EXR技术揭密：更接近于肉眼所见的成像效果

【天极网数码频道】肉眼结构和数码相机

首先，简要解释肉眼结构。我们所看到的东西(光)通过虹膜调节，然后通过晶状体聚合到视网膜。通过调节晶状体的厚度来改变折射率，启用对焦功能。其由感光细胞和视网膜组成，当它产生电信号时，会根据接收光的长度辨别色彩和对比度。从感光细胞到神经元细胞的电信号传输过程包括要转为频率调制的信号，这些信号不容易受噪点影响。数据然后通过视神经传递至大脑的视觉皮质。

1：镜头 2：视网膜 3：虹膜和技术肉眼和技术

相反，数码相机是通过光圈调整拍摄对象(光)，然后通过镜头将其聚合到 CCD。通过前后移动定位镜头执行对焦功能，从而改变到 CCD 的距离。通过使用 RGB 色彩滤镜，CCD 可区分各种色彩，同时可识别明暗对比。然后通过A/D转换将此模拟数据转换为数字数据，最后，数据传输到图像处理引擎-信息处理中心。

1：镜头 = 晶状体 2：CCD = 视网膜 3：光圈 = 虹膜

1：镜头 2：CCD 3：光圈。

这种情况下，肉眼结构与数码相机十分相似。虹膜对应光圈，眼球的晶状体对应数码相机镜头，视网膜对应CCD，大脑的视觉皮质对应图像处理引擎。但是，无论数码相机的性能多高，都不可能超越人类肉眼的精密和处理复杂性。实际上，在此只是对肉眼的结构作简要阐述，实际远非如此。当然，我们将不断研究肉眼的工作原理，不断改进数码相机技术。

注

* 监督人：Hiroyuki Shinoda 博士

* 日本立命馆大学人类与计算机智能系教授

实现高分辨率影像的肉眼结构

肉眼的感光细胞由杆状细胞和锥状细胞组成，前者可在昏暗场景察觉明暗对比，而后者可在明亮的场景下察觉明暗对比。其中，锥状细胞的功能等同于数码相机的解析功能。

可以将锥状细胞分为三种类型，即，S锥状细胞(短波灵敏锥状细胞 = 短波长)，M锥状细胞(中波灵敏锥状细胞 = 中波长)和L锥状细胞(长波灵敏锥状细胞 = 长波长)。这些锥状细胞可根据波长的长度进行反应，功能类似于数码相机的 RGB 像素。锥状细胞集中在视网膜中心，每只眼睛大约 650 万个。可以这么认为，两只眼睛的信息处理能力相当于约 1300 万像素。尽管信息是通过视神经从眼睛传输到大脑，但是由于视网膜内集成了信息处理功能，他们将转换成每只眼睛大约120万像素的信息处理能力(严格来说，因为信息重复，两只眼睛就相当于大约200万)。

1：神经节细胞 2：感光细胞 3：杆状细胞 4：锥状细胞

EXR 光电二极管

因此，就具有“获取图像信息”能力的硬件来说，可以说可完全利用所有1200万像素的数码相机(=“精细捕捉技术”)其功能优于肉眼。但是，人类有集合所有信息的“大脑”，所以与相机相比肉眼却相差甚大。作为信息处理引擎，大脑有着非凡的性能，是数码相机可望不可及的。

尽管 EXR 不可堪比肉眼，但是其良好的灵活性可实现优良的处理性能，如优先锐度和在足够光照条件下捕捉拍摄对象的精细细节。此技术的发展得益于对肉眼结构的深入研究。

实现高感光度的肉眼结构

如前节所述，肉眼的感光细胞由杆状细胞和锥状细胞组成。杆状细胞可在昏暗场景下起重要作用。

1：双极细胞 2：锥状细胞 3：杆状细胞

杆状细胞具有超灵敏特性，甚至可发现单光子，每只眼睛据说有 12,0M个。尽管人们认为，明亮度是靠瞳孔的开闭调节(等同于相机镜头的光圈)，但是这只能针对在明亮的条件下。如果在昏暗场景下，瞳孔会放大，以摄取尽量多的光。而且，它的主要功能是将锥状细胞(明亮场景下时起主要作用)切换到杆状细胞(昏暗场景下起主要作用)。尽管杆状细胞具有很高的灵敏特性，但是与形成色彩视觉基础的锥状细胞不同，它不能察觉色彩，有着极低的感光度。因为当光量下降到一定程度时，有着察觉色彩特性的锥状细胞的功能大大降低，肉眼才会在昏暗的场景下会对色彩判断错误。

另一方面，虽然数码相机可产生“杂色”，但是它可以再现几乎相近的色彩。另外，当光条件十分微弱时，肉眼会连续的集成许多感光细胞(杆状细胞和锥状细胞)，重复地处理信息。特别是杆状细胞，许多感光细胞构成一个单细胞，通过降低察觉拍摄对象的精细度(分辨率)，提高感光度。EXR 的“像素联合技术”类似于与此结构的功能。

EXR 像素联合

实现扩大动态范围的肉眼结构

什么是人类感官的动态范围？实际上，昏暗条件下，肉眼能看见的算是六等星，而明亮条件下，肉眼能看见的可相当于太阳的明亮度。人们认为，明亮与昏暗的差异达10的8次方LX(= 10,0M 倍)。因此，由锥状细胞和杆状细胞组成的光传感器控制着肉眼的查看能力，它通过压缩由明亮物体发出的光，然后提高肉眼的感光度来看见昏暗的物体。

1：亮视觉 2：暗视觉

但是，是否能说肉眼可处理超大的动态范围？实际上，这并不是个简单的问题。人们不会在一个瞬间接收所有可见的信息。因为人的视觉要转换，捕捉信息的速率每秒平均三次，然后将信息传达至同步信息的大脑。例如，当一个人在看明暗对比的场景，肉眼会转换分别看昏暗和明亮的区域。当大脑将其组合时，此人将在现场同时“识别”清晰度。尽管视网膜可探测的光量范围广，但是就视觉的高对比度的某个瞬间，肉眼不能同时察觉该物体。