照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?

为什么我们的摄影机无法正确记录我们所看到的东西?这是一个看似简单的问题,但回答起来却是最复杂的,不仅需要深入研究摄影机记录光线的原理,还要了解我们的眼睛是如何工作的,以及为什么。处理这些问题将极好地解释我们每天所感知的世界,当然还能成为更棒的摄影师。
照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?
文章来源:http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/cameras-vs-human-eye.htm
翻译:田浩
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介绍
我们的眼睛可以在环顾场景时根据主体形态进行动态调节,而相机只拍摄一幅静帧。这也是我们通常理解的眼睛优势的一大原因。例如,我们的眼睛可以在聚焦到不同亮度时自动进行补偿,可以观看更广的视角,还可以交替地聚焦到不同距离的物体上。
这样一比较,眼睛更像摄影机,而不是照相机,因为大脑会编译一组相关的瞬间来形成心理图景。眼睛快速一撇时可能跟相机比较像,但最终我们的视觉系统有它的独特性。
我们真正看到的都是大脑根据眼睛输入的信号重建出的物体,而不是眼睛接收的实际光线。
你对此怀疑吗?大多数人至少一开始都怀疑这一观点。下面的例子可以表明大脑是与眼睛有什么不同,会如何欺骗人类。
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真假色彩 马赫灰条1            马赫灰条2

真假色彩:移动鼠标到图片内一角,盯着中央十字,一圈点会轮流消失,但是你盯了一会儿之后,你会觉得这些圆点变绿了(甚至会觉得它们都消失了),即便是图片中根本没有绿色。
马赫灰条:把鼠标移到图片内再移走。你会觉得每一个灰条下边缘比上边缘亮,其实每个灰条内的颜色都是一致的。(注:原文中马赫灰条是一个图片,鼠标移入图片之前显示的是灰条1,移入之后显示灰条2

然而,这并不妨碍我们对比眼睛和相机!大多数情况下,这种对比还是公平的,只不过要把我们看到的和大脑的处理过程都考虑进去。接下来的内容将尝试区分这两者。

差别概览
这一系列说明包含了以下视觉因素的对比:

1、视角
2、分辨率和细节
3、感光度和动态范围

以上是人们通常认为的眼睛跟相机的主要区别,但也是分歧最大的地方。其他的一些文章可能会包含景深、立体视觉、白平衡、色域,但这些不是本文的重点。

1、视角
在相机中,视角由镜头焦距(以及相机芯片尺寸)决定,例如,一款远摄镜头的焦距会比标准肖像镜头长,因此包围的视角更窄。
照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?
短焦镜头宽视角 长焦镜头窄视角

不幸的是我们的眼睛不这么简单。虽然人眼有大约22mm的焦距,但这是错的,因为(1)视网膜是曲面,(2)视野边缘的细节比中心少,(3)我们感知的场景是两只眼睛综合的结果。
每只眼都分别有120-200°的视角,取决于观察者对“看见的物体”定义有多严格。同样,双眼视野重叠区大约130°,大约跟鱼眼镜头一样。然而,进化导致我们的视觉边缘区只能感受运动和大型物体(例如从你身边经过的狮子)。此外,如果相机使用这样宽的视角会带来很大的畸变和失真。
照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?
左眼 双眼重叠区域 右眼

我们的中心视角(大约40°- 60°)最能影像我们的视觉。主观上,这就是你无需移动眼球就能看到的视角范围。顺便说一下,这跟全画幅相机上的50mm标准镜头视角是差不多的(准确来说是43mm),或者是芯片缩小1.6倍的相机上的27mm镜头。虽然这不是我们能看见的整个视角,但它与我们的感知相符,能在不同的失真上取得平衡。
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宽视角的镜头里相对物体大小夸张                                长焦镜头里的物体相对大小相似

太宽的视角导致物体相对大小变得夸张,而太窄的视角会使物体变得差不多大,并且失去深度感。极宽视角还会使靠近图像边缘的物体出现拉伸。
照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?
相比之下,即便我们的眼睛捕捉到畸变的广角图像,大脑还是会重建出3D图景,并消除畸变。

2、分辨率和细节
当前大多数数码相机都有500万至2000万像素,但这比我们的视觉系统要少得多。这一事实基于在完美的视力情况下,人眼的解析力相当于5200万像素的相机(假定60°视角)。
然而,这一计算带有误导性。只有中央视力是完美的,所以我们根本无法在一瞬间解析那么多的细节。在中央视野周围,我们的视觉能力显著下降,在20°偏移处就只剩500万像素解析度。而在外围,我们只能识别高对比度的东西,对颜色的敏感性极低。
照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?
考虑上述情况,一眨眼所能感知的细节只相当于500万至1500万像素的相机(因视力而不同)。然而,我们的大脑不是逐个像素记忆图像的,而是记录一幅幅画面的纹理、颜色、对比度这些有实义的东西。
为了获得细致的心理图景,我们的眼睛可以连续快速地聚焦到多个兴趣区,因此有效提高了感知能力。
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原始场景 人类眼睛视觉兴趣区域

最终结果是一幅由兴趣区而决定细节的心理图景。这很重要,但常被摄影师忽略,即便摄影师达到了将相机的技术参数发挥到极致,这些细节如果无实义的话也没有什么意义。
关于上图,我们眼睛解析细节的其他一些重要区别在于:
不对称每只眼对于视线下方的细节感知度比上方要强,鼻子正前方的解析度也比其周围要低。而相机的解析度几乎完全对称。
低照度视觉:在极低照度下,例如月光和星光下,我们的眼睛看到的东西开始变为黑白。这种情况下,我们的中央视觉比周围视觉精度要低。许多天文摄影师意识到了这一点并巧妙运用,他们想肉眼看一颗暗星时就盯着它旁边看。
微妙的渐变:在最佳细节解析方面有大量的研究,但是微妙的色调渐变也很重要,这也是眼睛与相机最大的不同。在相机中,放大的细节总是更容易解析,但在人们的直觉中,放大的细节实际上更不容易被眼睛看到,下面的例子中,每幅图都有相同对比度的纹理,但在右图中却看不见,因为纹理被放大了16倍。照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?

3、感光度和动态范围
动态范围往往被视为眼睛的一大优势,如果我们考虑不同亮度环境下瞳孔的缩放,那么我们眼睛的动态范围的确远远超过相机(超过24档光圈)。然而,人眼和摄影机一样自动调节瞳孔,因此这种比较不那么公平。
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眼睛对角在背景                  眼睛对焦在前景 大脑中形成的图像
如果我们考虑眼睛的瞬时动态范围(也就是瞳孔大小不变),那么相机就比人眼好了。这跟看场景中的某一处一样,让眼睛调节完后不要看别的地方。这样的话,大多数的估算都表明眼睛能看到10-14档动态范围,无疑超过大多数相机(5-7档),但却与数码单反差不多(8-11档)。
另一方面,眼睛的动态范围还受物体亮度和对比度影响,所以上文只适用于典型日光环境。而在低照度下,眼睛的瞬时动态范围更高。

量化动态范围:摄影另一最常用的动态范围单位就是“档”,我们也用这个单位。它描述了记录下来的场景最亮和最暗区域比率,以2的指数表示。例如3档动态范围的场景亮暗比就是8倍(2的三次方=2×2×2=8)。
照相机和人眼孰强孰弱,又有何区别?
定格动作                                                                低照度感光度

感光度:这是另一个重要的视觉特征,描述对非常微弱亮度或快速移动物体的解析力。在明亮光照下,目前摄影机能更好地解析快速运动物体,超高速摄影便是案例。这往往是把相机ISO开到3200,而人眼等效的日光感光度甚至可以低到ISO 1。
然而,在低光照条件下,眼睛就比相机感光度更高了(假定两者调节时间为30分钟以上)。天文摄影师估计人眼此时感光度为ISO 500-1000,虽然仍比一些数码相机低,但已经很接近。另一方面,相机可以长时间曝光来捕捉微弱的光线,而眼睛盯住一个物体看15秒以上也不能增加其细节程度。

总结
有人会争辩说无论相机能否抗衡人眼,这都不重要,因为相机的主要目标在于获取看上去真实的照片。冲印的照片并不知道眼睛会关注哪个区域,因此每个部分都要包含最大的信息量,以便眼睛聚焦时能看清。这对大尺寸冲印来说的确是对的,然而,还有人坚持要考虑相机的性能。
总之,视觉系统的绝大多数优点都源于我们的大脑能智能地解析眼睛看到的东西,而对于相机,记录下的只是原始图像。即便如此,目前的数码相机进化非常迅猛,有的已经超越人眼的一些视觉能力。而最后的赢家在于摄影师。

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