即使拍摄到了美丽的夜景，在纸上印刷时无法完美再现。为解决这一问题，日本国际高等专门学校（石川县金泽市）大塚作一教授（现任金泽工业大学教授）的研究团队开发出能够按照实际观感还原夜景的印刷技术。大塚教授自幼便是一位热衷于拍摄铁路的“铁路迷”。然而，即便是充满美感和氛围的夜景，在照片中却往往显得平淡乏味。“为什么会这样？”正是这一朴素的疑问，让他持续开展了近50年相关研究，希望能够解决这一问题。“这应该就是兴趣和工作的完美结合吧。”大塚教授笑着说道。研究之路，如同铁路一般，不断延伸。
大塚作一教授在国际学术会议上获得最佳论文奖（供图：国际高等专门学校）
来自儿时蒸汽机车的教诲
大塚教授出生于父母的老家、日本冈山县津山市。后来，为探望曾祖母，一家人经常乘坐火车往返于石川县和冈山县之间，蒸汽机车时常就停在眼前。乌黑发亮的巨大车身、震耳欲聋的汽笛声，都深深震撼了年幼的他。
“我从小就是个铁路迷。上初中、高中时，还会用卡式录音带录下蒸汽机车行驶的声音。”大塚教授回忆道。1970年代后期，在读高中和大学期间，为了追拍当时仍在运行、但即将退出历史舞台的蒸汽机车，他曾远赴九州、北海道等地。
摄影随着时代发生了变化，相机也由胶片相机变成了数码相机。在2000年代初期，随着图像传感器性能的不断提高，用数码相机拍摄夜景逐渐成为可能。刚好那个时期铁路车辆的颜色也变得更加丰富，大塚教授希望“把各种美丽列车的身影记录下来”，于是不断拍摄并打印照片。
在漆黑夜色中，夜晚的列车的乌黑车身反射着灯光，格外迷人。“暗”和“黑”其实是完全不同的概念，他一直希望能够拍摄出能够清晰区分二者的照片。然而，肉眼看到的景象与打印出来的照片却有很大差别。“为什么白天几乎没什么区别，而夜晚却相差得如此悬殊呢？”正是这个疑问，成为了他研究的“始发站”。
质疑教科书，提出有关大脑与视网膜功能的新假设
进入科研领域之前，大塚教授曾在企业工作。他的专业方向是视觉信息处理，主要研究显示器的人机交互，以及人在明亮和昏暗环境中的视觉感知。研究过程中，他开始对教科书中的一段描述产生了疑问。那段表述是，“进入眼球的光线由视网膜转换为神经脉冲，之后由大脑的一级视觉皮层等区域进行信息处理”。
按照这一描述，视网膜就像相机的图像传感器一样，仅仅是一个简单的信号转换器。而解剖学已经证明，信息在到达视觉皮层后会被分解成多个组成部分，然后再重新整合。虽然具体机制还不清楚，但视网膜信号是在大脑不同功能的区域分别完成各自的局部处理后，再被整合起来，最终形成视觉图像的。
不过，大塚教授认为，即使人的视线不断快速移动，整个视野中的明暗层次依然能保持稳定。如果按照“视觉完全由大脑完成处理”的传统理论，那么，大脑在形成图像时，就必须同时高速完成大量基于局部信息的计算。“这就好比有好几块英伟达 GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）芯片一直在全速运转，却完全不发热一样”。真的可能做到吗？这种说法，让他始终感到难以信服。
此外，教科书上还说：“位于下丘脑的视交叉上核负责感知光线信息，并调节人体生物钟。”对此，大塚教授对此同样抱有怀疑：“如果视交叉上核仅负责非视觉性的调节生理节律，而完全不参与视觉形成，这种说法也有不合理之处。”
大塚教授认为，人类视觉系统中还存在一种无法用以往学说解释的“视觉感受”机制（供图：大塚作一教授）
对此，大塚教授提出了一项新的假说：视网膜实际上与视交叉上核协同工作，发挥着高性能“主动式传感器”的作用。过去认为视交叉上核“仅影响蓝光感知、睡眠等非视觉性生理现象”的观点一部分正确，一部分错误。他认为，视交叉上核并非只感知非视觉性的信息，还会根据昼夜环境亮度自动调节人对明暗的感知，并在视觉形成的初期阶段就开始发挥作用。
夜晚越黑，人眼性能越高
为了验证这一假说，大塚教授以“各站停车”的方式一步一个脚印地开始了实验。首先，他试图回答一个最基本的问题——究竟什么叫“看得见”。视觉研究与听觉、触觉研究一样，很难使他人和自己的感受一致。因此，他决定通过人眼看到和相机拍摄的各种图像来展示“物体在多暗的环境下仍能被看见”、“达到怎样的亮度才能被看见”的问题。
自古以来，月亮一直是人类重要的观察对象，诗词和歌谣中都有大量赏月的作品。人们自古便依靠肉眼欣赏月亮。与此同时，月亮也是夜间的重要光源，只要有月光，即使身处相当昏暗的环境，人也能够行走活动。
月光和赏月是日本《百人一首》和浮世绘中经常出现的题材。图为浮世绘《十二个月内之八月 赏月》（作者：溪斋英泉，出版：蔦屋吉藏，引用自日本国立国会图书馆数字馆藏）
另一方面，白天虽然能够让太阳进入视野边缘，却无法直视太阳本身。由于我们不会直接观看刺眼的太阳，因此与夜晚相比白天实际上并不需那样精细地区分明暗差异。人们往往认为，白天的人眼更容易分辨明暗变化，但事实恰恰相反。
从最暗到最亮，景物亮度变化的范围，以及人眼或相机能够识别和记录的亮度范围，被称为“动态范围”。对于人眼和相机而言，动态范围越大，性能越强。研究表明，人眼在白天的动态范围约为30,000∶1，而夜间则可达到1,000,000∶1以上，人眼的性能夜晚反而更高。
所以，当眼睛适应黑暗后，即使没有路灯，也能辨认周围事物。远处城市的灯光、交通信号灯，甚至夜空中星星的颜色等，都能够保持丰富的色彩；而较暗区域则趋近于黑白色调。这种视觉状态被称为“中间视觉(Mesopic vision，也称介明视觉)”。在这一状态下，负责感知颜色的视锥细胞和负责感知明暗的视杆细胞会同时发挥作用，因此即使从傍晚进入夜晚，亮处与暗处并存，人眼依然能够辨别颜色。
“相机之眼”与人眼的不同之处
新潟县长冈的花火大会。与HDR图像（图A）相比，本次研究实现的hMDR图像（图D）更接近人眼所见，连河岸上的人影也清晰可辨。（编辑部根据大塚教授提供的图片改编）
我们平时看到的大多数相机照片，属于SDR（Standard Dynamic Range，标准动态范围）图像。以新潟县长冈烟花大会拍摄的照片为例，图C就是SDR图像。它的动态范围约为200∶1，可以正常显示在显示器上，也能够直接印刷到纸张上。
另一方面，人类在日常生活环境中的人眼动态范围远远超过SDR，能够完整记录这种动态范围的图像被称为HDR（High Dynamic Range，高动态范围）图像，烟花照片中的图A便属于这一类型。HDR图像虽然能够准确保存原始数据，但却无法直接按原样印刷到纸上。
为了解决这一问题，目前主要采用两种方法。第一种方法是在拍摄时借助反光板、补光灯等辅助设备，人为改变拍摄对象的光照条件，使其亮度控制在SDR能够记录的范围内。如果使用得当，确实可以获得更漂亮的照片。
但对于自然风景等无法人为布光的场景，这种方法便难以奏效，只能记录极少部分亮度信息。以烟花照片为例，普通SDR图像（图C）中，明亮部分会出现过曝发白，而暗部的细节则完全丢失。
第二种方法，是近年来数码相机和智能手机普遍配备的HDR色调映射技术（烟花照片中的图B）。该技术借鉴了人类视觉皮层的信息处理方式，通过以局部处理为主，对图像进行大胆处理，分别强化亮部和暗部的色彩、饱和度与对比度，从而弥补传统SDR图像的不足。
然而，即使采用这种技术，像烟花这样的场景，得到的图像依然会像图B那样，与人眼实际看到的景象存在明显差异。也就是说，传统意义上的“相机之眼”，其工作机制与人眼其实并不相同。虽然都称为“眼睛”，却如同双线铁道的两条轨道，彼此不同。
能否通过图像处理重现“视觉错觉”
HDR图像很难直接印刷到普通纸上。如果将其打印成“真实再现人眼看到的美丽景象”，就必须进一步改进图像处理技术，使相机的“观察方式”尽可能接近人眼。
例如，人眼能够正确理解眼前景象，离不开视觉错觉（错视）的作用。所谓视觉错觉，是指大脑在处理视觉信息时，会将实际形状或大小感知为与真实情况不同的现象。人眼的适应性能极为出色，它会自动压缩亮部信息、提升暗部亮度，使整个画面中的光线看起来更加自然。也就是说，人们看到的并非景色实际的样子，而是经过眼睛和大脑共同调整后的图像，并将其认为是自然的景象。
因此，仅仅把相机记录的数据还原到纸面上，并不会呈现出人眼看到的美丽画面。也就是说，如果能够利用图像处理重现人眼产生的这种视觉错觉，就能够把美丽的图像印刷到纸上。至此，大塚教授看到了“隧道尽头的光芒”。
为了弄清究竟需要调整到什么程度才能接近人眼的视觉效果，大塚教授在不同动态范围条件下进行了大量实验，先后共分析了约3万张图像。他回忆这项艰巨的工作时表示，“这几乎已经是AI才会处理的数据量了。我一直在那个无法直接观察的‘黑箱’里，反复研究人眼究竟是如何看见世界的。”
烟花照片经过两次处理，效果“几乎与实景无异”
就在研究进行期间，一个意外的机会降临了。大塚教授幸运地抽中了夫人老家新潟县长冈烟花大会设在信浓川河岸的摄影席位。2025年8月烟花大会当天，他不断按下快门，拍摄了大量照片。并利用此前从海量实验数据中得到的参数，尝试对这些照片进行了处理。
长冈烟花大会照片。原始拍摄图像（a）经过处理后得到（b）。（c）和（d）为现有技术处理结果。（供图：大塚作一教授）
首先，对于HDR拍摄的图像，为了更加符合人眼的视觉感受对照片亮度进行了压缩。通过降低过亮区域，同时适当提升过暗区域，将HDR的大亮度范围压缩至约70∶1。
左图为适用于显示器显示的hSDR图像，右图为可直接印刷在铜版纸和普通纸上的hMDR图像。（供图：大塚作一教授）
与此同时，为适应纸张印刷特性，大塚教授又进行了第二阶段的处理，保留关键部分并缩小多余的色差，将图像调整为即使在30:1的对比度下也能呈现自然效果，从而实现了在纸张上的印刷。通过“适应人眼”和“适应纸张”这两个阶段的处理，成功地在纸上再现了美丽的夜景和细腻的白天景色。这就是hMDR（hyper-realistic Moderate Dynamic Range：超写实中等动态范围）图像。
这张图表展示了在晴朗的早晨、夜幕降临之际等不同场景下，应将照片的亮度调整到何种程度才能显得自然。左侧为“适应人眼”的处理，右侧为“适应纸张”的处理（大塚作一教授供图）
大塚教授研究还拍摄了学校附近的金泽兼六园、JR札幌站前广场等夜景，并利用hMDR技术完成印刷，实现了“如实再现肉眼所见”的效果。之所以这些夜景照片即使在白天看起来也依然自然，大塚教授推测，是因为视交叉上核会调节视网膜功能，并根据环境自动调整视觉感知方式。经过大量不同场景的验证，从图像处理角度来看，目前尚未发现任何与这一假说相矛盾的案例。持续多年的研究，终于抵达了“终点站”。
采用hMDR技术印刷的不同时间、不同光照条件下的风景照片，均与肉眼实际所见高度一致。（大塚作一教授供图）
期待未来应用于刑侦等更多领域
然而，大塚教授并不打算“收车入库”，而是准备“换乘另一列列车”，继续下一段的科研旅程。谈及未来的应用目标，他表示：“希望这项技术未来能够应用于防灾监控摄像头、公共安全监控摄像头以及行车记录仪等需要高质量图像的设备上。”
此外，他还表示：“目前，我们已经基本完成了从图像处理角度对这一假说的验证，但仍需要从生理学角度加以证明，真实的视网膜和视交叉上核确实具有与假说一致的功能。但仅凭我目前的研究团队无法完成这一工作，还需要开展跨学科合作，从多个角度通过动物实验等多种方式确认实际情况是否确实如此。这项工作实际上还需要几十年的时间。”
另外，大塚教授还对此次介绍的技术进行改进，使其不仅能够真实还原室外场景，还能够在室内逆光等传统HDR极难处理的恶劣光照环境下，实现印刷的照片看起来很自然的新技术。2026年5月，他在美国洛杉矶举行的国际学术会议上发表了这一最新成果。
虽说大塚教授的研究是“起源于自己的兴趣爱好”，但其社会意义重大。在警方侦破案件中，有17.6%是借助监控摄像头等影像资料成功破案（参照《2024年日本警察白皮书》），这一比例还在逐年上升。期待这项技术能够面向构建更加安全的社会，尽早“发车”。
原文：泷山展代 / JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：IDW2025（The 32nd International Display Workshops）
论文：Printable Moderate-Dynamic-Range (MDR) Image Generation Employing High-Dynamic-Range (HDR) Image Capture Technology Aligned with Human Circadian Behavior
DOI：doi.org/10.36463/idw.2025.1414
