人眼的宽容度为何如此之高，而相机感光元件却做不出来？

人眼的宽容度为何如此之高，而相机感光元件却做不出来？

谢邀。不想看分析的可以直接拖到底看结论。

首先题主对人眼的能力有所高估。这里可以做一个简单的实验，取一张报纸或者一本书，放在明视距离上（大约距离人眼25cm位置），然后闭上一只眼睛，睁开的眼睛盯紧视野中央的字，同时感觉一下围绕中央这个字，上下左右各个方向最远能够看清楚几个字。一般情况下，字大的能够分辨出一两个，字小的看清楚三四个也差不多到达极限了。这个圈以外就是模糊的了，如果想要清晰辨认出周围到底是什么字，那么眼球就得转动一下，转向那个方向才行。因此，虽然我们眼球的视场角很大，但那仅仅是“看到”而已，能够“看清”的角度极小。

结论一：单幅图像中人眼能够看清的范围极小

这是为何呢？其实这是由眼球结构决定的。

图1 眼球结构示意图

图1中展示了人眼结构的示意图，其中视网膜上有个位置叫做黄斑。我们都知道人眼视网膜是由感光细胞所组成的，实际上感光细胞大致可以分为两类，一类叫做视杆细胞，另一类叫做视锥细胞。视杆细胞无法分辨细节，视锥细胞可以分辨细节。视锥细胞集中分布在一个特殊的位置，这个位置就叫做黄斑。

因此我们人眼看东西的时候，首先大范围视野中会囊括许多物体的轮廓，而只有视野中央是清晰的。人脑再控制眼球转动，将视野中心移动到我们感兴趣的位置去。

说句题外话，眼球追踪是一门专门的学问，例如通过实验测量打开一个网页时人眼视觉中心在网页上移动的轨迹和停留的时间，可以判断出哪些位置投放广告更有利；也可以通过测量视觉中心在人脸照片各个位置的停留时间，来判断人类的审美习惯等等。

所以说，只看一幅图像的话，眼球的表现未必比相机有优势。正如其他答主所提到的，牛逼的不是眼球而是大脑。眼球是有光强调节系统的，例如瞳孔，就类似于相机的光圈，眼球视野中心移动到每个位置，它都会努力迅速调节到舒适的入光量。同时大脑也会对连续采集的图像的亮度进行处理，这样一来，通过眼球的高速运动配合大脑的图像处理系统，一个流畅、平滑、舒适的视觉界面就这样产生了。说白了就是许许多多幅图像处理后拼接的结果，只不过这个过程极其迅速，我们意识不到罢了。

结论二：人眼优秀的成像结果是大脑处理和拼接的结果，单幅图像情况下对比相机并没有明显优势

计算机的图像处理系统同样也可以重复这个过程，不过要耗费巨大的计算量。我们在这里只讨论单幅图像的情况，相机为何在明暗差距较大的环境下难以同时分辨出细节呢？这还得从感光器件的原理说起。

我们都知道感光器件是一排排整齐分布的格子，可以想象成一口口深度相同的木桶。当光子飞过来的时候，就如同雨点掉进了木桶里，木桶会把这些雨水收集起来。所有的木桶在同一时刻打开井盖开始收集，然后又在同一时刻关闭。关闭之后，大家开始清点每个桶里有多少水，这就是最终这个点的光强。然后以阵列的形式显示出来，就是一幅图像了。

图2 相机感光器件原理示意图

这里面有几个概念。

外界雨量定下来的时候，有多大比例会进入房子（相机）里面呢？这就是由光圈决定的。

一个光子过来兑换成雨滴的时候，相当于多大一个呢？这就是ISO，所谓的感光度决定的，这个值越大表示对光线越敏感。比如ISO小的时候，一个光子相当于一滴水，大的时候就相当于一瓶水了。最后清点的只能是水量，因此ISO越大，填满水桶就越快。（高ISO会引起高噪声，不过这不是本题目讨论的重点，就不细说了。）

木桶开启和关闭之间间隔多长时间呢？这个好理解，就是曝光时间了。

插一句，这里反而可以看出一个相机比起人眼的优势来，那就是相机感光元件对光线是有积累作用的。在极暗的条件下，人眼盯着一个物体无论看多久，看不清就是看不清。而相机则不同，保持好稳定性，对准物体一直拍，时间足够长就能够拍出物体来。做摄影的朋友肯定对此深有体会。

回到正题，外界物体明暗差距比较大的时候，往往强光部分的木桶已经收集的差不多了，而弱光部分的木桶还没收集到几滴水呢。这时候把桶盖关闭了，自然就只能看清楚强光部分而不能看清楚弱光部分。如果将桶盖一直开启，或者调高ISO值，那么等到弱光部分的水井收集到差不多合适的水量的时候，强光部分的木桶早就满了，所以图像中强光部分就是一片白，什么也分辨不清，这就是过曝了。

结论三： 单幅图像来看，外界光强差异较大时，由于曝光量难以同时满足强光部分和弱光部分，因此明暗部分会出现难以同时清晰。

因此要解决这个矛盾，最直观能够想到的就是对每一口木桶单独调整光圈、ISO或者曝光时间。但是遗憾的是，我们一个也做不到。

难道此事就没有解决办法了吗？No No No，如果这样想，那就太小瞧人类的智慧了。

不就是无法同时满足强光和弱光部分所需的曝光量嘛？有一种解决思路就是HDR技术，通过不同曝光量对同一幅图像多次采集，然后使用算法融合，得到每个位置都看得清而且每个位置都不会过曝的图像。不过算法耗时比较久，而且拍摄时相机和物体绝对不能够有相对移动，否则就没法看了。

图3 HDR技术示意图

还有另外一种方案。前段时间，MIT刚做出了一款永远不会过曝的相机，叫做“余数相机”。说起来，这个项目的负责人之一是我大学同学呢，同为科研狗，看看人家都已经做出如此轰动的成果了，再看看自己，连SCI还没投出去呢。

余数相机的原理其实并不难理解。刚才我们提到，过曝的原因是弱光部分采集到差不多的时候，强光部分早就满了。余数相机就是在木桶满了之后直接对其强行重置为零，然后重新开始采集信息。如果把一口井的水量假设为1000，那么余数相机相当于最终结算水量的时候，结算的是总水量对1000的余数。这样一来，相机就永远不会过曝了。

图4 余数相机效果

有人可能会说，直接取余数，这样一来结算的时候岂不是有可能原本亮的地方暗下去了，原本暗的地方变亮了？而且还是会有些位置因为太暗而看不清楚？

的确如此，因此余数相机需要特定的算法来恢复图像，而不能够直接使用记录的图像。不仅在摄影领域，余数相机还可以应用在机器视觉中，帮助机器人连续采集图像时，获得更好的视觉效果。

我就不详细介绍他的成果了，有兴趣的可以自己看以下链接：

所以结论如下：

1.人眼清晰成像范围很小，优异的成像效果很大程度上归功于大脑。2.单幅图像来看，外界光强差异较大时，由于曝光量难以同时满足强光部分和弱光部分，因此明暗部分会出现难以同时清晰。3.解决此问题可以使用HDR技术或余数相机技术。