人眼与相机可对比的参数

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。

象素值

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。
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。
－评：
1、现在认为肉眼最大分辨力约为在20－30cm距离，光线合适的条件下，分辨0.05-0.1mm的距离。约6角分，另有较少说法肉眼极限为1角分即弧分。文中认为极限张角为0.3弧分，象素计算值大了10倍。
2、肉眼有视觉中心一说，只有10度左右的范围最清晰，周围的分辨率大大下降。
3、既然谈摄影就不能将眼球活动计算在内。
4、人单眼视网膜上约有700万个锥体细胞，1亿2千万杆体细胞。锥体细胞负责强光感知和颜色分辨，杆体细胞负责弱光感知，只能分辨明暗。每个视网膜在一秒钟内均可以发送近1000万字节的信号。但具体代表了多大的象素尚不得而知。个人觉得一个细胞基本能点对点等同一个象素的图像信息，毕竟还有许多动态的信息需要处理。
5、目前已有40亿象素的数码相机，虽未进入民用，但可见方向。
6、实际上，一副目前民用级高分辨率的相片所包含的信息往往已经超越了肉眼短时间内在相同场景能获得的信息。

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。
－评：
1、而视神经接受外界的光信号，同样需要至少一对电子。据称在1个杆体细胞中射入几个光量子就会产生光感。
2、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。没有困扰是因为习惯了，实则虽然大量杆体细胞能在夜间识别光暗，替代锥体细胞的功能，但缺乏细节辨别能力，肉眼在暗场景下识别能力相当弱，只是没有相应的放大信号能力，故而没有出现噪音。
3、数码相机的感光能力的确远超肉眼。

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！
－评：
识别光比大是肉眼最大优势。

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。
－评：
1、肉眼视角约160度，目前我知道的镜头最大视角为230度，能将身侧后的物体拍下来。不过10mm以下的透视畸变非常明显，远远无法和肉眼相比。
2、人眼光圈：约f2.1-f10。就景深效果和清晰度而言，是不能和镜头相比的。

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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