前言
Photography is not about the thing photographed. It is about how that thing looks photographed.
照片並非關於事物本身，而是關於拍攝時事物所呈現的狀態
留意攝影類話題的人可能對於一些討論比較熟悉，比如人眼睛視角是等效的35mm呢還是等效50mm呢？人眼睛可以直接看到相機HDR處理以後的場景，瞳孔可以像光圈那樣調節等等討論。我們經常討論一些話題比如同樣的場景我們眼睛看到的和拍出的照片感覺完全不一樣。比如經典的旅遊景點“騙照”，“這地方跟INS上看到完全不一樣嘛”。“這樣的場景能夠拍成這樣的絕對是大神”。
那麼如果把人類的眼睛比作一臺照相機，會是怎麼樣一臺照相機呢？這次文章我們就帶著這些問題來一次硬核的碰撞，人眼睛vs照相機。由於人眼涉及很多專業生理醫學知識，我們為了便於理解會盡力繞開一些晦澀難懂的醫學知識，轉化成我們攝影人習慣的攝影術語。
人眼vs相機，結構系統
1.硬件結構對比
如果作為一次橫向評測，我們需要從基礎的硬件開始了，這裡就省去了開箱環節了，如果有強迫症的非要“開箱”環節請移步至醫學頭條號。這裡開個玩笑，我們先來看下人眼睛和相機的硬件對比：
人的眼睛由眼角膜，虹膜，瞳孔以及視網膜組成，相機呢一般是由鏡組，光圈環，快門和傳感器組成。如果我們做一個橫向的比較那麼我們就可以得出以下對比：
這裡我們簡單列舉了一些近似結構來解構人眼和相機的硬件對比，實際上的人眼睛有著比相機更復雜更精密的結構。我們從光路結構上可以看到近乎相同的成像原理。
我們從結構系統上可以看到一個明顯的結論就是人眼可以看做是一臺定焦鏡頭的相機，那麼很多小夥伴很好奇，到底人眼睛的等效焦距是多少呢？
2.人眼睛的焦距
為了探討人眼睛的等效焦距，我們要先來看相機的焦距是如何定義的，所謂焦距是光學系統中對於光的聚散的一種度量方式，一般是指透鏡中心到透鏡把光線匯聚的焦點之間的距離。我們應用到照相機中，就是可以理解為鏡片的光學中心到感光元件/膠片的成像面的距離。焦距一般用mm單位表示，焦距越短能夠匯聚更多的光線，能夠投影出來的視野也就越廣，反之焦距越長匯聚的光線也就越有限制，視野也就越窄。
接下來我們探討人眼睛和相機的等效焦距對比，我們來看下人眼結構，按照成像原理，焦距也是可以測量的，其實人類的生理解剖早就可以覆蓋這個測量了，我們測量人眼睛從角膜到視網膜的距離，大概是25mm，瞳孔的直徑呢可以收縮2mm，擴張7-8mm。如果我們利用這些數據是不是可以算出人眼睛的焦距呢？由於人眼不是像相機那樣的工業化產品所有的參數都是固定的，人類的生理指標都是一個範圍，沒有特別精確的測量，而且活體的人還要考慮各種肌肉收縮等帶來的變化。那麼我們如何才能精確的測量出人眼睛的焦距呢？
這裡我們找到了一個新的方案，那就是利用人眼睛屈光度來轉換。我們小時候都學過光學的折射，光由一個物體攝入另外一個物體的時候，由於密度不同，傳播放心發生偏折，這個叫做光線的折射，同時我們也把這個現象叫做屈光現象，物理上為了表示屈光的大小，我們用屈光度來表示，單位是"D",這裡是不是覺得非常眼熟，對就是近視朋友非常熟悉的一個參數，一般我們說近視是多少度，比如200度近視，其實轉換成屈光度就是-2D。那麼屈光度跟焦距什麼關係呢？別急，我們可以找到一個換算關係：1屈光度相當於平行光線匯聚在1米的焦距上。通常我們把焦距f的倒數作為屈光度，我們前面已經知道了焦距的長短決定了折光能力的強弱。屈光度有正負，主要是因為凸透鏡和凹透鏡的關係。所以一個+2屈光度的透鏡會吧平行光匯聚在鏡片外面1/2米的地方，或者說2D屈光裡的透鏡焦距是1/2m，也就是50cm。我們按照屈光度和焦距的換算，可以得出人眼睛的焦距是17mm，但是也有一些測算認為是22mm到24mm，實際情況隨著人的具體情況而變化。
3.人眼的光圈值
我們都知道相機的光圈值，比如f/4, f/2.8, 這樣的光圈值，那麼人眼的光圈值是多少呢？這裡我們的計算原理是知道瞳孔的近似焦距和直徑來測算的。我們前面已經得出了人眼睛的焦距為17mm，然後我們按照瞳孔的直徑為8mm來計算，我們可以得出人眼睛可以有一個相當於f/2.1的光圈值。那麼按照一些觀點人眼睛24mm等效焦距來計算呢也按照8mm瞳孔的尺寸可以得出f/3.5的光圈值。
實際上已經有很多科學家對於人眼睛光圈值進行過精密的測算，測量的結果是f/3.2到f/3.5之間。相比相機的F/1.4光圈值甚至是F/1.2人眼睛光圈值略佔下風。
4.人眼的視野範圍
我們都知道相機的視野範圍隨著焦距的變化而變化，焦距越短視野越廣，焦距越長視野越窄。我們前面已經介紹了人眼睛的焦距為17mm，那麼為什麼還有那麼多人爭論35mm還是50mm呢？這裡主要是因為對應的等效焦距視野的關係。這裡我們要提出一點關於等效焦距的概念，攝影中我們把35mm全畫幅底片的相機當做標準，任何大於或者小於這個畫幅的相機使用相同焦距鏡頭的時候想要獲得相同的視野範圍需要在焦距上乘以對應的等效係數。比如常見的APSC畫幅有著相比全畫幅1.6倍的裁切係數，對應等效係數就是x1.6,所以當你使用APS-C畫幅相機的時候35mm焦距的鏡頭只能提供相對於全畫幅56mm焦距的視野了。
我們前面的結構裡面已經闡述了人的視網膜相當於相機的傳感器或者底片。但是人的視網膜是一個弧面彎曲的，而且並不是全部參與成像的，我們通常把參與成像的部分區域，叫做“主視覺區域”的。部分參與成像的區域叫做“周圍視覺區域”，也就是說我們的主視覺區域以外還有比主視覺細節少的輔助視覺區域。同時我們還要注意人類的眼睛並不是單反（只有一個鏡頭），我們是雙眼同時參與成像的，所以我們兩個眼睛的視覺範圍除了有擴張的周圍視覺以外還是有重疊區域的。有科學研究證實了，人類眼睛的主視覺區域的範圍在55°左右，我們換算到全畫幅相機上面，一個43mm焦距的鏡頭可以提供55°的視覺範圍。所以雖然人眼睛擁有對應17mm的焦距，但是隻能擁有43mm的等效焦距視野。所以我們就不用再爭論人眼的焦距是35mm還是50mm了，如果只討論等效焦距的話可以定義為43mm等效焦距。
人眼vs相機，成像質量
我們瞭解了人眼與相機的結構對比，下面就是相對核心的內容了，就是成像質量的對比了。這裡我們其實很難把人眼睛捕捉的視覺信號數字化再放到一起跟數碼相機進行統一的比較，我們需要找到一些等效的手段。
1.像素和分辨率
我們可能第一個好奇的問題就是，人眼睛到底相當於多少像素的相機呢？這裡我們直接給出答案，就是1.3億像素，如果你拿尼康專業單反相機D850來比較的話4500萬像素，其實相機已經敗了。那麼在像素上人眼睛真的是完勝了嗎？但是實際的情況不能單純的用像素來比較，正如前面說的，先天的硬件不同導致了無法絕對的橫向比較了。我們的1.3億像素實際上對於人眼睛來說，其實只有600萬到800萬是視錐細胞，所謂視錐細胞是對於光學和顏色有高分辨率的細胞。而其它的周圍部分是被稱為視杆細胞的區域，對於顏色分辨率不夠高，但是對於光線明暗。這是什麼意思呢？就是說人眼睛的1.3億像素，其實只有600萬像素是彩色像素，剩餘的1億2千萬像素都是黑白像素。
我們如果觀察過相機的傳感器，可以看到每個像素都是規則的排列著。傳感器每平方毫米都有固定密度的像素分佈。而人眼睛的視網膜不是像相機傳感器那樣均勻分佈的。我們前面知道了人眼睛的1.3億像素只有600多萬是彩色的像素，其餘都是黑白的。因為視網膜上中央的區域我們稱為“黃斑區域”，只有6毫米的區域範圍，我們前面說的彩色像素的區域只有這6毫米的區域。如果我們計算單位像素面積的話，人眼睛1平方毫米中有大約15萬像素，我們一般2400萬像素的全畫幅傳感器，35mmX 24mm的面積內1平方毫米有大約2.8萬像素。所以理論測算上面，我們上面提到的55°的主要視覺區域內的分辨率比我們一般全畫幅相機的分辨率要高很多。
2.邊緣成像質量
這裡我們要提出一個明顯的差異問題就是人眼睛的底片也就是視網膜的寬度近似32mm寬，聽上去好像跟35mm全畫幅底片很接近呢？但是實際上差異還是非常大的，首先雖然寬度接近但是由於人眼球視網膜不是像膠片那樣是平面的，它實際上是一個曲面，曲面成像會有一個非常明顯的優勢，因為光學通過透鏡的時候匯聚的是一個錐形，平面傳感器的中心和邊緣距離鏡片的距離是不同的，所以我們才需要一些特殊的非球面鏡片來彌補邊緣的成像。但是我們人眼睛就不需要了，因為曲面“傳感器”直接可以彌補這個差異，所以理論上我們人眼睛擁有比相機更好的邊緣成像質量。
到這裡是不是有朋友對於曲面傳感器感覺熟悉呢？沒錯，之前就有消息稱佳能公司正在研發曲面傳感器，通過加熱擠壓形成曲面的光學傳感器來提高相機的邊緣成像質量，目前只有專利申請消息流出，相信這背後的複雜度，距離上市還是有很多距離的。
3.感光度與暗光成像
我們有一種感覺，晚上我們眼睛在暗光環境下視力下降很多，無法跟相機一樣直接看到非常暗的環境中，這裡我們就引入了感光度的對比。人眼睛的感光度是可以自動調節的，光強度環境發生變化的時候，我們的眼睛可以通過調節視網膜色素的含量，來達到增加或者減少“感光度”的效果。但是這種調整非常的慢，有的時候可能需要幾十分鐘的時間。我們經常有這種感覺，封閉的屋子裡突然關上燈，感覺眼前漆黑一片，但是慢慢的隨著時間的增加我們可以看到一些微弱的光和屋內的細節。這就是我們眼睛的感光度升高了。按照這種理論我們比較容易發現在偏遠的郊區我們很容易看到夜空上的星星，但是在燈光絢麗的城市裡很難看到星星。這其實也有感光度的調節在起作用。
那麼人眼和相機的暗光能力對比如何呢？我們這裡拿來了索尼高感強悍的A7SII相機進行對比，我們不能直接數字化肉眼所得畫面這裡採用了模擬的效果來近似對比一下實際情況。可以看到夜晚暗光環境下，肉眼所得畫面無法跟相機的高感拍攝畫面對比。同時我們也注意到了，肉眼暗光下的畫面大部分都是黑白的。我們前面已經提到了人眼睛裡面只有中央的600萬像素是彩色信息，剩下的大片範圍是黑白像素。其實都是以視杆細胞為主的視網膜周圍區域，雖然分辨率低，但是對於暗光更敏感。
4.動態範圍
人眼睛由一個非常強大的優勢，那就是我們在強烈的陽光下，依然可以看到眼前的物體細節。但是如果相機對著逆光拍攝的話，整個畫面會非常暗。當然相機可以通過包圍曝光合成，或者後期調整來實現更高的動態範圍表現。但是人眼睛的高動態範圍是原生的。
由於自然界的光強度變化範圍特別大，基本上從刺眼的太陽光到微弱的星光差了10的8次方的數量級，也就是1億倍。如果我們換算為攝影語言就是自然界的光線動態範圍是27Ev這個數量級。我們對於相機的動態範圍判定就是對於光線強度的記錄，其實就是存儲的光量子的比例。
人的眼睛裡面有600萬椎體細胞，1億2千萬的杆體細胞分別負責彩色信心和明暗信息的處理。由於人眼睛傳遞的始終是動態信號，如果我們要換算成感光元件能記錄的動態範圍，一般數碼相機的RAW 格式可以記錄10~14位的信息，理論動態範圍是10~14Ev，但是實際可用的動態範圍只有5~9Ev。人眼更像是一臺攝像機，瞳孔視網膜，大腦一直高速運轉著，一直刷新大腦中的圖像，也就是說人眼睛屬於同時進行的高速拍照+拼圖+HDR合成+後期優化處理。視網膜可以在一秒鐘內發送1000萬字節的信號。由此可見人眼睛的動態範圍是多麼強大吧。
我們對比了結構系統，畫質的差異，最後關於圖像的處理能力對比。
人眼vs相機圖像處理能力對比
1.信號傳輸對比
我們從數據傳輸結構說起，相機的圖像傳感器負責把光信號轉換成模擬的電信號，然後通過AD轉換器把模擬信號轉換成計算機可以處理的數字信號，最後把數據發到中央處理器，中央處理器對信號進行處理才形成可以瀏覽和傳播的數字圖像最後把數據保存在存儲介質中也就是我們一般使用的存儲卡上。
其實人眼睛也是有類似的傳輸結構從視網膜到大腦，不同的是人的視網膜中有1.3億個“傳感器”，但是把這些傳感器的信號傳遞到大腦的視神經只有120萬根，從另外一個角度說，人眼睛只有不到10％的“圖像”數據傳遞到了大腦。這背後的原因比較複雜有一部分原因是視網膜中的生物傳感器受到刺激以後需要一段“充電”時間，無法做到完全的實時傳輸，還有一種原因是信息流太大了，我們的大腦不能同時處理這麼多信息，而且也不需要進行全部處理。
2.信號處理對比
我們討論圖像信號處理之前我們先來看一個圖片，這幅圖片是經過特殊處理的只有部分紋理是彩色的其餘都是黑白的，但是我們的眼睛可以感覺到整個畫面都是彩色的，我們用計算機圖像處理工具進行識別可以發現彩色紋理的間隙都是黑白的，但是肉眼感覺到的都是彩色的。這其實就是因為大腦處理圖像的直接證據，大腦不會跟相機一樣進行100%還原處理，是進行一定程度的加工處理的。可見我們的老話“眼見為實”也有待商榷啊。
大腦對信號的處理方式跟我們的數碼相機完全機不同。相機是通過間歇的快門產生視頻片段的，熟悉視頻的朋友可能對於視頻的“碼流”比較熟悉。人的眼睛向大腦發送的是一種恆定的視頻流，而且這些視頻流直接就是大腦可以處理的，同時大腦會快速的比較兩隻眼睛傳遞過來的信號，把最重要的部分組裝成三維圖像，然後將它們發送到大腦的潛意識部分來進行圖像識別和進一步處理。
大腦的潛意識部分還向眼睛發送信號，用掃描方式緩慢移動眼球，讓我們的視線在聚焦的範圍內緩緩移動。在幾秒鐘的時間內，眼睛實際上會發送很多個圖像，然後大腦把這些圖像處理成更完整，更詳細的圖像。這就類似於相機的多幀合成技術，可以對多張圖像進行後期處理合成。這也就是為什麼我們可以看到很多相機無法一次曝光成功的場景了。最後圖像會到達意識部分也稱為視覺皮層，這部分區域與大腦的記憶部分緊密相連，所以我們可以“識別”圖像中的對象。通俗的講就是當我們看到某些東西時，觸發我們思維認知的同時還可以引發我們的記憶，我們經常說的“似曾相識的場景”。
結束語
我們對比了人眼和相機的結構圖圖像處理以及畫質，雖然從複雜和精密程度上來講，人眼睛碾壓相機的存在，但是我們也看到了隨著技術的進步相機的結構和功能也在發生著非常深刻的變化，我們也看到了現在很多人眼睛才有的多幀處理技術已經開始在相機的攝影技術上應用了。同時我們研究人眼睛的潛意識掃描也可以進一步研究照片視覺引導線，焦點，興趣點等在攝影構圖上運用的基礎原理。
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