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“在太空中僅憑肉眼能否看到長(zhǎng)城”科學(xué)公案的由來(lái)，似乎要追溯到人類第一次進(jìn)入太空之日起。宇航員 “看到長(zhǎng)城” 的隨意一句話，立刻傳遍世界。在人們尤其是十幾億中華兒女心中扎下了根，而且根深蒂固。
在六年制小學(xué)語(yǔ)文課本第七冊(cè)課文《長(zhǎng)城磚》中有這樣一段文字:“一位宇航員神采飛揚(yáng)地說(shuō)，‘我在宇宙飛船上，從天外觀察我們的星球，用肉眼觀察出兩個(gè)工程:一個(gè)是荷蘭的圍海大堤，另一個(gè)就是中國(guó)的萬(wàn)里長(zhǎng)城！’”2000 年語(yǔ)文高考試卷要求閱讀理解的《長(zhǎng)城》一文中就如此表述:“外層空間能看到的地球上惟一的人工痕跡，就是你呵，長(zhǎng)城！”
這種說(shuō)法在國(guó)外也頗流行。美國(guó)出的麥片包裝盒上經(jīng)常寫(xiě)一些給小孩看的小知識(shí)，其中就有 “你知道中國(guó)的長(zhǎng)城是太空惟一肉眼可見(jiàn)的人造物嗎？” 甚至有人說(shuō)長(zhǎng)城是月球上惟一肉眼可見(jiàn)的人造物。
但無(wú)論在學(xué)術(shù)界還是民間，“肉眼看長(zhǎng)城” 始終存在爭(zhēng)議，而且長(zhǎng)久以來(lái)沒(méi)有定論；而西方宇航員在太空看到過(guò)長(zhǎng)城的說(shuō)法也從來(lái)沒(méi)有得到過(guò)證實(shí)。
1. 像素 & 分辨率
也許有人會(huì)問(wèn)，我們的眼睛最小能看到多細(xì)的物體呢？
有關(guān)研究資料說(shuō)，人的眼睛最小能看到0.02到0.01毫米粗細(xì)的小點(diǎn)。也就是1270到2540PPI。
以頭發(fā)來(lái)打個(gè)比喻吧！
我們的頭發(fā)大約是0.05毫米粗。在光線充足和視力非常好的條件下，且放置頭發(fā)的背景是白色情況下。在2米遠(yuǎn)應(yīng)該能看得到頭發(fā)的，你能在5米外看得到嗎？假設(shè)是剛好可以看得到吧！還是假設(shè)長(zhǎng)城處處都有10米寬！
則5X（10/0.00005）=100萬(wàn)米=1000公里，也就是說(shuō)在1000公里遠(yuǎn)處看到的長(zhǎng)城就象一根頭發(fā)線一樣。對(duì)于在340多公里高空飛行的航天器來(lái)說(shuō)，宇航員能看得到的長(zhǎng)城，0.00005（340000/10）=1.7，相當(dāng)于你看著1.7米遠(yuǎn)處的一根頭發(fā)而已。你說(shuō)有可能看得到嗎？
1.1. 什么是PPI
這個(gè)每英寸長(zhǎng)度上的像素?cái)?shù)個(gè)數(shù)叫做影像分辨率，簡(jiǎn)稱PPI（pixels per inch）。如每英寸長(zhǎng)度上有82個(gè)像素點(diǎn)，即用82PPI來(lái)表示。
攝像頭也和我們?nèi)祟惖膯蝹€(gè)眼睛一樣，當(dāng)然了，人單個(gè)眼睛左右有160度的視野范圍，上下有120度的視野范圍。而現(xiàn)在最大的超廣角數(shù)碼相機(jī)也很難達(dá)到這個(gè)范圍。據(jù)說(shuō)魚(yú)眼鏡頭相機(jī)的視角范圍可以達(dá)到220至230度。但無(wú)論是其視角有多大，在左右的長(zhǎng)度和上下的寬度方向上的比例是和人眼睛一樣的，即 160:120=4:3 。所以所成圖片的尺寸也是采用這個(gè)比例的居多，如:
也有采用16:9，如
更有采用3:2的呢！如
還有采用5:4的，如
當(dāng)然還有采用黃金分割系數(shù)的，即16:10=1.6:1=1:0.618，如
研究表明超過(guò)300ppi（像素點(diǎn)0.085毫米）人眼就察覺(jué)不出顆粒感。
當(dāng)圖片的分辨率大于顯示屏的分辨率時(shí)，顯示屏?xí)褕D片按比例相對(duì)的宿小。相當(dāng)于把圖片的兩個(gè)或多個(gè)像素在顯示屏上以一個(gè)像素顯示出來(lái)。所以我們的圖片分辨率越大，看到的圖片就越清晰細(xì)膩逼真。
2. CMOS: 像素的物理載體
CMOS是一種“特殊的半導(dǎo)體器件”，上面有很多微小光敏物質(zhì)感光元件，每個(gè)感光元都稱作一個(gè)像素（Pixel）。
也就是說(shuō)同一尺寸的CMOS，可以包含不同的像素。
很明顯CMOS有很多種尺寸：
一塊CMOS上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫(huà)面分辨率也就越高。
通過(guò)上面的論述，我們已經(jīng)明確了像素?cái)?shù)是指CMOS上感光元件的數(shù)量。
攝像機(jī)拍攝的畫(huà)面可以理解為由很多個(gè)小的點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。
顯然，像素?cái)?shù)越多，畫(huà)面就會(huì)越清晰，如果CMOS沒(méi)有足夠的像素的話，拍攝出來(lái)的畫(huà)面的清晰度就會(huì)大受影響，因此,理論上CCD的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。
但實(shí)際情況是，在同一個(gè)電視標(biāo)準(zhǔn)下（例如：高清格式），像素?cái)?shù)增加到某一數(shù)量后，再增加對(duì)拍攝畫(huà)面清晰度的提高效果變得不明顯。而且CMOS像素?cái)?shù)的增加會(huì)使制造成本。
CMOS能安裝的像素?cái)?shù)量有上限
CMOS片兒的尺寸限制了像素的數(shù)量。我們沒(méi)有見(jiàn)到1/4CMOS超過(guò)100萬(wàn)像素，1/3CMOS超過(guò)150萬(wàn)像素。
單位像素的大小
單位像素就越大，就可以收集更多的光線，提高了低照度、信噪比，有利于提高畫(huà)質(zhì)。
2.1. 工業(yè)相機(jī)vs 手機(jī)鏡頭
手機(jī)相機(jī)，例如2019年大賣的索尼IMax586，已經(jīng)達(dá)到了4800w像素，但其cmos尺寸不過(guò)1/2"。而工業(yè)相機(jī)的cmos尺寸是和手機(jī)差不多的，一般是1/3"或1/2"。那么為什么工業(yè)相機(jī)的像素低很多？
1.工業(yè)相機(jī)一般需要長(zhǎng)時(shí)間工作，發(fā)熱量不是手機(jī)那種小模塊能hold住的，然后就是鏡頭，機(jī)器視覺(jué)要求圖像畸變小，以及對(duì)不同像平面的物體放大率相同，還有較深的景深，這些手機(jī)鏡頭沒(méi)一個(gè)能滿足。
2.快門模式的不同。手機(jī)的相機(jī)全部是卷簾快門，價(jià)格便宜。而工業(yè)相機(jī)一般需要全局快門，所有在價(jià)格上會(huì)貴很多。
3.工業(yè)相機(jī)的幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)地高過(guò)普通相機(jī)。比如智能相機(jī)的30萬(wàn)像素照相機(jī)，能夠輕松達(dá)到兩百幀。
4.智能相機(jī)與普通相機(jī)光譜差異
智能相機(jī)通常情況下輸出的是裸數(shù)據(jù)信息，其光譜區(qū)域也往往較為寬，較為適用進(jìn)行高品質(zhì)的圖像處理算法 ，比如機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用。
5.掃描方式差異
智能相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝流程較為復(fù)雜，產(chǎn)出率低，銷售量少，并且價(jià)格比較貴 。
2.2. CCD 對(duì)比 CMOS
CMOS價(jià)格比CCD便宜，圖像質(zhì)量相比CCD來(lái)說(shuō)要低一些。
CMOS針對(duì)CCD最主要的優(yōu)勢(shì)就是非常省電，不像由二極管組成的CCD，CMOS 電路幾乎沒(méi)有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時(shí)才有電量的消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，這有助于改善人們心目中數(shù)碼相機(jī)是"電老虎"的不良印象。
CMOS主要問(wèn)題是在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而過(guò)熱。暗電流抑制得好就問(wèn)題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點(diǎn)。
2.3. 怎么看4800萬(wàn)的手機(jī)像素
自2018年以來(lái)，智能手機(jī)的攝像頭就開(kāi)始了新一輪的“數(shù)字大戰(zhàn)”——4000萬(wàn)像素、4800萬(wàn)像素、6400萬(wàn)像素……
早在2018年2月，我們就曾經(jīng)針對(duì)這種“超高像素風(fēng)潮”提出過(guò)疑問(wèn)，并認(rèn)為其在傳感器尺寸并未明顯增大的情況下，僅靠縮小像素尺寸（降低感光能力）換取名義上的更高像素，未必就能帶來(lái)相比大底大像素設(shè)計(jì)更好的畫(huà)質(zhì)水準(zhǔn)。
不要說(shuō)智能手機(jī)的小傳感器，就算是旗艦全畫(huà)幅單反的大底，由于傳感器的尺寸本身是固定的，增加像素?cái)?shù)量就必然意味著減小每個(gè)像素的感光面積，而這就必然帶來(lái)感光能力的下降，導(dǎo)致畫(huà)面出現(xiàn)更多噪點(diǎn)。如此一來(lái)，對(duì)于一般手機(jī)（相機(jī)）用戶來(lái)說(shuō)，他們會(huì)覺(jué)得更多的像素其實(shí)并沒(méi)有帶來(lái)更優(yōu)秀的畫(huà)質(zhì)；而對(duì)于那些有專業(yè)需求的用戶來(lái)說(shuō)，這更意味著設(shè)備投資的一種浪費(fèi)。
讓我們一起來(lái)開(kāi)一下腦洞：在面前放一塊毛玻璃、一塊正常的玻璃，大家都會(huì)覺(jué)得正常的玻璃“清晰度高”，而毛玻璃則是模糊的。毛玻璃為什么是模糊的？這是因?yàn)樗谋砻姘纪共黄健Ｈ欢?，如此一?lái)，問(wèn)題就來(lái)了——在我們?nèi)庋劭磥?lái)正常透光的透明玻璃，其表面就一定是完全平滑的么？
另一個(gè)層面——不是只有數(shù)碼感光元件才有“分辨率”，玻璃鏡片本身也有。
稍有物理常識(shí)的人都知道，玻璃的表面不可能完全平滑，只不過(guò)是我們的肉眼看不到那些細(xì)小的缺陷罷了?？墒牵绻麑⒉ＡУ拇笮】s小到芝麻那么大，將觀察它的對(duì)象從相隔幾十公分的肉眼、換成了相距幾毫米的，數(shù)千萬(wàn)像素的CMOS感光元件呢？
沒(méi)錯(cuò)，此時(shí)哪怕是表面上看起來(lái)再完美無(wú)缺的玻璃，其微觀結(jié)構(gòu)上的瑕疵、不必要的折射與反射等等，在CMOS看來(lái)都會(huì)被放大，成為阻礙透光率，降低實(shí)際成像清晰度的負(fù)面因素。如此一來(lái)，就意味著對(duì)于一個(gè)完整的相機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其鏡頭中所使用的透鏡都必須要進(jìn)行特殊的表面處理、有時(shí)甚至要運(yùn)用一些稀有材料來(lái)制造，以保證最終入射到CMOS表面的光學(xué)影像的清晰度要至少大于等于CMOS自身的物理分辨率，只有這樣，CMOS才不會(huì)相當(dāng)于是透過(guò)“毛玻璃”來(lái)拍照，其本身的感光元件分辨率才有意義。
2.4. 單反相機(jī) vs 微單
單反，即數(shù)碼單鏡頭反光相機(jī)（Digital Single Lens Reflex, DSLR）的反光板的去除已經(jīng)是大勢(shì)所趨。在膠片時(shí)代，由于存儲(chǔ)影象的介質(zhì)——膠片，在取景時(shí)必須嚴(yán)格保護(hù)不能漏光，而單反巧妙地利用反光鏡既解決了取景的視差問(wèn)題，又避免了膠片在取景過(guò)程中漏光。膠片時(shí)代，單反相機(jī)把相機(jī)技術(shù)推到了頂峰。然而，進(jìn)入數(shù)碼時(shí)代，情況有了根本性的變化——CCD不怕漏光。它既可以用來(lái)取景，也可以在清零后再用于成像，它的工作原理，決定了反光鏡取景不適合數(shù)碼攝影，在完全可以實(shí)現(xiàn)全電子化的數(shù)碼相機(jī)上，沒(méi)有必要再保留反光鏡。隨著電子取景技術(shù)的日臻完善，有朝一日，電子取景的清晰度與明亮度遲早會(huì)好到足以取代反光鏡。
所以，理論上來(lái)說(shuō)，單電相機(jī)可以擁有單反相機(jī)幾乎所有的一切優(yōu)點(diǎn)——畫(huà)質(zhì)更好、景深更大、可換鏡頭，唯一的對(duì)焦速度目前還不及單反，這是因?yàn)殡娮訉?duì)焦尚處于幼兒期，現(xiàn)在市售同等價(jià)位單電的畫(huà)面表現(xiàn)效果與單反相比還是太差了，等待需求一旦爆發(fā)，這類問(wèn)題肯定會(huì)迎刃而解，而單電的體積則是單反永遠(yuǎn)無(wú)法追趕的優(yōu)勢(shì)。
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