谎言: “太空能看到的惟一的人工痕迹，长城！”

Posted 2020-12-13 brt2

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• 1. 从PPI分析问题
  • 1.1. 什么是PPI
  • 1.2. 像素点里面还有些什么？
• 2. CMOS: 像素的物理载体
  • 2.1. 怎么看4800万的手机像素
• 3. CCD 对比 CMOS

“在太空中仅凭肉眼能否看到长城”科学公案的由来，似乎要追溯到人类第一次进入太空之日起。宇航员 “看到长城” 的随意一句话，立刻传遍世界。在人们尤其是十几亿中华儿女心中扎下了根，而且根深蒂固。

在六年制小学语文课本第七册课文《长城砖》中有这样一段文字:“一位宇航员神采飞扬地说，‘我在宇宙飞船上，从天外观察我们的星球，用肉眼观察出两个工程:一个是荷兰的围海大堤，另一个就是中国的万里长城！’”2000 年语文高考试卷要求阅读理解的《长城》一文中就如此表述:“外层空间能看到的地球上惟一的人工痕迹，就是你呵，长城！”

这种说法在国外也颇流行。美国出的麦片包装盒上经常写一些给小孩看的小知识，其中就有 “你知道中国的长城是太空惟一肉眼可见的人造物吗？” 甚至有人说长城是月球上惟一肉眼可见的人造物。

但无论在学术界还是民间，“肉眼看长城” 始终存在争议，而且长久以来没有定论；而西方宇航员在太空看到过长城的说法也从来没有得到过证实。

1. 从PPI分析问题

也许有人会问，我们的眼睛最小能看到多细的物体呢？

有关研究资料说，人的眼睛最小能看到0.02到0.01毫米粗细的小点。也就是1270到2540PPI。

以头发来打个比喻吧！

我们的头发大约是0.05毫米粗。在光线充足和视力非常好的条件下，且放置头发的背景是白色情况下。在2米远应该能看得到头发的，你能在5米外看得到吗？假设是刚好可以看得到吧！还是假设长城处处都有10米宽！

则5X（10/0.00005）=100万米=1000公里，也就是说在1000公里远处看到的长城就象一根头发线一样。对于在340多公里高空飞行的航天器来说，宇航员能看得到的长城，0.00005（340000/10）=1.7，相当于你看着1.7米远处的一根头发而已。1(340/10)=34(公里)，也就是说和你看着34公里远处有个1米高的小孩子一样。你说有可能看得到吗？

1.1. 什么是PPI

这个每英寸长度上的像素数个数叫做影像分辨率，简称PPI（pixels per inch）。如每英寸长度上有82个像素点，即用82PPI来表示。

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摄像头也和我们人类的单个眼睛一样，当然了，人单个眼睛左右有160度的视野范围，上下有120度的视野范围。而现在最大的超广角数码相机也很难达到这个范围。据说鱼眼镜头相机的视角范围可以达到220至230度。但无论是其视角有多大，在左右的长度和上下的宽度方向上的比例是和人眼睛一样的，即 160:120=4:3 。所以所成图片的尺寸也是采用这个比例的居多，如:

• 15万像素480X320=153600
• 20万像素640X320=204800
• 30万像素640X480=307200
• 50万像素800X600=480000
• 80万像素1024X768=786432
• 100万像素1140X900=1026000
• 130万像素1280X960=1228800
• 200万像素1600X1200=1920000
• 300万像素2048X1536=3145728
• 500万像素2576X1932=4976832
  或2592X1944=5038848
  或2560X1920=4915200
• 800万像素3264X2448=7990272
• 1000万像素3648X2736=9980928
• 1200万像素4000X3000=12000000
• 1400万全线4228X3264=13800192

也有采用16:9，如

• 900万像素4000X2256=9024000

更有采用3:2的呢！如

• 600万像素3000X2000=6000000
• 1100万像素4000X2664=10656000

还有采用5:4的，如

• 130万像素1280X1024=1310720

当然还有采用黄金分割系数的，即16:10=1.6:1=1:0.618，如

• 100万像素1280X800=960000

1.2. 像素点里面还有些什么？

像素组成的图像叫位图或者光栅图像，点阵图，像素图形，网格图（光栅一词源于模拟电视技术，我们的电视信号就是模拟信号）。

在一般情况下，像素是一块正方形，带有高度、色调、色相、色温、灰度等的颜色信息，一定数量的颜色有别的正方形小块排列组合，用以表示一幅点阵图像，也就是位图图像。通过数码相机拍摄、扫描仪扫描或位图软件输出的图像都是位图。

一张位图，颜色信息越是丰富，则图片的容量就越大。在光线充足的环境下所得的图片，其容量往往都很大。

研究表明超过300ppi（像素点0.085毫米）人眼就察觉不出颗粒感。

当图片的分辨率大于显示屏的分辨率时，显示屏会把图片按比例相对的宿小。相当于把图片的两个或多个像素在显示屏上以一个像素显示出来。所以我们的图片分辨率越大，看到的图片就越清晰细腻逼真。

2. CMOS: 像素的物理载体

CMOS是一种“特殊的半导体器件”，上面有很多微小光敏物质感光元件，每个感光元都称作一个像素（Pixel）。

也就是说同一尺寸的CMOS，可以包含不同的像素。

很明显CMOS有很多种尺寸：

• 1000C: 1/4CMOS
• Z5C: 1/3CMOS
• EX1R: 1/2CMOS
• DVCPRO: 2/3CCD
• AF103: 3/4CMOS
• 5D2: 35mm全画幅

一块CMOS上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

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通过上面的论述，我们已经明确了像素数是指CMOS上感光元件的数量。
摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。

显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CMOS没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此,理论上CCD的像素数量应该越多越好。

但实际情况是，在同一个电视标准下（例如：高清格式），像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显。而且CMOS像素数的增加会使制造成本。

• CMOS能安装的像素数量有上限

  CMOS片儿的尺寸限制了像素的数量。我们没有见到1/4CMOS超过100万像素，1/3CMOS超过150万像素。

• 单位像素的大小

  单位像素就越大，就可以收集更多的光线，提高了低照度、信噪比，有利于提高画质。

2.1. 怎么看4800万的手机像素

知乎

自2018年以来，智能手机的摄像头就开始了新一轮的“数字大战”——4000万像素、4800万像素、6400万像素……

早在今年二月，我们就曾经针对这种“超高像素风潮”提出过疑问，并认为其在传感器尺寸并未明显增大的情况下，仅靠缩小像素尺寸（降低感光能力）换取名义上的更高像素，未必就能带来相比大底大像素设计更好的画质水准。

不要说智能手机的小传感器，就算是旗舰全画幅单反的大底，由于传感器的尺寸本身是固定的，增加像素数量就必然意味着减小每个像素的感光面积，而这就必然带来感光能力的下降，导致画面出现更多噪点。如此一来，对于一般手机（相机）用户来说，他们会觉得更多的像素其实并没有带来更优秀的画质；而对于那些有专业需求的用户来说，这更意味着设备投资的一种浪费。

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让我们一起来开一下脑洞：在面前放一块毛玻璃、一块正常的玻璃，大家都会觉得正常的玻璃“清晰度高”，而毛玻璃则是模糊的。毛玻璃为什么是模糊的？这是因为它的表面凹凸不平。然而，如此一来，问题就来了——在我们肉眼看来正常透光的透明玻璃，其表面就一定是完全平滑的么？

另一个层面——不是只有数码感光元件才有“分辨率”，玻璃镜片本身也有。

稍有物理常识的人都知道，玻璃的表面不可能完全平滑，只不过是我们的肉眼看不到那些细小的缺陷罢了。可是，如果将玻璃的大小缩小到芝麻那么大，将观察它的对象从相隔几十公分的肉眼、换成了相距几毫米的，数千万像素的CMOS感光元件呢？

没错，此时哪怕是表面上看起来再完美无缺的玻璃，其微观结构上的瑕疵、不必要的折射与反射等等，在CMOS看来都会被放大，成为阻碍透光率，降低实际成像清晰度的负面因素。如此一来，就意味着对于一个完整的相机系统来说，其镜头中所使用的透镜都必须要进行特殊的表面处理、有时甚至要运用一些稀有材料来制造，以保证最终入射到CMOS表面的光学影像的清晰度要至少大于等于CMOS自身的物理分辨率，只有这样，CMOS才不会相当于是透过“毛玻璃”来拍照，其本身的感光元件分辨率才有意义。

作者：三姨君
链接：https://www.zhihu.com/question/324579500/answer/785608394
来源：知乎
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3. CCD 对比 CMOS

CMOS价格比CCD便宜，图像质量相比CCD来说要低一些。

CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电，不像由二极管组成的CCD，CMOS 电路几乎没有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右，这有助于改善人们心目中数码相机是"电老虎"的不良印象。

CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。