出品：科普中國
作者：海里的咸魚（中國科學院長春光機所光學碩士）
監制：中國科普博覽
8月19日是世界攝影日，是全世界攝影師及攝影愛好者的節日。我們將鏡頭對準天、對準云、快門定格間，也對準心底的熱愛。
你有沒有發現，在天氣晴朗的日子里，充足的陽光讓整個世界都變得明亮絢爛。拿出手機想要記錄下這一瞬間，卻發現拍下來的天空一片慘白，藍天沒了，白云也淹沒在白茫茫之中，這是為什么？
人眼看到的
相機拍到的
圖源：作者自制
這個問題其實是由于自然環境的光照條件太復雜，而我們目前所使用的相機還不夠“厲害”所導致的。
自然環境的光照條件非常復雜，明暗變化非常大。但人眼能夠自動適應不同亮度的環境，因此在我們看來，外界環境的明暗變換似乎不是太劇烈。如果我們使用一個可以量化的單位來描述環境光的大小，就能從數字上更加直觀地感受到亮度的差異。
勒克斯（符號是：lx），是照度的國際單位，它反應的是物體表面受到光照的強度大小。它用來表示環境的明亮度，是衡量拍攝環境的一個重要指標。在陰天，室外光照度能夠達到大約20000lx，晴天室外則可以達到50000lx，辦公室或者超市這種室內場所照度在300到1000lx之間；有月亮的夜晚，照度則僅有0.08lx左右。因此，從數值上看，不同環境的照度值差異會在數百倍到上萬倍之間跳躍。
人眼是如何觀察不同亮度的環境的？
人眼在觀察不同亮度的環境時，能夠實時根據環境亮度，調整進入視網膜光線的多少，使得人眼不論處在明亮或是昏暗的環境中，都能夠看清楚。
人眼是不斷運動的，當我們在調整注視位置的同時，也在重新感受外界環境的光照情況，然后調整瞳孔大小來控制進光量。當遇到非常明亮的環境時，人的瞳孔會適當縮小從而減小進光量，在昏暗環境中瞳孔則會放大以加大進光量。
人眼瞳孔
（圖源：VEER圖庫）
人眼不僅能夠利用瞳孔調節進光量，還能通過切換不同的視覺細胞來適應極暗的環境。在人眼中主要有兩種視覺細胞：視錐細胞和視桿細胞。在白天，我們主要依靠視錐細胞，它們在感知光強的同時還能感知顏色，但到了晚上的極暗環境下，我們則會切換到視桿細胞接受光線，因為它們對光線更敏感，但缺點就是它們不能分辨顏色。
手機鏡頭是如何拍照記錄不同亮度的環境的？
但與人眼不同，手機鏡頭就沒有那么靈活了。手機鏡頭的鏡片大小決定了進光量的多少，傳感器決定了相機的感光靈敏度，在拍照時，手機算法是根據探測得到的外界光亮度數據，來自動決定曝光時間以及傳感器的靈敏度的。在拍照時，手機相機是一次性記錄下外界的環境的，但由于相機所能記錄外部環境的照度范圍是有限的，環境中太暗或者太亮的地方在照片里就會變成純黑或是純白，失去了大量細節，因此就出現了文章開頭提到的藍天白云百拍成照片變成了一片慘白——天空太亮了，超出了相機的感光上限。
與之相比，在實際中，在面對明暗反差大的場景時，人眼其實是通過改變注視的區域來看的，注視到亮的區域人眼會縮小瞳孔，注視到暗的區域人眼會擴大瞳孔。這是一個動態適應并接受信息的過程，自然人眼相對照片會保留更多的細節。
有一個專門的名詞形容外界環境明暗差異的大小，能夠讓我們更加直觀地理解人眼與相機的能力差異：動態范圍。
動態范圍是可變化信號（例如聲音或光）最大值和最小值的比值。環境中，最亮處的照度與最暗處的照度之比叫做環境的動態范圍。人眼也有一個感知環境的動態范圍，是人眼能夠探測的最大亮度與最小亮度之比；同樣地，相機也有它自己的動態范圍。這是購買相機時大家所關注的重要因素之一。那么，自然環境，人眼，相機，他們的動態范圍各自有多大呢？看下圖：
相機的動態范圍相比于自然環境，相差了好幾個數量級
（圖片來源：作者自制）
得益于人眼強大的適應能力，我們能夠適應自然環境中幾乎所有的光照情況（直視太陽除外，建議不要嘗試，這樣會灼傷眼睛）。手機相機的動態范圍相比起自然環境中的動態范圍顯得有些捉襟見肘。
怎樣才能盡可能多地捕獲真實場景的細節呢？
加大鏡頭直徑是最為直接的方式，它能夠擴大相機的進光量，有助于昏暗場景的記錄，那么明亮場景呢？進光量太多也不行，需要再加一個能夠調整進光量多少的光圈。再者就是使用靈敏度更高，感光范圍也更大的傳感器。
手機攝像頭結構示意
（圖源：VEER圖庫）
事實上，為了提高相機的動態范圍性能，最為普遍的是利用圖像處理技術在后期對圖像進行處理。幾乎每一個品牌的手機都搭載了叫做“HDR”（高動態范圍成像）的圖像處理技術。手機在拍照時如果開啟HDR模式，每當我們點擊一次拍照鍵，相機都會利用不同的感光度快速對同一場景拍攝多張明暗不同的照片，后期再利用算法將多張照片合成為一張照片，從而達到提高動態范圍的目的。
HDR拓展動態范圍原理
（圖源：作者自制）
HDR例子
（圖源：作者自制）
但是，HDR的實際效果也并不總是能達到理想狀態，一些經過HDR算法處理的圖片，會讓人覺得不自然。
HDR處理效果不佳的照片
（圖源：作者自制）
因此在實踐中，攝影愛好者們在使用相機拍照時，一旦遇到明暗變化很大的場景時，大多都會通過調整相機的曝光度，將場景拍的稍稍暗一些，以此保留亮處的細節，通過后期調整圖像盡可能地獲得比較大的動態范圍。同樣地，手機在拍攝照片時，先點擊一下屏幕，然后上下滑動也能夠調整曝光，在明暗變化較大的環境中拍照時，稍稍拍暗一些，給后期調整留下更大的空間。
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