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眼睛——每人都有的5亿7千万像素相机  

2010-08-18 13:59:08|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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人类创造了照相机,后来又发明了数码相机,百般的努力,是为了留住眼睛所看到的美丽。随着技术的不断进步,数码相机的像素值越来越大,感光度也越来越高,记录的细节越来越多。毫不夸张地说,数码相机正在改变每个人的生活,使我们多了一种记录世界的方法。

现在,千万像素的数码相机已经不是新闻,ISO 3200的高感光度也成为可能。不知你有没有想过,数码相机的能力,是否已经超过了你的肉眼呢?下面,我们将从四个方面对比肉眼和数码相机。

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像素值

像素值永远是数码相机最关键的参数。在目前,500万像素基本是数码相机的最低配置,稍微好一点的都是七八百万像素,专业级数码单反的像素已经上到千万。那么,人眼究竟有多少万像素呢?

首先我们要明白这样一个事实:数码相机的CCD/CMOS感光元件是平的,而人眼是感光神经是圆弧形分布的!所以,我们必须首先进行弧线/弦的转换。

人眼的敏锐度可以定义为1/a,其中a=x/弧分。x究竟代表什么?不同学者有不同的答案。对此,我们不妨选择一种得到广泛接受的看法。想象一个栅格测试图,x定义为其中一对平行线耦。根据德国人Konig在1897年(没错,一百多年前)的计算,在亮光下,1/a=1.7。(参见Die Abhangigkeit der Sehscharfe von der Beleuchtungsintensitat,' S. B. Akad. Wiss. Berlin, 559-575)详细推算过程略。

“亮光”,指的是光强大于0.1朗伯,1朗伯光强相当于每平方厘米1/π坎德拉。1坎德拉等于是在101325Pa下,处于铂凝固温度的黑体的1/600000平方米表面在垂直方向上的发光强度。

根据上文所提1/a公式,人眼的敏锐度等于1.7的倒数,即0.59,也就是说,人类需要0.59度的弧分才能区分一对耦线。可以把两条耦线看作是2个像素。0.59/2=0.3,每个像素在人眼中相当于0.3弧分!

假设我们在观看一块20英寸远的,20×13.3英寸的平面印刷物。该印刷物的相对角度为53×35.3度。因此需要53×60/0.3=10600,35×60/.3=7000像素,总和基本达到7400万像素。同时,20英寸内的10600个像素,相当于每英寸530个像素(530ppi),这在印刷业是清晰度非常高的数值。

那么,人眼一共有多少像素呢?

首先,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。

根据以上的观点,假设前方有一个四方形的视野,比如一扇开着的窗户。像素值相当于[90(度)×60(弧度/度)×1/0.3]^2=324000000,即3亿2400万像素。但是你其实不会意识到如此多的像素值,仅仅是大脑根据需要,获取“有用”的细节。从另一个方面来说,人眼的可视范围非常宽,几乎达到180度。如果以此计算,即使仅以120度计算,像素就可达到5亿7600万像素。如此高的像素值,确实不是现有的数码相机可以相比的。

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飞思的P45数码后背,有效像素高达3900万,每张照片的文件大小达到110MB以上,售价更是超过20万元,但是仍旧和人眼有较大的差距

感光度

人眼的感光度是可以自动调节的。在环境光强发生变化的情况下,人眼通过调节虹膜中视网膜色素的含量,增加或减少感光度。这种调节是相当慢的,最长可达半个小时。黑夜中突然打开日光灯会觉得很刺眼,就是这个原因。你在远离市区的乡村可以看到很多星星,在充满光污染的城市中可能连月亮都看不到,这也是感光度调节在作怪。

在之前的一个测试中,有人使用Canon EOS 10D和5英寸针孔透镜,在ISO 400情况下12秒钟内记录了14颗星星。而我们可在10秒钟之内认清楚14颗星。(Clark, R.N., Visual Astronomy of the Deep Sky, Cambridge U. Press and Sky Publishing, 355 pages, Cambridge, 1990)粗略估计,人眼的最高感光度相当于ISO 800。

另外据统计,10D在ISO 800时,CMOS上的每个像素点平均接收2.7个电子。而视神经接受外界的光信号,同样需要至少一对电子。

在日光下,眼睛的感光度非常低,几乎为夜间的1/600(Middleton, Vision Through the Atmosphere, U. Toronto Press, Toronto, 1958),也就是说,日光下的感光度基本达到ISO 1。如此低的感光度可以有效的保护视神经和虹膜。

而数码相机方面,感光度ISO 3200在数码单反上早已经非常普及,富士已经有了ISO 3200的便携机问世。但是,数码相机在高感光度下的噪点始终是困扰整个数码成像业的大问题。而人的肉眼和大脑似乎从来没有这样的困扰。

 

动态范围

人眼既可以分辨强烈日光下的物体细节,也能在夜晚看清楚天边微弱的星光。二者的光强有千万倍之差。当然,如此大的差别并不全部是动态范围的原因,相机也可通过调节ISO,光圈或曝光时间实现。

一般认为,人眼可区分10000倍的对比度。但这取决于场景的亮度。亮度降低时,动态范围的下降非常快。人眼的动态范围远远高于目前已知的胶片相机或普通民用数码相机。

可以通过一个小实验验证:在月圆之夜,带上一张星图来到郊外。待眼睛适应周围亮度之后观看星空,在有月亮的部分找到肉眼可见最微弱的星光。然后,设法找到在月球周围45度以内的星星。在远离市区光污染,并天气晴朗的情况下,你应该可以看到2.5等星(满月的星等为-12.5)。星等差为15。每相差5等,亮度相差100倍。因此,100×100×100=1000000,即一百万。在此弱光下,人眼的动态范围可达到一百万!

 

焦距

关于人眼的焦距,有多种解释。较为可信的是,目标焦距(Object focal length)为16.7mm,图像焦距(Image focal length)为22.3mm。其中,“目标焦距”指来自眼球之外的光线形成的焦距,而图像焦距为虹膜成像的焦距。参见“Light, Color and Vision, Hunt et al., Chapman and Hall, Ltd, London, 1968, page 49 for "standard European adult”。

此焦距在相机领域算得上广角了。据此,我们可以计算出人眼的光圈值:由于人眼孔径为7mm(这个应该是瞳孔的直径),22.3/7=f/3.2。这个数值显然不怎么大,

总结

上亿像素,动态视频连续记录,ISO 1-800,16mm广角镜头,另有“双镜头”立体图像功能,这就是我们的眼睛。一台数码相机可能要卖到成千上万元,由几千个零件通过极为复杂的生产设计工艺制造而成。而人的眼睛来源于细胞的自然进化,体积虽小,但是功能极为强大,是我们不得不感叹造物主的神奇。

我们做这个比较,主要是为了探寻人眼的真正潜力,以及现有的摄影技术能在多大程度上取代人的肉眼。目前的数码相机/单反/后背,像素可达到4千万以上,感光度可从ISO 50到ISO 3200,显然,与人眼相比,数码成像工业还有很长的路要走。或许,影像工业的终极目标,就是用机器取代人的眼睛吧。

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