人眼与现代相机和镜头相比如何？

大多数摄影的目标是呈现一个类似于当时在场的人所见的场景。即使在此之外有意工作，人类的视觉也是事实上的基线。

因此，了解有关眼睛与我们的相机技术相比的知识似乎很有用。尽可能不考虑心理学，图案识别和色彩感知等问题（因为这是一个单独的问题！），人眼与现代相机和镜头相比如何？

有效的解决方案是什么？视野范围？最大（和最小）光圈？相当于ISO？动态范围？我们有等于快门速度的东西吗？

哪些结构直接类似于相机和镜头的部分（例如瞳孔和虹膜），哪些是人类特有的特征（或在相机中发现但在生物学上没有）？

与现代相机镜头相比，人眼真的很烂。

另一方面，人类视觉系统远远超越了任何现代相机系统（镜头，传感器，固件）。

• 人眼仅在中央锐利。实际上，它仅在一个非常微小的斑点（中央凹）中锋利，该斑点的直径小于我们总视角的百分之一。因此，我们出现了一些严重的拐角柔软性。

  但是，人脑能够对此进行纠正。它指示眼睛在整个场景中快速移动，以使中间的尖锐部分飞镖环绕。这样，大脑就具有了非常出色的体内图像稳定功能，因为它需要所有这些快速运动并将它们缝合在一起，以形成一个清晰的场景-好吧，至少眼睛在飞奔时落下的所有位都将变得清晰。

• 人眼对光非常敏感，但是在弱光下无法获得颜色信息。除此之外，中央（中央凹）的尖锐部分对光的敏感性较低。

  从技术上讲，这是因为眼睛具有三种颜色（红色，绿色，蓝色）的单独的感光体（称为视锥），而另一种不同类型的感光体（称为杆）仅捕获黑色和白色，但效率更高。

  大脑将所有这些东西缝合在一起，以在白天创建出色的全彩色图像，但是即使在真的非常黑的情况下，它也会呈现出所有杆所形成的柔软无色的图像。

• 眼睛只有一个透镜元件，并且以紫色条纹的形式产生可怕的色差。

  实际上，该边缘全部处于非常短的光波长中。人类的视觉系统对这些蓝色和紫色最不敏感。除此之外，它还可以纠正以几种方式存在的边缘。首先，因为人类视觉系统仅在中间清晰，所以色差最小。其次，因为我们的颜色分辨率（在中央凹处之外）比我们的亮度分辨率低得多，并且大脑在计算亮度时不会倾向于使用蓝色。

• 我们可以从三个维度看到。部分原因是因为我们有两只眼睛，大脑可以进行有关它们之间收敛的惊人计算。但是它比这还先进。除了从立体视觉中获得的“ 3D效果”之外，即使在观看场景的二维照片时，大脑也可以在三个维度上重建场景。这是因为它了解诸如遮挡，阴影，透视图和大小线索之类的线索，并使用所有这些线索将场景组合为3D空间。当我们查看长走廊的照片时，即使我们没有立体视觉，也可以看到走廊向我们延伸开了，因为大脑可以理解透视。

（在Wikipedia文章的帮助下）

我们的眼睛是2透镜系统，第一个是我们的外眼，第二个是我们内部的透镜。我们的眼睛具有大约22-24毫米的固定焦距。中心附近的分辨率比边缘附近的分辨率高得多。分辨率根据您在图像中的位置而有很大不同，但在中心区域大约为1.2 arcminutes /线对。我们有大约6-7百万个传感器，因此我们有6-7百万像素，但是它们有些不同。颜色检测器的图案不是很均匀，与外围视觉相比，中心的颜色检测功能不同。视场距离中心大约90度。

一个有趣的观点是，人眼永远不会形成完整的“快照”，而是更多的是连续的系统。很难说清楚这一点，因为我们的大脑非常擅长对此进行校正，但是我们的系统更多地是一种漏水的摄影方法，虽然有些但并不完全类似于数码摄像机。

通常选择“正常”镜头代表人类聚焦的主要区域，从而解释它们的差异。

相机具有不同种类的传感器，但是它们通常在传感器周围非常均匀地分布。传感器始终是平坦的（人的传感器是弯曲的），有可能导致边缘变形。很难以与人类视觉相同的格式来获得分辨率，并且在某种程度上取决于镜头，但是可以肯定地说，人眼在焦点中心具有更高的分辨率，而在周边区域则更低。

Pixiq在几天前发布了关于该主题的非常有趣的文章：http ://web.archive.org/web/20130102112517/http://www.pixiq.com/article/eyes-vs-cameras

他们讨论了ISO等效性，聚焦，光圈，快门速度等。这是有待讨论的内容，但阅读起来仍然很有趣。

眼睛本身是一种很好的技术，但是大脑在将各个部分组装在一起时会做很多工作。例如，我们可以感知到很大的动态范围，但这主要是由于大脑将不同区域组装在一起而我们却没有意识到。分辨率相同，眼睛在中心具有良好的分辨率，但其他地方的效果确实不佳。大脑为我们组装细节。对于颜色也一样，我们只在中心感知颜色，但是当大脑超出中心范围时，大脑会通过缓存颜色信息来欺骗我们。

让我再问一个问题：黑胶唱片的比特率和比特深度是多少？

相机是设计用于尽可能忠实地再现投影到其CCD上的图像的设备。人眼是一种进化的装置，其目的只是为了提高生存率。它非常复杂，并且通常会违反直觉。它们几乎没有相似之处：

• 用于聚焦光的光学结构
• 接受膜以检测投射的光

视网膜的感光器

眼睛本身并不显眼。我们有数百万个感光器，但它们为我们的大脑提供了多余的输入（同时又是模棱两可！）。棒状光感受器对光高度敏感（特别是在光谱的蓝色侧），并且可以检测单个光子。在黑暗中，它们在暗视的模式下运作良好。当它变得更亮时，例如在黄昏时，视锥细胞开始苏醒。锥细胞至少需要约100个光子才能检测光。在这种亮度下，杆状细胞和视锥细胞都处于活动状态，称为中视视觉。杆状细胞此时提供少量颜色信息。当它变亮时，杆状细胞饱和，不能再用作光探测器。这被称为明视觉，并且仅视锥细胞将起作用。

生物材料出奇地反射。如果不采取任何措施，穿过我们的感光器并入射到眼后部的光将以一定角度反射，从而产生扭曲的图像。这可以通过使用黑色素吸收光的视网膜最后一层细胞来解决。在需要出色夜视的动物中，该层是有意反射的，因此错过感光器的光子有机会在返回途中撞击它们。这就是猫有反射性视网膜的原因！

相机和眼睛之间的另一个区别是传感器的位置。在照相机中，它们直接位于光路中。在眼里，一切都是倒退。视网膜电路位于光和感光器之间，因此光子必须先穿过各种细胞和血管的层，然后才能最终击中杆或锥。这会使光线稍微扭曲。幸运的是，我们的眼睛会自动校准，因此我们不会被盯着一个鲜红的血管来回喷射的世界盯着！

眼睛的中心是所有高分辨率接收发生的地方，外围逐渐对细节越来越不敏感，而色盲越来越多（尽管对少量的光线和移动更加敏感）。我们的大脑通过以非常复杂的模式快速移动眼睛来处理此问题，从而使我们能够从世界上获得最大的细节。照相机实际上是相似的，但是它不是使用肌肉，而是以快速扫描模式依次采样每个CCD受体。此扫描远比我们的扫视运动快得多，但一次也仅限于一个像素。人眼速度较慢（并且扫描过程不是渐进且详尽的），但可以一次吸收更多。

视网膜中的预处理

视网膜本身实际上进行了大量预处理。单元的物理布局旨在处理和提取最相关的信息。

尽管相机中的每个像素都以1：1的比例映射要存储的数字像素（至少对于无损图像），但视网膜中的视锥细胞的行为却有所不同。单个“像素”实际上是一圈感光体，称为感受野。要了解这一点，需要对视网膜的电路有基本的了解：

主要成分是感光体，每个感光体连接到单个双极细胞，该双极细胞又连接到神经节，该神经节通过视神经到达大脑。神经节细胞从多个双极细胞接收输入，该双极细胞在一个称为中心环绕感受场的环中。圆环的中心与圆环的周围相反。激活中心的光会激发神经节细胞，而激活周围的光会抑制神经节细胞（位于中心的非周围场）。也有神经节细胞被逆转（偏心，环绕）。

该技术可极大地改善边缘检测和对比度，从而牺牲了过程的敏锐度。但是，感受野之间的重叠（单个感光体可以充当多个神经节细胞的输入）使大脑可以推断出所见。这意味着进入大脑的信息已经被高度编码，以至直接连接到视神经的脑机接口无法产生任何我们可以识别的信息。之所以这样编码，是因为正如其他人所提到的，我们的大脑提供了惊人的后处理能力。由于这与眼睛没有直接关系，因此我将不对其进行详细说明。基本原理是大脑先检测出各个线（边缘），然后检测其长度，然后检测其运动方向，然后分别检测皮层的较深区域，腹侧流和背侧流，分别用于处理高分辨率的颜色和运动。

在中央凹是眼睛的中心，正如其他人所指出的那样，是大多数我们的视力的来源。它仅包含视锥细胞，并且与视网膜的其余部分不同，它确实与我们看到的图像具有1：1的映射。单个锥体感光体连接到单个双极细胞，单个双极细胞连接到单个神经节细胞。

眼睛的规格

眼睛并非设计成相机，因此无法以您喜欢的方式回答许多这些问题。

有效的解决方案是什么？

在相机中，精度相当统一。外围与中心一样好，因此以绝对分辨率测量摄像机很有意义。另一方面，眼睛不仅是矩形，而且眼睛的不同部分以不同的精度看到。代替测量分辨率，通常以VA来测量眼睛。平均为20/20 VA。20/200 VA使您在法律上视而不见。另一个度量是LogMAR，但这并不常见。

视野范围？

考虑到两只眼睛，我们有210度的水平视野和150度的垂直视野。在水平面115度能够双目视觉。但是，只有6度才能为我们提供高分辨率的视野。

最大（和最小）光圈？

通常，瞳孔直径为4毫米。其最大范围是2毫米（f / 8.3）至8毫米（f / 2.1）。与相机不同，我们无法手动控制光圈来调整曝光等功能。眼后的一个小神经节，睫状神经节根据周围的光线自动调节瞳孔。

相当于ISO？

您无法直接测量这一点，因为我们有两种感光体类型，每种类型具有不同的灵敏度。至少，我们能够检测到单个光子（尽管不能保证光子撞击我们的视网膜会撞到棒状细胞）。此外，凝视10秒钟不会获得任何收益，因此额外的曝光对我们几乎没有任何意义。因此，ISO并不是达到此目的的好方法。

根据天文摄影师的估算，白天的ISO可能低至500-1000 ISO，但白天的ISO却低至1。

动态范围？

眼睛本身的动态范围是动态的，因为暗视，中视和近视视觉会发挥不同的作用。这在“人眼的动态范围与数码相机的动态范围相比如何？”中似乎得到了很好的探索。。

我们有等于快门速度的东西吗？

人眼更像一台摄像机。它可以立即吸收所有东西，进行处理，然后将其发送到大脑。它与快门速度（或FPS）最接近的等效项是CFF或临界融合频率，也称为闪烁融合率。这被定义为过渡点，在该过渡点处，时间频率不断增加的间歇光会混合成单个固体光。CFF在我们的外围较高（这就是为什么有时您只能间接看旧荧光灯泡的闪烁的原因），而在明亮时则更高。在明亮的光线下，我们的视觉系统的CFF约为60。在黑暗中，它的CFF可以低至10。

不过，这还不是全部，因为其中很大一部分是由于大脑的视觉持久性引起的。眼睛本身的CFF较高（虽然我现在找不到源，但我似乎还记得它在100的数量级上），但是我们的大脑会模糊在一起以减少处理负荷并给我们更多时间分析瞬态刺激。

试图比较相机和眼睛

眼睛和相机的用途完全不同，即使它们看起来表面上是做同样的事情。相机是根据使某些类型的测量变得容易的假设而有意构建的，而没有这样的计划对眼睛的进化起作用。