出品：科普中国

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光机所光学硕士）

监制：中国科普博览

8月19日是世界摄影日，是全世界摄影师及摄影爱好者的节日。我们将镜头对准天、对准云、快门定格间，也对准心底的热爱。

你有没有发现，在天气晴朗的日子里，充足的阳光让整个世界都变得明亮绚烂。拿出手机想要记录下这一瞬间，却发现拍下来的天空一片惨白，蓝天没了，白云也淹没在白茫茫之中，这是为什么？

人眼看到的

相机拍到的

图源：作者自制

这个问题其实是由于自然环境的光照条件太复杂，而我们目前所使用的相机还不够“厉害”所导致的。

自然环境的光照条件非常复杂，明暗变化非常大。但人眼能够自动适应不同亮度的环境，因此在我们看来，外界环境的明暗变换似乎不是太剧烈。如果我们使用一个可以量化的单位来描述环境光的大小，就能从数字上更加直观地感受到亮度的差异。

勒克斯（符号是：lx），是照度的国际单位，它反应的是物体表面受到光照的强度大小。它用来表示环境的明亮度，是衡量拍摄环境的一个重要指标。在阴天，室外光照度能够达到大约20000lx，晴天室外则可以达到50000lx，办公室或者超市这种室内场所照度在300到1000lx之间；有月亮的夜晚，照度则仅有0.08lx左右。因此，从数值上看，不同环境的照度值差异会在数百倍到上万倍之间跳跃。

人眼是如何观察不同亮度的环境的？

人眼在观察不同亮度的环境时，能够实时根据环境亮度，调整进入视网膜光线的多少，使得人眼不论处在明亮或是昏暗的环境中，都能够看清楚。

人眼是不断运动的，当我们在调整注视位置的同时，也在重新感受外界环境的光照情况，然后调整瞳孔大小来控制进光量。当遇到非常明亮的环境时，人的瞳孔会适当缩小从而减小进光量，在昏暗环境中瞳孔则会放大以加大进光量。

人眼瞳孔

（图源：VEER图库）

人眼不仅能够利用瞳孔调节进光量，还能通过切换不同的视觉细胞来适应极暗的环境。在人眼中主要有两种视觉细胞：视锥细胞和视杆细胞。在白天，我们主要依靠视锥细胞，它们在感知光强的同时还能感知颜色，但到了晚上的极暗环境下，我们则会切换到视杆细胞接受光线，因为它们对光线更敏感，但缺点就是它们不能分辨颜色。

手机镜头是如何拍照记录不同亮度的环境的？

但与人眼不同，手机镜头就没有那么灵活了。手机镜头的镜片大小决定了进光量的多少，传感器决定了相机的感光灵敏度，在拍照时，手机算法是根据探测得到的外界光亮度数据，来自动决定曝光时间以及传感器的灵敏度的。在拍照时，手机相机是一次性记录下外界的环境的，但由于相机所能记录外部环境的照度范围是有限的，环境中太暗或者太亮的地方在照片里就会变成纯黑或是纯白，失去了大量细节，因此就出现了文章开头提到的蓝天白云百拍成照片变成了一片惨白——天空太亮了，超出了相机的感光上限。

与之相比，在实际中，在面对明暗反差大的场景时，人眼其实是通过改变注视的区域来看的，注视到亮的区域人眼会缩小瞳孔，注视到暗的区域人眼会扩大瞳孔。这是一个动态适应并接受信息的过程，自然人眼相对照片会保留更多的细节。

有一个专门的名词形容外界环境明暗差异的大小，能够让我们更加直观地理解人眼与相机的能力差异：动态范围。

动态范围是可变化信号（例如声音或光）最大值和最小值的比值。环境中，最亮处的照度与最暗处的照度之比叫做环境的动态范围。人眼也有一个感知环境的动态范围，是人眼能够探测的最大亮度与最小亮度之比；同样地，相机也有它自己的动态范围。这是购买相机时大家所关注的重要因素之一。那么，自然环境，人眼，相机，他们的动态范围各自有多大呢？看下图：

相机的动态范围相比于自然环境，相差了好几个数量级

（图片来源：作者自制）

得益于人眼强大的适应能力，我们能够适应自然环境中几乎所有的光照情况（直视太阳除外，建议不要尝试，这样会灼伤眼睛）。手机相机的动态范围相比起自然环境中的动态范围显得有些捉襟见肘。

怎样才能尽可能多地捕获真实场景的细节呢？

加大镜头直径是最为直接的方式，它能够扩大相机的进光量，有助于昏暗场景的记录，那么明亮场景呢？进光量太多也不行，需要再加一个能够调整进光量多少的光圈。再者就是使用灵敏度更高，感光范围也更大的传感器。

手机摄像头结构示意

（图源：VEER图库）

事实上，为了提高相机的动态范围性能，最为普遍的是利用图像处理技术在后期对图像进行处理。几乎每一个品牌的手机都搭载了叫做“HDR”（高动态范围成像）的图像处理技术。手机在拍照时如果开启HDR模式，每当我们点击一次拍照键，相机都会利用不同的感光度快速对同一场景拍摄多张明暗不同的照片，后期再利用算法将多张照片合成为一张照片，从而达到提高动态范围的目的。

HDR拓展动态范围原理

（图源：作者自制）

HDR例子

（图源：作者自制）

但是，HDR的实际效果也并不总是能达到理想状态，一些经过HDR算法处理的图片，会让人觉得不自然。

HDR处理效果不佳的照片

（图源：作者自制）

因此在实践中，摄影爱好者们在使用相机拍照时，一旦遇到明暗变化很大的场景时，大多都会通过调整相机的曝光度，将场景拍的稍稍暗一些，以此保留亮处的细节，通过后期调整图像尽可能地获得比较大的动态范围。同样地，手机在拍摄照片时，先点击一下屏幕，然后上下滑动也能够调整曝光，在明暗变化较大的环境中拍照时，稍稍拍暗一些，给后期调整留下更大的空间。

参考文献：

[1] Xu R .REAL-TIME REALISTIC RENDERING AND HIGH DYNAMIC RANGE IMAGE DISPLAY AND COMPRESSION[J].Dissertation Abstracts International, 2005.DOI:http://dx.doi.org/.

[2]wang Hawk HDR - 高动态范围成像

[3] Fattal R , Lischinski D , Werman M .Gradient Domain High Dynamic Range Compression[C]//Conference on Computer Graphics & Interactive Techniques.ACM, 2002.DOI:10.1145/566570.566573.

[4]赵凯华.新概念物理教程. 光学[M].高等教育出版社,2004.

[5]郝允祥,陈遐举,张保洲.光度学[M].中国计量出版社,2010.

来源: 中国科普博览

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