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zhangyu8_0000
| 来自北京
9/2/16 更新：补充了神经元增益控制的实例。
人的视觉动态范围大，主要实现机制是在视觉系统各层级灵活的增益控制（gain control）。
具体机制写起来可能会比较长，这里先试图讲明白问题的实质究竟是什么。
@韩磊的回答 认为相机动态反应的范围主要受显示屏显示能力的限制，未必全错，但是没有说到点子上。显示屏的响应范围足够了。一个很简单的道理：
人的视觉系统处理图像是用神经元的电信号活动。不论外界光源的绝对亮度范围如何，一进入眼睛打到视网膜上，视网膜上的视觉细胞的响应范围大概只有10~400赫兹这个数量级[2]。所以问题完全不在显示媒介的绝对亮度上，而是在于图像不同位置之间亮度的对比。
上面不清楚的话没关系，我们来看一个例子[1]。你手机的照相机可能有HDR(High Dynamic Range)这个功能，它是用来干嘛的？
上图中，上面的大图是一个“人眼中的自然场景”；下面的三幅小图分别是曝光短，中，长时间的显示效果。HDR就是通过结合不同曝光时间的图片来获得较为自然的综合图像的。
显然，你的显示屏是足够表现这个场景的，否则大图就不会看起来那么“正常”了。那么为什么下面的三幅图看起来那么“失真”呢？
答案是我们看到的图像，从来都不是“忠于”自然界光线亮度的。下面的三幅图，每一张都比上面的更“正确/自然”，因为它们忠实的反映了视野中每个点的绝对亮度比值（当然纯白和纯黑部分就是超过绝对响应范围了，但是这个不是决定性因素）。
正是因为人脑视觉系统各级（从最底层的视网膜开始！）对外界光线的加工，才使得我们实际看到的视觉经验中的场景像上图中的大图一样，每个区域最终在视觉上都表现出合适的对比度，尽管场景中最亮和最暗的部分绝对光强的差异远超神经元活动本身的响应范围。
1. 视网膜
视网膜的输出细胞：视网膜神经节细胞(Retinal Ganglion Cell)对同样强度的光线的反应取决于视野中光的强度。在视野中平均亮度高的区域，增益减小；平均亮度低的区域，增益增加。
2. 外侧膝状体(lateral geniculate nucleus, LGN)
光线激活视网膜细胞后，视觉处理系统的下一层是LGN。视网膜已经基本完成了对亮度的调节，并有一定的对比度调节。LGN则进一步调节了对比度。如下图：
图中灰色部分显示了麻醉中猫的LGN细胞的对图下方所示刺激的反应。在图A中，对比度被设定为固定值，而整体亮度突然增加。图B中则维持了固定的平均亮度，而突然增加对比度。红色虚线是一个没有增益控制的简单模型做出的预测，当亮度或对比度突然增强时，模型反应增强。而事实上，灰色山峰的高度（即LGN对刺激的反应水平）并没有增加那么多。
暂时写到这里。以此为例，我想原则已经清楚了：视觉系统中的神经元并不是直接响应环境中的绝对亮度或对比度，而是通过增益控制将其反应限制在神经元本身的动态范围内。
[1] 图片来源：
File:HDR image + 3 source pictures (Cerro Tronador, Argentina).jpg
[2] Bethge, M., & Kayser, C. (2007). Do We Know What the Early Visual System Computes? J. Neurosci., 25(46), 10577–10597. |
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