從成像的角度來看，人眼并不是一臺完美的相機。但是在大多數情況下，當我們設計針對視覺、特別是消費者的彩色成像相機時，設計師的一個默認對比就是人眼（主觀結果）。這些年隨著技術的發展，越來越多的相機展示了從夜景到變焦等各種超越人眼的攝像頭產品和功能。但是又總有各種客戶反饋每個產品在這里或那里不如人眼。這使得一個全面超過人眼的相機依然是很多產品的追求。
想要做一個能夠整體超過人眼的相機，首先我們需要分析眼睛到底是一個什么樣水平的相機呢？
首先，從結構和功能上理解眼睛。對于一架攝像機或照相機，人眼的結構是由角膜、晶狀體、前房后房、玻璃體所共同組成的具備鏡頭功能的組合。它把物體發出的光成的像投影到后面的相當于sensor/膠卷的用于檢測光線的視網膜上。
(資料圖片僅供參考)
角膜是一直徑為11mm的透明膜，鑲嵌于鞏膜前面圓孔內，其中央部的曲率半徑為8mm，周邊部比較平坦。角膜的屈光指數為1.376，為眼球的主要曲光媒質。
晶狀體為一形似雙凸透鏡的透明組織，由小帶纖維懸掛于瞳孔后面，睫狀肌收縮時小帶松弛，晶狀體依靠其本身的彈性而變厚，前后表面的曲度增加，整體屈光度增加，利于看清近處物體，稱為調節。在角膜和水晶體之間為虹膜，中間開有一個可以自動控制大小的孔，讓適當的光線進來，稱為瞳孔。
前房和后房是存在于角膜和晶狀體之間，以及虹膜和晶狀體周邊部之間的空隙，充滿著房水。房水的主要功能是維持眼內壓，并維持晶狀體的代謝。
玻璃體是一透明膠樣組織，充填于視網膜內的空間。它占眼球容積的4/5。玻璃體具有保護視網膜和緩沖震動的功能。
視網膜是接近黑的深紅色，反光很弱，其上面布滿感光細胞。正對眼球中心有一個直徑約2mm的黃色區域（折合6度視角），稱為黃斑。黃斑中心有一個小凹，稱為中央凹，面積約為1平方毫米。
視網膜上有兩種感光細胞：視錐細胞和視桿細胞。它們均以外表形狀命名。一只眼睛里面大約分別有700萬個視錐細胞和1億2千萬個視桿細胞。視錐細胞像玉米的錐形，尖向外，只對較強的光敏感，至少有分別感覺紅、綠、藍三種顏色的視錐細胞存在，因此能夠感知顏色。視桿細胞只有一種，因此沒有顏色感覺，但是靈敏度非常高，可以看到非常暗的物體。視錐細胞在黃斑里面非常集中，尤其是在中央凹里面最為密集，是產生最清晰視覺的地方。視桿細胞恰好在黃斑里面最少，除此之外分布比較均勻，在距離中心10-20度的范圍內相對集中。
從關鍵參數的角度來看：
像素分辨率目前科學界公認的數據表明，觀看物體時，人能清晰看清視場區域對應的分辨率為2169X1213。再算上上下左右比較模糊的區域，人眼分辨率是6000X4000。
當然還有其他評價分辨率的方法：
PPD（Pixels Per Degree）角分辨率，指視場角中的平均每1°夾角內填充的像素點的數量。這其實更多用在顯示上，而不是相機。PPD數值越大，就說明對細節的顯示越精細，用戶對顯示畫面的感受就越清晰。
標準視力1.0的最小分辨角為1/60度，因此每視野角度60個像素點，即60PPD，便達到人眼極限。視力越好，最小分辨視角α越小，達到極限所需的PPD就越大。下面這張表格表示了不同視力下的視覺PPD。
超高動態范圍
在動態感光范圍內，人眼有以下優勢：
局部調節細胞亮度調節，光強信號的記錄是模擬的，不存在二進制數位數的限制。
可以根據場景調整動態范圍。
結合人眼的快速亮度和注意力機制，在場景內通過快速切換注意力，實際上可以獲得更大動態范圍，但這很難評估。因此只能從人眼觀察物體的實際情況進行計算。
從刺目的陽光到星光之間整整相差了10^8數量級，也就是一億倍。計算一下Log2 10^8=26.6。用攝影的語言講，光線的動態范圍應該在27EV這個數量級，實際上因為不同場景下人眼感光度不同，動態范圍普遍認知在120DB到180DB之間。
高數據帶寬
網上找到一個例子：7680×4320超高清晰分辨率的未經壓縮的18分鐘超高清視頻大小為3.5TB，平均每分鐘194GB。按照這個數據量，每分鐘經過人眼的數據量約為140.34GB。也就是說，平均打一個小時的XBOX360，將有8420.4GB的數據被傳導到大腦。這些數據如果刻成藍光光碟，需要337張！如果把人眼想象成一個高清攝像頭，它的總線帶寬為2.339GB/秒。
人眼的最大ISO
在黑夜中，人眼的ISO會達到最大值約15000，這是科學家根據市面上有售的最低的ISO 25的膠片，乘以人眼最亮和最暗時感敏度相差600倍的系數而計算出來的。如果拿時下數碼相機以100起跳來計算，那這數值就是60000了！
顏色和位寬
從某種程度上說，顏色是一個復雜的問題。一般認為，人類肉眼最多能分辨1000萬種顏色。以8bit位寬SRGB顏色空間為例，圖像的每個像素由3個組成顏色通道的成分組成，分別是RGB（紅，綠，藍）。每個通道所需的顏色位深度為8位，總共為24位。24位顏色，總共有16,777,216種組合（2的24次方）。這遠遠超過了人類肉眼所能分辨的1000萬種顏色。但事實上，人眼是個模擬系統。
顏色范圍
從下面的圖像來看，人眼的顏色感覺范圍是一個馬蹄型投影，而SRGB的范圍其實只是人眼顏色的很小一部分。即使使用ProPhoto RGB也無法完全表達所有顏色。如果需要表達所有顏色，可能還需要使用XYZ的顏色空間。
(2) 精度
這部分可靠的數據比較少，但是基于HDR10的一些資料表明，在SRGB和ARGB的顏色范圍內，配合適當的調試12位深度就可以滿足人眼的基本無損感受。不過，如果換到XYZ顏色空間，可能需要更大的位深。另外，考慮到動態范圍以及顏色和亮度之間的關系，顏色的位深也可能還需要更大。
幀率：
對于運動物體的識別，幀率較低，一般認為人眼視覺流暢的幀數為24fps。但是人眼確實能夠分辨率更高幀率畫面，雖然不代表完全記錄了信息。目前，從顯示領域中常見的認為，人眼在140~150fps上還能有一定的分辨能力。
不過，人眼在嘗試分辨高幀率圖像間內容的時候容易疲勞，且拖影現象也比較嚴重。
基本光學參數：
曲率半徑 r = 5.7mm介質折射率 n = 1.3333視網膜曲率半徑 r" = 9.7mm
FOV和視野：
FOV：單眼156°雙眼188°
視野：
如圖所示，為雙眼視度圖。
角xyz實際上就是被鼻子擋住的位置，全部白色的范圍實際上就是人眼的盲區，除了可以看到自己的鼻子和眼眶。角cyg這個范圍內觀看到的事物有立體感。人單眼的舒適視域為60度。
光圈:
一個順滑可調節的強光光圈為f/8.3，低光光圈為f/2.1（對應2mm-8mm的瞳孔大小）。
焦距:
焦距方面，基本無法調節,所以人眼基本沒有辦法進行光學變焦.
人眼前面等效于一個比較理想的定焦鏡頭，可以計算出以下參數：
物方焦距f = -5.7 / 0.3333 = -17.10mm，
像方焦距f" = 1.3333 x 17.10 = 22.80mm，
像方光焦度φ = 0.3333 / (5.7 x 10-3) = 58.48。
不過人眼能夠利用3D距離,輔湊系統,以及來自大腦的AI能夠快速對焦,基本不會出現拉風箱的情況.
此外人眼還有以下優點：
出色的轉動機械系統，可以快速對準想要觀察的物體。軟組織肌肉拉伸形變對焦，耐用性極強，正常使用時間可超過百年！微損傷自修復。
單眼156度，雙眼188度超廣角單透鏡鏡頭，數億年進化傾情打造的透鏡面，超低畸變，消除球差相差各種差的能力極強，軟組織近圓形無級可調光圈（虹膜）。
距對焦能力強，最近對焦距離為5-10cm，微距細節分辨率為326像素/英寸（by Apple），雙攝像頭即時測距真3D，具有自動輔湊功能。
大腦全適應白平衡（其實白平衡的主要參照人腦的機制和結果）。
不同種感光元件的組合：人單眼視網膜上約有700萬個錐體細胞，1億2千萬桿體細胞。錐體細胞負責強光感知和顏色分辨，桿體細胞負責弱光感知，只能分辨明暗。兩種細胞的搭配極大地提高了人眼對環境的適應能力和動態感光范圍。
感官低噪聲：相對于傳感器，人眼中的可見噪聲很少。即使現在的成像技術能夠產生信噪比更好的圖像，但在噪聲形態和噪聲的可見性上，一直不如人眼。
人眼本身其實也有很多缺點:
1 硬度低，易受損傷,在不衛生環境下有受各種細菌病毒侵蝕染病的風險,有因晶狀體蛋白質變性而發生混濁的風險 ,不能長時間暴露在空氣中，需要不間斷濕潤，不停地眨眼保持工作狀態（每一分鐘需要眨眼10~20次，每次0.2～0.4s[8]）,
有因過疲勞、衰老、遺傳因素等原因造成光學系統形變，產生在一定距離段上無法準確對焦的風險（近視在遠端無法對焦，遠視在近端（嚴重的甚至遠端也）無法對焦） ,焦距基本固定(僅在對焦時發生小范圍變化)，不能進行光學變焦放大物體由于遺傳，后天損傷，衰老等因素會造成透鏡形變或內部折射率發生變化，可能導致不能準確聚焦成像
2 結構不合理
供能系統和數據線布局不合理,血管直接從表面通過，數據線直接占據感光原件的一部分，視網膜結構如圖：
血管集中的部位就是盲點，中央部位就是我們的視覺中心區。視網膜的微觀結構如圖：
可以看到，各種傳導信息的神經細胞都在感光元件上方。然而，正是因為這個原因，我們才能真正看到它們。這導致了一些不良的成像artifact：
3 感光度方面的缺點：
感光度調高的過程比調低的過程緩慢得多。
4 解析力方面的缺點：
當照度太強、太弱或背景亮度太強時，人眼的分辨率降低。當視覺目標的運動速度加快時，人眼的分辨率也會降低。人眼對彩色細節的分辨率比對亮度細節的分辨率要差，如果黑白分辨率為1，則黑紅為0.4，綠藍為0.19。
5 顏色方面的缺點：
人眼對飽和度高的顏色的敏感度較弱。
色調不同，人眼對色調方向上的色差的敏感度也不同。
在亮度方向上的色差敏感度也會隨著亮度的不同而發生變化。
在低光照條件下，色彩還原度較差。
此外，從生理上看，人的綠色視錐細胞和紅色視錐細胞非常接近，因此紅綠分辨能力相對較弱。在下一篇文章中，我們將介紹更多動物的眼睛，許多動物的眼睛對顏色的分辨率能力都比人類強。有一種假說是紅色視錐細胞是由綠色視錐細胞變異而來。在人群中，有5%的人是色盲或者色弱，這被認為是一種返祖性的病變。
人眼是一個復雜而精密的結構，既有優點又有缺點，而且是人類最主要的信息獲取途徑。了解人眼對于學習成像過程至關重要。下一次，我們將更新一些有趣的與動物眼睛相關的信息。
本文參考了知乎文章的部分內容
https://www.zhihu.com/question/26507130
