從成像的角度來(lái)看，人眼并不是一臺(tái)完美的相機(jī)。但是在大多數(shù)情況下，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)針對(duì)視覺(jué)、特別是消費(fèi)者的彩色成像相機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)師的一個(gè)默認(rèn)對(duì)比就是人眼（主觀結(jié)果）。這些年隨著技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的相機(jī)展示了從夜景到變焦等各種超越人眼的攝像頭產(chǎn)品和功能。但是又總有各種客戶反饋每個(gè)產(chǎn)品在這里或那里不如人眼。這使得一個(gè)全面超過(guò)人眼的相機(jī)依然是很多產(chǎn)品的追求。

想要做一個(gè)能夠整體超過(guò)人眼的相機(jī)，首先我們需要分析眼睛到底是一個(gè)什么樣水平的相機(jī)呢？

首先，從結(jié)構(gòu)和功能上理解眼睛。對(duì)于一架攝像機(jī)或照相機(jī)，人眼的結(jié)構(gòu)是由角膜、晶狀體、前房后房、玻璃體所共同組成的具備鏡頭功能的組合。它把物體發(fā)出的光成的像投影到后面的相當(dāng)于sensor/膠卷的用于檢測(cè)光線的視網(wǎng)膜上。

(資料圖片僅供參考)

角膜是一直徑為11mm的透明膜，鑲嵌于鞏膜前面圓孔內(nèi)，其中央部的曲率半徑為8mm，周邊部比較平坦。角膜的屈光指數(shù)為1.376，為眼球的主要曲光媒質(zhì)。

晶狀體為一形似雙凸透鏡的透明組織，由小帶纖維懸掛于瞳孔后面，睫狀肌收縮時(shí)小帶松弛，晶狀體依靠其本身的彈性而變厚，前后表面的曲度增加，整體屈光度增加，利于看清近處物體，稱為調(diào)節(jié)。在角膜和水晶體之間為虹膜，中間開有一個(gè)可以自動(dòng)控制大小的孔，讓適當(dāng)?shù)墓饩€進(jìn)來(lái)，稱為瞳孔。

前房和后房是存在于角膜和晶狀體之間，以及虹膜和晶狀體周邊部之間的空隙，充滿著房水。房水的主要功能是維持眼內(nèi)壓，并維持晶狀體的代謝。

玻璃體是一透明膠樣組織，充填于視網(wǎng)膜內(nèi)的空間。它占眼球容積的4/5。玻璃體具有保護(hù)視網(wǎng)膜和緩沖震動(dòng)的功能。

視網(wǎng)膜是接近黑的深紅色，反光很弱，其上面布滿感光細(xì)胞。正對(duì)眼球中心有一個(gè)直徑約2mm的黃色區(qū)域（折合6度視角），稱為黃斑。黃斑中心有一個(gè)小凹，稱為中央凹，面積約為1平方毫米。

視網(wǎng)膜上有兩種感光細(xì)胞：視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞。它們均以外表形狀命名。一只眼睛里面大約分別有700萬(wàn)個(gè)視錐細(xì)胞和1億2千萬(wàn)個(gè)視桿細(xì)胞。視錐細(xì)胞像玉米的錐形，尖向外，只對(duì)較強(qiáng)的光敏感，至少有分別感覺(jué)紅、綠、藍(lán)三種顏色的視錐細(xì)胞存在，因此能夠感知顏色。視桿細(xì)胞只有一種，因此沒(méi)有顏色感覺(jué)，但是靈敏度非常高，可以看到非常暗的物體。視錐細(xì)胞在黃斑里面非常集中，尤其是在中央凹里面最為密集，是產(chǎn)生最清晰視覺(jué)的地方。視桿細(xì)胞恰好在黃斑里面最少，除此之外分布比較均勻，在距離中心10-20度的范圍內(nèi)相對(duì)集中。

從關(guān)鍵參數(shù)的角度來(lái)看：

像素分辨率目前科學(xué)界公認(rèn)的數(shù)據(jù)表明，觀看物體時(shí)，人能清晰看清視場(chǎng)區(qū)域?qū)?yīng)的分辨率為2169X1213。再算上上下左右比較模糊的區(qū)域，人眼分辨率是6000X4000。

當(dāng)然還有其他評(píng)價(jià)分辨率的方法：

PPD（Pixels Per Degree）角分辨率，指視場(chǎng)角中的平均每1°夾角內(nèi)填充的像素點(diǎn)的數(shù)量。這其實(shí)更多用在顯示上，而不是相機(jī)。PPD數(shù)值越大，就說(shuō)明對(duì)細(xì)節(jié)的顯示越精細(xì)，用戶對(duì)顯示畫面的感受就越清晰。

標(biāo)準(zhǔn)視力1.0的最小分辨角為1/60度，因此每視野角度60個(gè)像素點(diǎn)，即60PPD，便達(dá)到人眼極限。視力越好，最小分辨視角α越小，達(dá)到極限所需的PPD就越大。下面這張表格表示了不同視力下的視覺(jué)PPD。

超高動(dòng)態(tài)范圍

在動(dòng)態(tài)感光范圍內(nèi)，人眼有以下優(yōu)勢(shì)：

局部調(diào)節(jié)細(xì)胞亮度調(diào)節(jié)，光強(qiáng)信號(hào)的記錄是模擬的，不存在二進(jìn)制數(shù)位數(shù)的限制。

可以根據(jù)場(chǎng)景調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍。

結(jié)合人眼的快速亮度和注意力機(jī)制，在場(chǎng)景內(nèi)通過(guò)快速切換注意力，實(shí)際上可以獲得更大動(dòng)態(tài)范圍，但這很難評(píng)估。因此只能從人眼觀察物體的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。

從刺目的陽(yáng)光到星光之間整整相差了10^8數(shù)量級(jí)，也就是一億倍。計(jì)算一下Log2 10^8=26.6。用攝影的語(yǔ)言講，光線的動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)該在27EV這個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)際上因?yàn)椴煌瑘?chǎng)景下人眼感光度不同，動(dòng)態(tài)范圍普遍認(rèn)知在120DB到180DB之間。

高數(shù)據(jù)帶寬

網(wǎng)上找到一個(gè)例子：7680×4320超高清晰分辨率的未經(jīng)壓縮的18分鐘超高清視頻大小為3.5TB，平均每分鐘194GB。按照這個(gè)數(shù)據(jù)量，每分鐘經(jīng)過(guò)人眼的數(shù)據(jù)量約為140.34GB。也就是說(shuō)，平均打一個(gè)小時(shí)的XBOX360，將有8420.4GB的數(shù)據(jù)被傳導(dǎo)到大腦。這些數(shù)據(jù)如果刻成藍(lán)光光碟，需要337張！如果把人眼想象成一個(gè)高清攝像頭，它的總線帶寬為2.339GB/秒。

人眼的最大ISO

在黑夜中，人眼的ISO會(huì)達(dá)到最大值約15000，這是科學(xué)家根據(jù)市面上有售的最低的ISO 25的膠片，乘以人眼最亮和最暗時(shí)感敏度相差600倍的系數(shù)而計(jì)算出來(lái)的。如果拿時(shí)下數(shù)碼相機(jī)以100起跳來(lái)計(jì)算，那這數(shù)值就是60000了！

顏色和位寬

從某種程度上說(shuō)，顏色是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。一般認(rèn)為，人類肉眼最多能分辨1000萬(wàn)種顏色。以8bit位寬SRGB顏色空間為例，圖像的每個(gè)像素由3個(gè)組成顏色通道的成分組成，分別是RGB（紅，綠，藍(lán)）。每個(gè)通道所需的顏色位深度為8位，總共為24位。24位顏色，總共有16,777,216種組合（2的24次方）。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類肉眼所能分辨的1000萬(wàn)種顏色。但事實(shí)上，人眼是個(gè)模擬系統(tǒng)。

顏色范圍

從下面的圖像來(lái)看，人眼的顏色感覺(jué)范圍是一個(gè)馬蹄型投影，而SRGB的范圍其實(shí)只是人眼顏色的很小一部分。即使使用ProPhoto RGB也無(wú)法完全表達(dá)所有顏色。如果需要表達(dá)所有顏色，可能還需要使用XYZ的顏色空間。

(2) 精度

這部分可靠的數(shù)據(jù)比較少，但是基于HDR10的一些資料表明，在SRGB和ARGB的顏色范圍內(nèi)，配合適當(dāng)?shù)恼{(diào)試12位深度就可以滿足人眼的基本無(wú)損感受。不過(guò)，如果換到XYZ顏色空間，可能需要更大的位深。另外，考慮到動(dòng)態(tài)范圍以及顏色和亮度之間的關(guān)系，顏色的位深也可能還需要更大。

幀率：

對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的識(shí)別，幀率較低，一般認(rèn)為人眼視覺(jué)流暢的幀數(shù)為24fps。但是人眼確實(shí)能夠分辨率更高幀率畫面，雖然不代表完全記錄了信息。目前，從顯示領(lǐng)域中常見(jiàn)的認(rèn)為，人眼在140~150fps上還能有一定的分辨能力。

不過(guò)，人眼在嘗試分辨高幀率圖像間內(nèi)容的時(shí)候容易疲勞，且拖影現(xiàn)象也比較嚴(yán)重。

基本光學(xué)參數(shù)：

曲率半徑 r = 5.7mm介質(zhì)折射率 n = 1.3333視網(wǎng)膜曲率半徑 r" = 9.7mm

FOV和視野：

FOV：?jiǎn)窝?56°雙眼188°

視野：

如圖所示，為雙眼視度圖。

角xyz實(shí)際上就是被鼻子擋住的位置，全部白色的范圍實(shí)際上就是人眼的盲區(qū)，除了可以看到自己的鼻子和眼眶。角cyg這個(gè)范圍內(nèi)觀看到的事物有立體感。人單眼的舒適視域?yàn)?0度。

光圈:

一個(gè)順滑可調(diào)節(jié)的強(qiáng)光光圈為f/8.3，低光光圈為f/2.1（對(duì)應(yīng)2mm-8mm的瞳孔大?。?/p>

焦距:

焦距方面，基本無(wú)法調(diào)節(jié),所以人眼基本沒(méi)有辦法進(jìn)行光學(xué)變焦.

人眼前面等效于一個(gè)比較理想的定焦鏡頭，可以計(jì)算出以下參數(shù)：

物方焦距f = -5.7 / 0.3333 = -17.10mm，

像方焦距f" = 1.3333 x 17.10 = 22.80mm，

像方光焦度φ = 0.3333 / (5.7 x 10-3) = 58.48。

不過(guò)人眼能夠利用3D距離,輔湊系統(tǒng),以及來(lái)自大腦的AI能夠快速對(duì)焦,基本不會(huì)出現(xiàn)拉風(fēng)箱的情況.

此外人眼還有以下優(yōu)點(diǎn)：

出色的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，可以快速對(duì)準(zhǔn)想要觀察的物體。軟組織肌肉拉伸形變對(duì)焦，耐用性極強(qiáng)，正常使用時(shí)間可超過(guò)百年！微損傷自修復(fù)。

單眼156度，雙眼188度超廣角單透鏡鏡頭，數(shù)億年進(jìn)化傾情打造的透鏡面，超低畸變，消除球差相差各種差的能力極強(qiáng)，軟組織近圓形無(wú)級(jí)可調(diào)光圈（虹膜）。

距對(duì)焦能力強(qiáng)，最近對(duì)焦距離為5-10cm，微距細(xì)節(jié)分辨率為326像素/英寸（by Apple），雙攝像頭即時(shí)測(cè)距真3D，具有自動(dòng)輔湊功能。

大腦全適應(yīng)白平衡（其實(shí)白平衡的主要參照人腦的機(jī)制和結(jié)果）。

不同種感光元件的組合：人單眼視網(wǎng)膜上約有700萬(wàn)個(gè)錐體細(xì)胞，1億2千萬(wàn)桿體細(xì)胞。錐體細(xì)胞負(fù)責(zé)強(qiáng)光感知和顏色分辨，桿體細(xì)胞負(fù)責(zé)弱光感知，只能分辨明暗。兩種細(xì)胞的搭配極大地提高了人眼對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力和動(dòng)態(tài)感光范圍。

感官低噪聲：相對(duì)于傳感器，人眼中的可見(jiàn)噪聲很少。即使現(xiàn)在的成像技術(shù)能夠產(chǎn)生信噪比更好的圖像，但在噪聲形態(tài)和噪聲的可見(jiàn)性上，一直不如人眼。

人眼本身其實(shí)也有很多缺點(diǎn):

1 硬度低，易受損傷,在不衛(wèi)生環(huán)境下有受各種細(xì)菌病毒侵蝕染病的風(fēng)險(xiǎn),有因晶狀體蛋白質(zhì)變性而發(fā)生混濁的風(fēng)險(xiǎn) ,不能長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，需要不間斷濕潤(rùn)，不停地眨眼保持工作狀態(tài)（每一分鐘需要眨眼10~20次，每次0.2～0.4s[8]）,

有因過(guò)疲勞、衰老、遺傳因素等原因造成光學(xué)系統(tǒng)形變，產(chǎn)生在一定距離段上無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)焦的風(fēng)險(xiǎn)（近視在遠(yuǎn)端無(wú)法對(duì)焦，遠(yuǎn)視在近端（嚴(yán)重的甚至遠(yuǎn)端也）無(wú)法對(duì)焦） ,焦距基本固定(僅在對(duì)焦時(shí)發(fā)生小范圍變化)，不能進(jìn)行光學(xué)變焦放大物體由于遺傳，后天損傷，衰老等因素會(huì)造成透鏡形變或內(nèi)部折射率發(fā)生變化，可能導(dǎo)致不能準(zhǔn)確聚焦成像

2 結(jié)構(gòu)不合理

供能系統(tǒng)和數(shù)據(jù)線布局不合理,血管直接從表面通過(guò)，數(shù)據(jù)線直接占據(jù)感光原件的一部分，視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)如圖：

血管集中的部位就是盲點(diǎn)，中央部位就是我們的視覺(jué)中心區(qū)。視網(wǎng)膜的微觀結(jié)構(gòu)如圖：

可以看到，各種傳導(dǎo)信息的神經(jīng)細(xì)胞都在感光元件上方。然而，正是因?yàn)檫@個(gè)原因，我們才能真正看到它們。這導(dǎo)致了一些不良的成像artifact：

3 感光度方面的缺點(diǎn)：

感光度調(diào)高的過(guò)程比調(diào)低的過(guò)程緩慢得多。

4 解析力方面的缺點(diǎn)：

當(dāng)照度太強(qiáng)、太弱或背景亮度太強(qiáng)時(shí)，人眼的分辨率降低。當(dāng)視覺(jué)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度加快時(shí)，人眼的分辨率也會(huì)降低。人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨率比對(duì)亮度細(xì)節(jié)的分辨率要差，如果黑白分辨率為1，則黑紅為0.4，綠藍(lán)為0.19。

5 顏色方面的缺點(diǎn)：

人眼對(duì)飽和度高的顏色的敏感度較弱。

色調(diào)不同，人眼對(duì)色調(diào)方向上的色差的敏感度也不同。

在亮度方向上的色差敏感度也會(huì)隨著亮度的不同而發(fā)生變化。

在低光照條件下，色彩還原度較差。

此外，從生理上看，人的綠色視錐細(xì)胞和紅色視錐細(xì)胞非常接近，因此紅綠分辨能力相對(duì)較弱。在下一篇文章中，我們將介紹更多動(dòng)物的眼睛，許多動(dòng)物的眼睛對(duì)顏色的分辨率能力都比人類強(qiáng)。有一種假說(shuō)是紅色視錐細(xì)胞是由綠色視錐細(xì)胞變異而來(lái)。在人群中，有5%的人是色盲或者色弱，這被認(rèn)為是一種返祖性的病變。

人眼是一個(gè)復(fù)雜而精密的結(jié)構(gòu)，既有優(yōu)點(diǎn)又有缺點(diǎn)，而且是人類最主要的信息獲取途徑。了解人眼對(duì)于學(xué)習(xí)成像過(guò)程至關(guān)重要。下一次，我們將更新一些有趣的與動(dòng)物眼睛相關(guān)的信息。

本文參考了知乎文章的部分內(nèi)容

https://www.zhihu.com/question/26507130