如果人眼是台相机，那么它就是一台700万像素的数码相机

如果人眼是台相机，那么它就是一台700万像素的数码相机

五句题外话

0、为什么起这个题目——原来题目叫做《人眼与相机》，一位朋友看了，说，还是改个名字吧，要不没人看。于是，就有了这么一个吸引眼球的题目——不过，本来就是写“眼球”的文章，用题目来吸引一下“眼球”，也不算过分吧？

1、为什么摄影者需要研究人眼——这个就不解释了，如果您认为人眼睛与摄影无关，可以不看此文，大家都不要浪费彼此的时间。

2、为什么发在数码相机论坛里——没别的，就是因为数码相机和人眼的确是非常地像，下面有论证，不信您瞧瞧儿？

3、本贴不欢迎无关的争论，不欢迎“为了反驳而反驳”的发言。

4、因为我个人知识层面的局限性，首贴内容仅起抛砖引玉作用，欢迎批评指正。

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如果人眼是台相机，那么，它是一台20mm定焦镜头，自动对焦的相机。
如果人眼是台相机，那么，它是一台快门速度固定，自动调节光圈的相机。
如果人眼是台相机，那么，它是一台黑白/彩色可以切换的相机。
如果人眼是台相机，那么，它是一台可以自动提高或者降低感光度（ISO值）的相机。
……
如果人眼是台相机，那么，它是一台使用Mosaic方式获取图像和算法得到图像的相机。
如果人眼是台相机，那么，它是一台使用专家系统来校正像场变形的相机。
如果人眼是台相机，那么，它是一台700万像素的数码相机。

从相机的角度来评估人眼，人眼的指标应该是这样的：

焦距：大约20mm左右。人的眼睛的直径20mm。前后大约25mm，以此推算，焦距应该在大约20mm。
光圈：瞳孔直径2mm - 8mm，相当于四档光圈，可无级缩放
镜头结构：1组X1片，有1片非球面镜
镜片：折光率：1.36
彩色感光器件：700万个（像素），可独立感受光线（一个视锥细胞接到一条视神经上），有效像素700万。
黑白感光器件：13000个（像素），不可独立感受光线，每几十个并联，成为一个可感受光线的单位（每几十个视杆细胞接到同一条视神经上）。有效像素300-600万。
色彩模式：明亮环境下可以感受彩色，黑暗环境下只能感受黑白图像
彩色模式感光度：可变，范围较小
黑白模式感光度：可变，范围极大

图1：眼球的构造


图1的说明：

眼球的前极稍突出，前后直径约25mm，横向直径约20mm，眼球包括屈光系统与感光系统两部分，如图1所示，在眼球的后极偏向内侧有神经与大脑连接。眼球与视觉天成紧密相关的部分是眼球壁、屈光装置、视网膜。

眼球壁的外层是纤维膜，由前后两个部分组成，分别是角膜和巩膜。角膜约占外层膜前部的1/6，无色透明，其折射率为1.336，角膜厚约0.8- 1.1mm，具有屈光功能，光线经角膜发生屈折进入眼内。巩膜约占外层膜后部的5/6，厚度约0.4-1.1mm，是一层坚固的白色不透明膜体，起保护眼球的作用。

眼球壁的中层是血管膜，含有丰富的血管、神经和色素细胞。它又分为三部分

1）脉络膜。它的范围最广，紧贴在巩膜的内表面，厚约0.4mm，含有丰富的色素细胞，呈现黑色。它能吸收外来的杂散光，消除光线在眼球内的温反射。

2）睫状体，在巩膜和角膜交界处的后方，由脉络膜增厚形成，内含平滑肌，称为睫状肌（平滑肌不受人的意识的直接控制，受人的意识的直接控制的是骨骼肌）。它的作用是支持晶状体的位置，调节晶状体的曲度。

3）虹膜：是睫状体向中央伸展形成的环形膜，它将角膜与晶大辩论体之间的空隙分隔成两部分，即眼前房和眼后房。虹膜的内缘形成瞳孔。虹膜的收缩和伸展，可以改变瞳孔的大小。

眼球壁的内层是视网膜，它贴在脉络膜的内表面。位于眼球的最里层，是眼球的感光部分，为一透明薄膜，其厚度约0.1-0.5mm。其中有视觉感光细胞、视锥细胞和视杆细胞。在眼球后极的中央部分，视网膜上有一细胞特别密集的区域，其颜色为黄色，称黄斑，直径约2-3mm。黄斑中央有一小凹坑，叫做中央凹，该处是视觉最敏锐的地方。黄斑跟鼻侧约4mm处，有一圆盘状物为视神经乳头，由于它没有感光细胞，也没有感光能力，称为盲点。

由物体发出（或反射）的光线通过角膜、房水、晶状体及玻璃体的拆射，聚焦成像于人眼感光器件——视网膜上。

从图中可以看出，人眼相当于单镜片镜头，那么，视网膜上的像应该是倒立的，但是我们并没有这种感觉，为什么呢？其实这又是人有大脑“搞的鬼”。某些书藉中介绍过有这类的试验，将志愿者或心理学家自己的一只眼睛遮挡起来，另一只眼睛前面固定一个镜筒，镜筒中有两片短焦距凸透镜，通过透镜的帮助，使视网膜上成的像变成正像，但此时，试验者看上去的一切东西都是反的和倒的，肢体很难做出正确的反应。经过了一周多的训练后，就慢慢适应了。不过，等到再摘下这个镜筒时，又会变得不适应，需要一段时间才能恢复。这种现象解释了为什么我们感觉不出视网膜上的倒像的原因——经过训练的大脑适应了这种倒像。

视网膜主要由三层细胞构成。

最外层是视锥细胞和视杆细胞，它们是构成视觉通路的第一级神经元。

中间层为双极细胞层，可分为三种：侏儒型、杆状型和扁平型双极细胞层，双极细胞的两极突起，一极与视细胞相连接，而另一极与神经细胞相连接。在中间层还有少数水平细胞和无足细胞。

最内层靠近玻璃体的细胞为神经节细胞。神经节细胞分为两种，即侏儒型和弥散型，它们是视觉通路的第三级神经元，神经节细胞的轴突组成视神经，穿过眼球后壁进入大脑。

图2：视网膜上的视锥细胞和视杆细胞


视锥细胞的大小与其在视网膜上的位置有关系，在中央凹处，直径约为2微米，在视网膜周围则为4.5-7微米，平均长度为35微米左右。两个视锥细胞间的平均距离为6微米。

视锥细胞的数目约为700万个，主要分布在视网膜中心区和黄斑区。每个视锥细胞最终一对一地连接到视神经上

视杆细胞一般长约为60-80微米，直径约为1.8-2微米。

视锥细胞有三种，分别含有三种对光敏感的色素物质：感红、感蓝和感绿色素。

视杆细胞只有一种，含有对光敏感的色素。主要分布在视锥细胞外的更广范围中。

视杆细胞的数目大约为13000万个。大约几十个视杆细胞共同连接到同一条视神经上，按50个计算，那么，视杆细胞的产生的有效像素数目为260万个（黑白像素）。

无论是神锥细胞还是视杆细胞，单独某一种都不能型成彩色视觉。

根据人眼色彩重现的三色学说，外来光线在视网膜上成像后，三种视锥细胞上传入的单色信号组合起来，经过大脑的计算，就还原成了彩色的图像。（此三色学说已被现代医学解剖实验所证明，但此处略去阶段说和四色说的相关内容，感兴趣的泡菜可以去查阅资料）

图3：三种视锥细胞的色觉感应曲线


图3的说明：
三种视锥细胞对可见光的全部范围都有响应，并不是90度角截止的那种。因为峰值的不同，所以，不同颜色在三种视锥细胞上产生的电流就不一样，通过高级视神经和人脑的“计算”，就可以从三种单色信息中还原出彩色的图像。这种算法，从原理上讲，和相机内置的将Mosaic的CCD上的电平值转换成图像值的算法是一样的。所以说，人眼从本质上看，就是一台700万像素的数码相机（其实应该说数码相机是人眼的最好模仿）

为什么不比喻成胶片相机呢？因为人眼的成像过程是多次的，是一个物理变化。而胶片的成像过程是一次性的，是化学变化。而且，从Mosaic和人脑对像素的后期处理这个角度上来说，也和数码相机的工作原理更为接近。

只有在外界光线明亮的情况下，视锥细胞才能工作，人脑感受到的色彩与图像皆来自视锥细胞的信息。此时，视杆细胞处于饱和状态（和CCD/CMOS的“饱合”是一回事，都是光电反应），对成像不起任何作用。这种视觉方式称为“明视觉”

当外界光线的强度减小到一定程度之时，视锥细胞就不再起作用。而此时视杆细胞则开始退出饱合状态，在视网膜上会慢慢形成一种叫作“视紫红”的物质，视紫红能提高感光度。这种视觉方式称为“暗视觉”。

从明视觉向暗视觉的转变其过程一开始很快，然后渐渐放慢，达到完全的暗视觉需要30-45分钟。从暗视觉向明视觉的转变仅需要几分钟的时间。

在暗视觉下，人眼相当于一台几百万像素的高感光度黑白相机，视紫红的形成过程，就是感光度的提高过程。

介绍两个关于眼睛的指标：视角和视力。

视角是指人眼在观察物体时，物体的大小对眼睛形成的张角，如图中的a。同一物体，离人越近，视角越大，离人越远，视角越小。参见下图。



由tan(a/2) = A/D，得出a = A/D

如果一个高度为1米的物体，距离人10米，则视角为： a = 1/4 = 0.25弧度

（1度=1.044弧度）

不同物理在跟人眼相同距离时，物体越大，则视角越大，物体在视网膜上成的像越大。

视力又称视觉敏锐度，其值等于视角的倒数。

V=1/a

平时我们说的视力1.0，就是说，在规定的距离下，人的眼睛能够分辩角度为1/60度（1‘)的物体的细节。因为人眼的视锥细胞间的距离为6微米，所以，我们的眼睛的分辩能力并不怎样强的。这一点和主观感觉上有不小差异。

上面谈了许多有关人眼睛的基础知识，那么，让我们来了解一下眼睛的弱点：

颜色适应与颜色记忆
无论在白炽灯下，和荧光灯下，或者在太阳光下，我们都感觉到白纸是白色的，但是，如果我们使用标准的发光体来比较（比如5000K恒定的观片器），那么，就会发现，有时纸是偏黄的，有时纸是偏蓝的。再比如，多数人的显示器设置成了9300K的色温，如果这时使用标准的6500K的D65光源给他看，他会认为这光源偏红或者偏黄。但坚持适应一段时间后，再去看9300K色温下的显示器，就会觉得那是偏蓝的了。

说点题外话，许多显示器的出厂设置是9300K，并且有偏高的趋势，不少显示器的色温常常比标定值高800-1000K（个人经验，Eye-One Display测试）。这样的显示器并不适于照片的处理与显示，建议大家把显示器调整到6500K色温以接近标准的D65光源。

这种光源的刺激值未发生变化，但视觉上改变的现象称之为“颜色适应”。这与人们对颜色的主观印象还有关系，比如我们一般认为纸是白的，花是红的，树是绿的，正午的天空是蓝的……最常见的一些物体的颜色给了人的大脑很深的记忆，在产生视觉的时候，就会主动地通过记忆中的颜色去分析和适应。这种现象叫做“颜色记忆”。所以，人眼的主观视觉不能做为颜色评判标准，准确地测量颜色，需要使用色度计和光度计等仪器。

闪光盲
视网膜上的感光细胞在受到强光刺激后暂时失明的现象。用摄影中的名词来讲，叫“严重过曝”

色盲和色弱
这个不多说了。不过对色盲类型的研究可以推翻传统的三色学说，比如红绿色盲还能感受到白色，这与传统的三色学说的理论是矛盾的。经过分析与研究，提出了后来的三色-四色阶段学说，才很好地解释了这种现象。

颜色对比

有两种颜色对比能产生错觉，下图表现了第一种的颜色对比错觉。

图4：人眼的颜色对比错觉1


左面的灰色看起来比较深，右面的灰色看起来比较浅。实际上，它们都是同样的灰色：RGB(80H,80H,80H)。

红花绿草也有此种对比错觉，会让人觉得红花更红，绿草更绿。

长时间地看一种颜色后，再迅速地改看另一种颜色，就会产生错觉。

比如看很长时间的纯绿色后，再改成看白色，这时看到的白色会有浅红色的感觉。这是因为，在长时间看绿色时，绿色的视锥细胞长时间兴奋导致了疲劳，而另外的两种视锥细胞则仍然工作在常态下，所以，当转为看其它需要三种细胞“同时工作”才能得到正确颜色的物体的时候，如果仍然按照感绿视锥细胞正常工作时的算法去还原，则会产生与其补色相近的颜色。

要重现这种颜色错觉，可以将较长时间观察下面的绿色图，然后迅速滚动到白色图上面，此时在眼前会有一瞬间的粉红色感觉（很短，视眼睛的不同有些差异，建立不要反复做这项测试）

图5：人眼的颜色对比错觉2-1


图5：人眼的颜色对比错觉2-2


颜色错觉


图4：明视觉与暗视觉



未完待续

[kenny_yuan 编辑于 2005-01-14 22:06]