为什么相机不像我们的眼睛那样捕捉动态范围？

坐在没有照明的房间里，当我看着窗外时，即使我专注于外面的树，也可以轻松看到房间的内部。

为什么相机无法捕捉到与我的眼睛类似的图像？我认为较新的相机应该能够轻松捕获这么多的动态范围。我认为如果捕获了这么多的动态范围，显示就不会有问题，因为可以对其进行归一化。在数码相机中，我必须设置只能正确捕获外部场景或内部场景的曝光。

这只是数码相机的问题，还是胶卷相机的问题？

这里已经讨论了一个类似的问题，如何准确地捕捉我的眼睛所见的场景？。我不是在谈论分辨率，重点或细节。我对曝光或动态范围感兴趣，就像我们将眼睛固定在单个场景上一样。

之所以能看到如此大的动态范围，并不是因为作为一种光学设备的眼睛实际上可以捕捉到这样的范围-原因是您的大脑可以将来自眼睛的大量“曝光”信息融合在一起，在您面前创建HDR全景图。

从图像质量的角度来看，眼睛是相当差的，但是它具有很高的“帧频”，并且可以非常快速地改变灵敏度，方向和聚焦。

大脑从眼睛获取所有这些图像并创建您认为您看到的图像-这包括来自具有不同灵敏度的图像的细节，甚至包括完全根据您希望看到的图像组成的细节。（这就是为什么会有视错觉的原因之一-大脑可能会被愚弄成“看到”不存在的东西）。

因此，您可以像用眼睛一样用相机看到照片，只需在不同的设置下进行大量曝光，然后将所有内容加载到Photoshop中，创建HDR全景图，并使用“内容感知填充”来填补空白。

顺便说一句，为什么相机“应该”能够捕捉到那个范围而监视器却不能再现它呢？如果不存在的技术应该存在，那么监视器应该能够复制我们所看到的任何东西（我应该能够在月球上的低重力酒店度假）

与相机相比，您在传感器动态范围上可能没有一点优势，但是最重要的是拥有先进的自动曝光系统，扫视镜，HDR处理和可在多次曝光后持续存在的场景识别系统。人的大脑对视觉系统的重要性至少与眼睛一样重要。

呈现出具有非常高动态范围的场景，人类视觉系统需要花费一些时间来适应。那不是因为我们必须调整动态范围设置，而是因为我们需要分别分析场景的非常亮和非常暗的部分，然后将图像的重要部分粘合在一起。实际上，我们“看到”的很多东西都取决于已经知道那里有什么。我们可以使用很少的真实细节指示来填补空白（并且当我们没有足够的真实信息时，我们可以进行插值- 但并非总是正确地进行插值）。

要使相机（任何相机）都在该级别上运行，将意味着设计一个“知道”正在查看的内容的系统。我们已经可以使用各种HDR技术（在您的特定示例中，通常通过简单的遮罩从暗处中切出门框，并从亮处中插入明亮的版本中的遮罩）来制作“哑”版。当前的自动化过程完全基于亮度（因为它们无法分析含义或重要性），并且往往会产生明显的伪像。而且，如果您曾经看到尚未进行色调映射的原始32位HDR组合图像（本质上是仅通过增加传感器的动态范围就可以得到的那种东西），您可能会注意到图像非常“平坦”，缺乏局部和全局对比。知道什么是场景可以让我们进行映射，从而确定对比度在局部上的重要性。除非相机做出相同的决定，否则相机将无法产生看起来像您的大脑所见的图像。

这与大脑解释眼睛提供的信息的方式有关（换句话说，是软件而不是硬件）。

我们只能在视觉中心的狭窄区域内看到颜色和细节。为了建立我们感知到的详细的彩色图像，大脑在我们不知道的情况下移动了这个中心点。

我不是神经生物学家，但我有理由认为，由于大脑是由许多微小的快照组成这张更宽的照片，因此它也对亮度进行了归一化处理，从而产生了一个图像，尽管某些区域的面积很大，但各处的亮度几乎相同在现实中更光明。基本上，同时看到黑暗和明亮事物的能力是一种幻想。

没有理由不能用数码相机来模仿这种行为，也没有理由不能使传感器在单次曝光中具有更大的动态范围。实际上，富士制造的传感器具有超低感光度的光敏材料，可以捕获额外的高光细节。

问题归结为无法显示高动态范围图像。为了在标准的低动态范围监视器上显示此类图像，您需要执行一些称为“色调映射”的特殊处理，这有其自身的缺点。对于大多数消费者而言，高动态范围摄像机将变得更加麻烦。

摘要：

• 上帝使我们注视。

• 我们制造相机。

• 我们还没有赶上上帝。

• 但是，最好的摄像头大约可以满足您描述的要求。

• 有多种方法可以实现您想要的。您仅决定将它们定义为不是您想要的。那是你的选择。

在黑暗的房间中，窗户朝外部场景敞开的光线水平可能低至约0.1 lux（每平方米0.1流明）。在您描述的情况下，外部场景的光线水平可能在10到数千勒克斯之间。

在外部100 lux和内部0.1 lux时，比率为1000：1或动态范围的10位以下。许多现代相机可以区分在此范围两端正确设置的色调差异。如果树木的光线刚好使传感器饱和，那么您将在房间内使用大约4位的光线= 16个光线。因此您可以看到亮度最高的某种程度的细节，除了那个水平的光线是如此之低，以至于眼睛会感到麻烦。

如果树的光照水平为1000 lux（=日光的1％），则需要约13位的动态范围。最好的35mm全画幅相机可以解决这个问题。摄像机调整需要现场进行，房间内的色调信息大约为零。这种外部照明水平比夜间泛光照明的情况要高。

许多现代的中高端数码单反相机都具有内置的HDR处理功能，可以通过组合多个图像获得更大的动态范围。即使是2张图像的HDR照片也可以轻松适应您的场景。我的索尼A77提供最高+/- 6 EV 3帧HDR。这将提供超过20位的动态范围-在您的示例的顶端和底端允许非常充分的色调变化。

它是仅数码相机的问题，还是胶卷相机的问题？

至少到目前为止，还没有直接的答案触及到这个问题……是的，电影也很重要。例如，著名的富士Velvia彩色透明胶片的动态范围确实很烂（虽然色彩很棒！）通常，透明胶片会因此而受苦。另一方面，负片可以具有非常好的动态范围，大约和目前最好的数码相机一样好。不过，它的处理方式有所不同-尽管数字对光具有线性响应，但胶片往往会内置明显的“ S”对比度曲线。黑人和几乎黑人，白人和几乎白人，比中色调更多。

请记住，由于胶片照片通常最终会以墨水打印在白色背景上，因此对于想要首先捕获的动态范围没有太大的限制！捕获一个30档的动态范围，然后将其输出到...不管怎样，照相打印的原理是什么？五站？六？至少可以说，输出介质看起来很奇怪。我怀疑这是限制胶卷动态范围的化学因素的任何无法克服的障碍。我们不能做的不只是太多，而我们积极不想做的更多。

足以填满一本书的内容-但它的简单要点是，人眼可以对数地看到亮度，而相机则可以“线性地”看到亮度。

因此，如果您假设亮度从1到10000（随机选择的数字）的条件，在对数为10的情况下，人眼会看到亮度为0到5，而摄像机线性地看到的亮度是1到10000。由于噪声会干扰低测量值，而溢出会干扰高亮度测量值，因此很难覆盖大范围的传感器。话虽如此，我相信有一台RED相机可以记录18个动态范围的光圈-尽管不确定它只是原型还是生产模型。

顺便说一下，对数与线性的差异也是为什么亮度每增加一倍就会加倍或减半。

但这对于一个研究主题就足够了-因此，这只是一个简短的指示。

眼睛无法捕捉动态范围。它压缩动态范围，然后大脑中的“后处理”产生动态范围的错觉。压缩的动态范围是为什么您可以同时看到阴影和明亮区域的原因。可以说，“增益”在感知阴影的视网膜部分自动提高，使阴影变亮，并在视网膜看到亮区的地方减小。大脑仍然知道它正在看着阴影，因此会产生一种感觉，即那里很暗。可以说，正在对压缩数据进行某种扩展，以使您不知道动态范围已被压缩。

在原始动态范围内，数码相机中的传感器可以轻松胜过视网膜。问题在于您无法按区域控制曝光。相机具有全局的增益设置（通常在胶片术语中以ISO设置表示）。

可以这么说，眼睛的作用有点像在明亮区域同时使用“ ISO 100”，在黑暗区域同时使用“ ISO 800”。

如果相机可以根据亮度调整像素特定区域的增益，那无疑会很有用，但是我们从在后期处理中应用这种增益均衡效果可以知道，大脑并没有真正被它们愚弄。它看起来不自然。只有当您的眼睛与自己的大脑协调配合时，它才看起来很自然。

如果您给它机会，而不是提出照相机已经按照制造方式制造的明显原因，这是一个有趣的问题。

让我们考虑最接近的选项。色调映射是一种对RGBe图像的指数值应用低通滤波器的方法。这在眼睛如何看待事物中起很大作用。但是，让我们考虑一下，我们的眼睛正沉浸在冗长的图像中。它们比摄影机更像摄像机。

如果像GLSL着色器那样构建，并使用可以捕获恒定HDR图像流的专用摄像机实时运行的GLSL着色器，则可以大大改善色调映射。

在一个更简化的示例中，iPhone的“ HDR”照片是通过色调映射过程推送的低曝光和高曝光图像的合成，如果您没有尝试过，效果会很好。许多其他消费级相机也做类似的事情。

直觉/意图/自由意志将如何影响您的眼睛在时间流中的校准，这也是一个有趣的话题。如果您正在看一堵黑暗的墙壁，并考虑将头转向明亮的窗户，您的大脑可以告诉您的眼睛继续前进，并开始关闭您的瞳孔。具有自动曝光的相机可以执行相同的操作，但是只有在有太多的光线进入后才可以。在电影院工作的人会花费大量时间来使摄像机的设置定时平稳地流动，从而使他们在复杂的镜头中感觉自然（或照亮场景，而实际上不必调整摄影机的设置）。但是，这些事情起作用的唯一原因是导演在摄影机发生之前就知道摄影机将要发生的事情。

最大的问题是再现捕获的图像。

创建可在单个图像中捕获非常广泛的亮度级别的图像传感器和配置，也不在技术领域之外。最后，这只是光子计数的问题，而光子计数确实可以扩展到必要的水平。当前的相机主要使用曝光设置来调节传感器看到的亮度，尽管更多的工作可以在传感器中完成，这可能会导致更大的误差噪声，但是与光传感器相比，您当然可以得到更大的范围目前市场上有什么。

但是问题是这样的：一旦有了这张照片，您将如何处理？即使是高端显示器，也仍然使用24位颜色，这意味着每个颜色通道只允许256个阴影。当前的打印机也受到类似的限制，如果不是更大的话。因此，如果不先进行某些处理以将范围缩小到现有相机所能产生的范围，则实际上无法对此类图像进行任何处理。

您可能以前已经看过这个问题：大多数当前的RAW格式已经存储了比可以复制的范围更大的范围，并且在查看图片之前，必须先压缩或裁剪颜色范围。将更多范围添加到RAW输出将几乎相同。相机的价格可能会高得多，但图片却不会好得多，因为您仍然必须先将范围切成24位彩色，然后才能查看。

不过，也许有了合适的软件和合适的用户，您也许可以从中得到一些好处。这可能与当前的HDR摄影不太相似，但是您不必捕捉多张图像。