般認為紙是白的，花是紅的，樹是綠的，正午的天空是藍的……最常見的一些物體的顏色給了人的大腦很深的記憶，在產生視覺的時候，就會主動地通過記憶中的顏色去分析和適應。這種現象叫做「顏色記憶」。所以，人眼的主觀視覺不能做為顏色評判標準，準確地測量顏色，需要使用色度計和光度計等儀器。閃光盲視網膜上的感光細胞在受到強光刺激後暫時失明的現象。用攝影中的名詞來講，叫「嚴重過曝」

色盲和色弱這個不多說了。不過對色盲類型的研究可以推翻傳統的三色學說，比如紅綠色盲還能感受到白色，這與傳統的三色學說的理論是矛盾的。經過分析與研究，提出了後來的三色-四色階段學說，才很好地解釋了這種現象。顏色對比有兩種顏色對比能產生錯覺，下圖表現了第一種的顏色對比錯覺。圖4：人眼的顏色對比錯覺1

左面的灰色看起來比較深，右面的灰色看起來比較淺。實際上，它們都是同樣的灰色：RGB(80H,80H,80H)。紅花綠草也有此種對比錯覺，會讓人覺得紅花更紅，綠草更綠。長時間地看一種顏色後，再迅速地改看另一種顏色，就會產生錯覺。比如看很長時間的純綠色後，再改成看白色，這時看到的白色會有淺紅色的感覺。這是因為，在長時間看綠色時，綠色的視錐細胞長時間興奮導致了疲勞，而另外的兩種視錐細胞則仍然工作在常態下，所以，當轉為看其它需要三種細胞「同時工作」才能得到正確顏色的物體的時候，如果仍然按照感綠視錐細胞正常工作時的演算法去還原，則會產生與其補色相近的顏色。要重現這種顏色錯覺，可以將較長時間觀察下面的綠色圖，然後迅速滾動到白色圖上面，此時在眼前會有一瞬間的粉紅色感覺（很短，視眼睛的不同有些差異，建立不要反覆做這項測試）圖5：人眼的顏色對比錯覺2-1

圖5：人眼的顏色對比錯覺2-2

顏色錯覺圖4：明視覺與暗視覺

未完待續[kenny_yuan 編輯於 2005-01-14 22:06]

推薦閱讀：