老生常談:人眼真的比相機牛X非常多麼?

這是一個古老但依然有很多人在討論的話題,大多數人的直覺都是我們的眼睛遠強於相機,但直覺顯然還不夠靠譜,今天小胖就跟大家從視角、分辨率和感光度/動態範圍度來簡單對比一下吧。

老生常談:人眼真的比相機牛X非常多麼?

首先是視角,相機的視角取決於所採用的鏡頭,所以相機的第一個優勢出現了,一臺相機可以有很多不同的視角,而人眼就是“變焦只能靠走”。但人眼有自己的特點:第一,人眼是球體,視細胞(上圖Retina組成部分之一)是弧形分佈,所以嚴格來說不能按平面傳感器來定義焦距(但順便解決了場曲的問題);第二,遠離中央凹窩(上圖Fovea)之外的視覺銳度會急劇下降,餘光覆蓋範圍的分辨率其實很低,比如你很難用餘光來讀書,甚至都很難看清餘光裡走來的人長什麼樣子,頂多能知道有個人來了,可能可以分辨出性別,僅此而已;第三,人眼是雙眼成像,而相機是“單眼”。

每一隻眼睛包含餘光的視角是120-200度,雙眼同時覆蓋的區域是130度左右,但我們只靠轉動眼球就能直接看到的範圍在40-60度左右,這就是為什麼總有人說人眼視角在約等於標準定焦鏡頭(43-50mm左右)的原因,而全畫幅11mm鏡頭視角是126度左右。

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因為人眼是雙眼成像,再加上有“腦補”,所以人眼沒有畸變,晶狀體的進化也已經基本抹除了球差,不過人眼存在比較明顯的色差,但大腦這個強勁的“機內處理器”把它給腦補掉了。而相機鏡頭幾乎沒有辦法避免各種像差的影響,機內修正也是路漫漫其修遠兮,廣角鏡頭的邊緣還會有明顯的拉伸,當然,可以通過拼接等方式來改善。所以雙眼再加大腦,在相同的廣角視野上人眼有著無可比擬的性能優勢。

其次是分辨率,人眼的分辨率其實並不高,而且不少人都存在散光、近/遠視等病變問題,即便是最佳狀態下的人眼,也不可能完全記錄所有的場景細節,比如我凌亂的書桌上擺了一瓶飲料,如果只看個1/100秒或者擺得太遠,我是看不清配方表的。人眼處理細節的方式依然取決於大腦對場景自動產生的興趣區域,比如這張照片:

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男性看臉看身材,女性看髮型眉形唇彩衣服包包,當然大家也都會注意到左下角的品牌LOGO,這時候我再問你“她戴的配飾有蝴蝶樣式麼?”你一定會回過頭去放大照片來找,而這個對比其實就是人眼與相機在分辨率和細節上的呈現方式差異:人眼會根據興趣來關注重點區域,大多數時候回忽略很多細節,視覺只是我們思維的起點,看同一個場景每一個人都會萌生出不同的情感和想法。而相機則是忠實記錄場景,通過相機我們可以還原現場非常多的細節,甚至是人眼無法直接觀測的細節,比如微距、比如長焦。

第三是動態範圍,很多人都覺得人眼在動態範圍上遠高於傳感器,這裡借用 AIRPHOTO定義新視覺 大神一張照片來說明好了,侵刪:

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左側是RAW原片,右側是最終調整後,人眼的效果雖然沒有辦法直接呈現,但並不會是右圖的效果,注意:右圖並沒有二次創作,而是純粹從原片中調整而來。所以,在討論人眼與相機的動態範圍問題時,很多人都犯了“過於直觀”的錯誤,比如出隧道時,外面強烈的陽光和昏暗的隧道內部的對比,瞳孔會在觀察不同位置時自動縮放,直接與單次曝光的照片來對比並不公平(而且人眼動態範圍非常主觀,甚至因人而異,所以很難量化,容易造成誤解)。

目前的全畫幅相機動態範圍可以做到近15檔,就像上面的對比圖,通過後期處理,相機同樣可以強吃動態範圍,在強力顯示器下非常出色地還原現場(其實這時候顯示器依然是瓶頸),並且根據主觀喜好來改變色調風格,所以我並不認為相機在這方面會輸。

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理論上來說,目前主流規範的色域覆蓋遠遠不如可見光譜,即便是Rec.2020,也只覆蓋了可見光譜的57.3%,照片處理常用的sRGB/Adobe RGB甚至只有33.3%/38.8%,所以理論上人眼對顏色的識別度會明顯更寬,但目前在圖像處理上也有一些相對專業處理方式,比如在RAW處理時,第一步就把色彩空間設置為ProPhoto 16bit/通道:

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可以看到,ProPhoto色彩空間在綠色和藍色端甚至部分超出了可見光譜的範疇,事實上不少傳感器的光譜響應範圍也是如此(如下圖,超過可見光譜的800nm波長也依然有超40%的量子效率),換句話說就是RAW文件的色彩覆蓋是很充裕的,所以RAW處理的一個大前提是儘量在最後才轉換為sRGB等色域,以免從開頭就把色深限制到了8bit,也就限制了調整空間,產生雜色和斷層,影響細節。

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但對於人眼來說,顏色的敏感度又是一個“人人皆有不同”的實際問題,人眼對絕對色調的判斷是非常不準的(尤其是男性,所以別掏支口紅出來問我這是啥色號的),不過用作色調對比倒是很敏感,一般來說1~2nm的波長人眼都能觀察出來(如果把2個哪怕顏色極為接近的口紅擺在一起,也還是能看出區別的),而且每個人的情況還不太一樣(色盲色弱),因此在照片後期處理得當的情況下,很多人並不能看出兩者的區別。

最後說說靈敏度,在弱光的環境下,人眼會主動降低分辨率(黑漆漆的屋子裡你沒辦法閱讀),會丟掉色彩(黑漆漆的屋子裡看啥都是黑白),只能模糊辨識物體,在自己熟悉的環境裡還可以根據記憶來輔助判斷。而傳感器的優勢在於可按需定製,靈敏度閾值(信噪比超過1的電信號所需的光子數)可以通過增大像素面積來降低,而且曝光時長可控,所以即便是在極弱光環境下,只要控制好暗電流,相機依然有辦法照度0.01lux以內(沒有月光的晚上),實現黑白或彩色內容的輸出。比如博世的IP Starlight 8000MP監控攝像機,彩色3K/全高清分辨率可以0.0121lux/0.00825lux,黑白3K/全高清甚至可以低至0.004lux/0.00275lux,在這種照度下可以輸出30p幀率視頻,而且這只是一顆1/1.8英寸前照式CMOS而已。

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PS:說到這就順便插個話題,低像素總數/單個像素大面積的優勢是單像素阱容更大,靈敏度閾值下限更低,有利於極弱光環境(比如森林防火、庫房監控、深水/深空遙感等等),但在靈敏度閾值以上的光照環境下,相同尺寸傳感器採用高像素總數的設計可以通過縮圖來彌補信噪比/動態範圍差距,並且分辨率與銳度更具優勢。所以什麼“A7S系列弱光強於A7R系列”就屬於純吹水,強調過多次,遇到過許多木工米青,就不再多回復這類評論了。

總結來說,相機產生的照片是以滿足視覺美感而來的,人眼的性能並不一定強於相機,兩者的比較其實難以做到公平,兩者也都會受到不少的客觀限制,或許這個話題永遠都難以有一個服眾的定論,但我現在的理解就是今天這樣,歡迎理性討論。


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