Какая деталь цифрового фотоаппарата выполняет ту же функцию что и хрусталик глаза
Глаз как фотоаппарат
Попробуем найти аналогии в конструкции:
Изображение, фактически формируемое в глазу, перевернуто (как в камере обскуре); его коррекцией занимается особый отдел мозга, переворачивающий картинку «с головы на ноги». Новорожденные видят мир без такой коррекции, поэтому они иногда переводят взгляд или тянутся в направлении, противоположном движению, за которым следят. Эксперименты со взрослыми, которым надели очки, переворачивающие изображение в «неоткорректированный» вид, показали, что они легко приспосабливаются к обратной перспективе. Испытуемым, снявшим очки, требовалось аналогичное время, чтобы заново «приспособится».
То, что «видит» человек, на самом деле можно сравнить с постоянно обновляемым потоком информации, которая собирается в картинку мозгом. Глаза находятся в постоянном движении, собирая информацию – они сканируют поле зрения и обновляют изменившиеся детали, сохраняя статическую информацию.
Область изображения, на которой человек может сфокусироваться в каждый отдельный момент времени составляет лишь около полу градуса от поля зрения. Она соответствует «желтому пятну», а остальная часть изображения остается не в фокусе, все более размываясь к краям поля зрения.
Но и при ярком свете, края поля зрения остаются монохромными. Когда Вы смотрите прямо вперед, и на краю вашего поля зрения появляется автомобиль, вы не сможете определить его цвет до тех пор пока глаз на мгновение не посмотрит в его сторону.
Палочки чрезвычайно светочувствительны – они способны зарегистрировать свет всего одного фотона. При стандартной освещенности глаз регистрирует около 3000 фотонов в секунду. А поскольку центральная часть поля зрения населена колбочками, ориентированными на дневной свет, глаз начинает видеть больше деталей изображения не по центру, как только солнце опускается ниже горизонта.
Это легко проверить наблюдая за звездами в ясную ночь. По мере адаптации глаза к недостатку освещения (полная адаптация занимает около 30 минут), если вы смотрите в одну точку, вы начинаете видеть группы слабых звезд в стороне от точки, куда вы смотрите. Если перевести на них взгляд, то они пропадут, а новые группы появятся в области, где ваш взгляд был сфокусирован до перемещения.
Многие животные (а птицы – так почти все) имеют гораздо большее число колбочек по сравнению со средним человеком, что позволяет им обнаружить мелких животных и другую добычу с большой высоты и расстояния. И наоборот, у ночных животных и существ, которые охотятся ночью больше палочек, что улучшает ночное зрение.
Каковы фокусные расстояния человеческого глаза?
Зрение – намного более динамичный и емкий процесс, чтобы без дополнительных сведений сравнивать его с объективом с переменным фокусным расстоянием.
Приведя общий угол поля зрения в систему 24*36 мм, получаем – с учетом множества факторов, таких как условия освещения, расстояние до предмета, возраст и здоровье человека – фокусное расстояние от 22 до 24 мм (фокусное 22.3 мм получило наибольшее число голосов как ближайшее к картинке человеческого зрения).
Вопрос несколько некорректный, ведь картинка, собираемая мозгом, содержит куски информации, собранные не одновременно, это потоковая обработка. Да и по вопросу методов и алгоритмов обработки пока ясности нет. А нужно еще учитывать возрастные изменения и состояние здоровья.
Обычно упоминается 324 мегапикселя – цифра, основанная на поле зрения 24 мм объектива на 35 мм фотоаппарате (90 градусов) и разрешающей способности глаза. Если постараться найти некую абсолютную цифру, приняв каждую палочку с колбочкой за полноценный пиксель, то получим около 130 мегапикселей. Цифры кажутся некорректными: фотография стремиться к детализации «от края и до края», а человеческий глаз в отдельно взятый момент времени «резко и детализировано» видит лишь малую толику сцены. Да и объем информации (цвет, контраст, детализация) значительно меняется в зависимости от условий освещения. Мне больше по душе оценка в 20 Мп: ведь «желтое пятно» оценивается где-то в 4 – 5 мегапикселей, остальная площадь – размыта и недетализирована (на периферии сетчатки находятся в основном палочки, объединенные в группы до нескольких тысяч вокруг ганглиозных клеток – своеобразных усилителей сигнала).
Где тогда предел разрешения?
По одной из оценок, 74-мегапиксельный файл, распечатанный в полноцветную фотографию с разрешением 530 ppi и размером 35 на 50 см (13*20 дюймов), при просмотре с расстояния в 50 см соответствует максимальной детализации, к которой способен человеческий глаз.
Глаз и ISO
Еще один вопрос, на который практически невозможно однозначно ответить. Дело в том, что в отличие от пленки и матриц цифровых фотоаппаратов, у глаза нет естественной (или базовой) чувствительности, а его способность приспосабливаться к условиям освещения просто удивительна – мы видим и на залитом солнце пляже и в тенистой аллее в сумерках.
Динамический диапазон
Диафрагма и выдержка
Что касается выдержки, то человеческий глаз легко обнаруживает вспышки света длительностью в 1/100 секунды, а в экспериментальных условиях – до 1/200 секунды и короче в зависимости от окружающего освещения.
Битые и горячие пиксели
В каждом глазу существует слепое пятно. Точка, в которую сходится информация от колбочек и палочек, прежде чем отправиться в мозг для пакетной обработки, называется верхушкой зрительного нерва. На этой «верхушке» палочек и колбочек нет – получается немаленькое слепое пятно – группа битых пикселей.
Если интересно, проведите небольшой эксперимент: закройте левый глаз и смотрите правым прямо на значок «+» на рисунке снизу, постепенно приближаясь к монитору. На определенном расстоянии – где-то 30-40 сантиметров от изображения – вы перестанете видеть значок «*». Также можно заставить исчезнуть «плюс», если смотреть на «звездочку» левым глазом, закрыв правый. На зрение эти слепые пятна особо не влияют – мозг заполняет пробелы данными – очень напоминает процесс избавления от битых и горячих пикселей на матрице в реальном времени.
Про глаукомы и скотомы промолчим – хватит страшилок.
Датчики фокусировки или желтое пятно.
Юстировка – близорукость и дальнозоркость
Или в более «фотографических» терминах: фронт-фокус и бэк-фокус – изображение сформировано до или после сетчатки. Для юстировки либо идут в сервис-центр (к врачам-офтальмологам) или используют микроподстройку: при помощи очков вогнутыми линзами при фронт-фокусе (близорукости, ака миопия) и очков с выпуклыми линзами при бек-фокусе (дальнозоркости, ака гиперметропии).
Напоследок
А каким глазом смотрим в видоискатель? В среде фотолюбителей редко упоминают про ведущий и ведомый глаз. Проверяется очень просто: возьмите непрозрачный экран с небольшим отверстием (лист бумаги с отверстием размером с монету) и посмотрите на отдаленный предмет через отверстие с расстояния 20-30 сантиметров. После этого – не смещая голову – поочередно смотрите правым и левым глазом, закрывая второй. Для ведущего глаза изображение не сместится. Работая с фотоаппаратом и смотря в него ведущим глазом, другой глаз можно не щурить.
И еще чуть интересных самостоятельных тестов от А. Р. Лурия:
Оптическая система человека: строение глаза
Каждый день мы смотрим на мир, любуемся закатами, смотрим интересные фильмы. Такую возможность нам дают наши глаза. А знаем ли мы, как они устроены? В нашей статье мы расскажем про оптическую систему человеческого глаза и о том, можно ли ее сделать еще лучше.
Что делают глаза
Основная функция глаз — принимать и передавать информацию нашему мозгу. Чем лучше будет состояние глаз, тем точнее и качественнее они смогут транслировать изображение. Часто оптическую систему глаза сравнивают с фотоаппаратом. Давайте рассмотрим нашу зрительную систему с этой точки зрения.
Объектив vs роговица/хрусталик
Важной частью фотоаппарата является объектив. Задача объектива собрать и сфокусировать лучи, то есть «поймать» изображение. В нашей оптической системе функцию объектива выполняют роговица и хрусталик.
Они представляют собой систему линз, и на долю приходится 60 диоптрий. Роговица находится в передней части глаза, именно она выполняет роль сильной собирающей линзы в 40 диоптрий. Роговица собирает и фокусирует лучи света, затем она направляет их внутрь глаза через радужку и зрачок. Последние выполняют роль диафрагмы в оптической системе глаза. Зрачок может менять свой размер в зависимости от освещения, чтобы регулировать поток света.
Затем свет попадает еще на одну линзу — хрусталик. Хрусталик позволяет фокусировать изображение на дальнее и ближнее расстояние с помощью специальных мышц — циллиарных. Такое состояние называется аккомодацией. С возрастом эти мышцы утрачивают эластичность, и человеку становится сложнее фокусироваться на предметах, расположенных близко, возникает пресбиопия.
Фотопленка vs сетчатка
Внутри глаза находится сетчатка, именно на нее проецируется изображение как на пленку в фотоаппарате. Она состоит из фоторецепторов и нервных клеток. Данные полученные сетчаткой поступают по зрительному нерву в головной мозг, где уже формируется картинка, которую мы видим.
Слабый объектив — роговица
Если преломляющая сила роговицы не позволяет попадать лучам света точно на сетчатку, то зрение теряет свою четкость. Возникают такие дефекты как близорукость, дальнозоркость, астигматизм. В таком случае для получения четкости изображения требуются дополнительные средства: очки, линзы; или дополнительные процедуры — лазерная коррекция зрения. По сути и очки/линзы и лазерная коррекция выполняют одну и ту же функцию — помогают лучам света, попадать куда нужно. Но в отличие от очков и линз, лазерная коррекция делается один раз и не требует больше дополнительных действий. В некоторых случаях после лазерной коррекции зрения можно получить остроту зрения больше единицы.
Слабый объектив — хрусталик
Иногда проблема преломления света находится глубже в прямом смысле, то есть внутри глаза в хрусталике. Самых распространенных сценария два: это пресбиопия (возрастная дальнозоркость) и катаракта. При катаракте хрусталик мутнеет, получается, что человек смотрит на мир как из-за пыльного стекла. В таком случае есть выход: заменить природную линзу на искусственную и вернуть свет в глазах.
При пресбиопии хрусталик теряет свою эластичность из-за возрастных изменений, делая зрение расплывчатым. И тогда его также заменяют искусственной линзой. И в том и в другом случае возможно улучшить зрение на различные расстояния, то есть в некотором смысле восстановить утраченную функцию аккомодации.
Подробнее как это происходит — читайте в нашей статье.
Мы рассмотрели основные функции оптической системы глаза. Строение глаза значительно сложнее и интереснее. Читайте другие статьи в нашем блоге и следите за новыми.
Глаз человека: строение и функции
Для многих из нас будет открытием, что глазами мы только смотрим, но не видим. Изображение формируется в коре головного мозга, которая воспринимает сигналы от зрительного нерва и преобразует в картинку, отражающую действительность. Орган зрения – совершенный анализатор, выработавшийся в процессе эволюционного развития. Ни одна современная технология не позволяет создать даже примитивный аналог человеческого глаза. Через глаза мы получаем более 80% информации, поэтому глаза необходимо беречь и периодически проходить обследование у врача-офтальмолога. Своевременное выявление заболеваний и адекватное лечение предотвратит развитие серьезных осложнений.
Как мы видим?
Обработка импульсов, поступающих в мозг от двух глаз, дает объемное изображение. Первичные сигналы от сетчаток обоих глаз передаются по зрительным нервам, которые образуют частичный перекрест (хиазму). Нервные волокна, идущие изначально от каждого глаза отдельно, перераспределяются таким образом, что в правое полушарие коры головного мозга поступает информация с правой стороны сетчатки обоих глаз, а в левое – с левой стороны. После перекреста нервный импульс попадает в подкорковые центры зрительного анализатора, где происходит анализ зрительных стимулов, оцениваются их цветовые характеристики, пространственный контраст и средняя освещенность в различных участках поля зрения. Далее нейроны подкоркового слоя через аксоны передают преобразованные сигналы в проекционную область зрительной коры, где и формируется изображение.
Зачем нужно проверять зрение?
Глаз в этой сложнейшей системе является всего лишь «приемником», преобразующим изображение в миллионы нервных импульсов. Малейший сбой в сложнейшем механизме чреват серьезными последствиями, вплоть до полной слепоты. Диагностика с применением приборов последнего поколения позволяет выявить любую проблему на ранней стадии и принять меры к ее устранению.
Строение глаза
Глаза – не только «зеркало души», но и сложнейшие оптические приборы, принимающие и кодирующие электромагнитные волны видимой части спектра в нервные импульсы для передачи в мозг. В глазном яблоке заключены одновременно три аппарата – рефракционный, аккомодационный и сенсорный, согласованная работа которых и обеспечивает зрительное восприятие.
Оптик-Центр предлагает пройти комплексное обследование, по результатам которого врач-офтальмолог предложит оптимальный метод коррекции зрения – очки, контактные линзы, лазерную коррекцию или замену хрусталика. Очки и линзы совершенно бесплатно помогут подобрать в салонах «Оптик-Центр», а консультанты предложат красивую и модную оправу, которая станет отличным аксессуаром.
Журнал
19 августа считается Всемирным днем фотографии. А ведь этот праздник мы можем отмечать каждый день: наши глаза — своеобразные фотоаппараты, они каждую секунду фиксируют сотни и даже тысячи изображений.
Между фотоаппаратом и человеческим глазом и правда много общего. Можно сказать, что механизм первого практически списан со второго. Если проводить аналогии: зрачок глаза — тот же объектив, а хрусталик — фокусирующий элемент объектива. Роговица работает как передний элемент объектива, который преломляет входящий свет и в то же время защищает зрачок от ультрафиолета. Радужка похожа на диафрагму — она также расширяется и сужается, чтобы определить размер зрачка. Мозг же выступает процессором, который хранит и обрабатывает данные.
Но это лишь подобие в конструкции. Схожи ли характеристики этих двух объектов? Давайте сравним.
Количество мегапикселей
Если этот параметр сразу задан у фотоаппаратов, и многие ориентируются на него при покупке, то для глаз определить его довольно сложно. Во-первых, изображение, возникающее в мозге, появляется не одномоментно, а постепенно, информация собирается и обрабатывается непрерывающимся потоком. Во-вторых, если фотоаппарат фиксирует картинку целиком (от одного края и до другого), то глаз отмечает лишь часть изображения в поле зрения. В-третьих, на этот параметр влияет возраст и состояние здоровья человека.
Однако считается, что у человеческого глаза более 100 мегапикселей. В то время как у хорошего фотоаппарата — 22. А у современного смартфона — всего 10-12.
Фокусное расстояние
Это длина от точки фокусировки до линзы фотоаппарата. Чем она меньше, тем больше помещается в кадр. Чем больше, тем ближе становятся удаленные предметы.
С учетом возраста, здоровья человека, освещения и расстояния до предмета фокусное расстояние глаз может быть от 17 до 24 мм. А в фотоаппарате оно может доходить и до 200 мм. К сожалению, мы не умеем настраивать глаза, чтобы приближать далекие предметы.
Чувствительность
Глаза человека обладают удивительной способностью приспосабливаться к условиям освещения. Мы можем видеть и при ярком солнце, и в темени. При свете ISO (чувствительность) составляет 1, ближе к темноте — 800. У фотоаппаратов этот показатель всегда в районе 100, что говорит об их неспособности адаптироваться.
Угол обзора
Стандартный угол обзора фотоаппарата — 46. Поле зрения человека — 55 градусов вверх, 60 вниз, 90 наружу и 60 внутрь. Так, человек может видеть до 125 градусов по вертикали и 150 по горизонтали, но качество изображения на периферии не столь высокое.
Но главное отличие глаз и фотоаппарата — конечно, количество линз. У человека их всего две, а у фотоаппарата доходит до 11. При этом глаз все же остается самым совершенным способом восприятия информации.
Работает ли человеческий глаз как фотокамера?
Что такое свет?
Для человеческого зрения и камеры характерны обе формы.
Как глаза и камеры улавливают свет?
И глаза, и камеры чувствительны к свету. Это означает, что они реагируют на передаваемые им сигналы. Они работают аналогично друг другу, но устроены по-разному. В глазах свет сначала проходит через роговицу. Это передний слой глаза, как и передний элемент вашей камеры. Оба играют важную роль в преломлении света и защите других частей глаза или хрусталика.
Радужка представляет из себя кольцевидную мембрану позади роговицы. В центре есть регулируемое отверстие: зрачок. Он контролирует количество проходящего света. В объективах фотоаппаратов диафрагма выполняет ту же функцию.
За радужной оболочкой находится линза. Это прозрачная кристаллическая структура, гибкая и меняющая форму для фокусировки. В объективах фотоаппаратов обычно больше элементов. Фокус можно изменить, переместив эти линзы ближе или дальше от сенсора камеры.
Изображение, появляющееся на сетчатке или сенсоре, перевернуто вверх ногами и в стороны. Человеческий мозг далее переворачивает эту картинку.
Какое разрешение имеет человеческий глаз?
Основное различие между сетчаткой и датчиком состоит в том, что первый изогнут, так как он является частью глазного яблока. Кроме этого содержит больше ячеек, чем количество пикселей в датчике камеры. В нем около 130 миллионов клеток, 6 миллионов чувствительных к цвету (колбочек). В сенсоре камеры плотность пикселей ровная. В глазу в середине сетчатки больше клеток.
Допустим, разрешение глаза составляет 130 МП. Из-за быстрого и постоянного движения глазного яблока на самом деле она составляет около 576 МП. Не говоря уже о том, что разрешение глаза необязательно должно учитывать разрешающую способность линзы.
Также необходимо отметить, что светочувствительные клетки выключены по яркости. Они помогают зрению в условиях низкой освещенности. При слабом освещении все наоборот, потому что тогда активны только палочки. Вот почему мы не можем видеть цвета в сумерках.
Кроме того, с возрастом глаза теряют часть этих клеток, и мозг к этому приспосабливается. Таким образом, глазу не нужно значение разрешения, так как зрение зависит от многих других вещей. Итак, из-за большого количества клеток в сетчатке, мы можем сказать, что человеческий глаз имеет примерно 576MP. Это не то же самое, что в фотографии, но сравнение интересное. Таким образом, мы можем увидеть мощные возможности человеческих глаз с фотографической точки зрения.
Понимание поля зрения человека
Мы часто слышим, что 50-миллиметровый объектив полнокадровой камеры ближе всего к полю зрения человека. 50 мм называют стандартным объективом, потому что фокусное расстояние равно диагонали его сенсора. Фокусное расстояние глаз человека составляет примерно 22 мм. Таким образом, это не стандартный объектив, потому что он имеет такое же фокусное расстояние или угол обзора, что и глаз.
Что такое динамический диапазон человеческого глаза?
Сенсор цифровой камеры (или полоса пленки) может улавливать только ограниченный диапазон света. Это и есть динамический диапазон. Ограничения динамического диапазона часто проявляются в ярких сценах с большим контрастом. В пасмурный день большинство фотоаппаратов может захватывать самые темные и самые яркие области изображения. Корректная экспозиция на одном кадре. Добавьте яркий, направленный свет, и это совсем другая история. Сюда входят портреты с подсветкой или пейзажные сцены.
Под динамическим диапазоном в фотографии понимается диапазон света, который камера может уловить за одну экспозицию. Человеческий глаз может видеть детали в свете с динамическим диапазоном около 20 стопов. DSLR и беззеркальные камеры зачастую могут запечатлеть только половину этого. Камеры не могут видеть такой же динамический диапазон, как глаз человека. Сияющее голубое небо, которое вы видите глазами, на камеру становится переэкспонированной белой массой. Или вы получите полностью темный передний план.
Когда мы смотрим на сцену, глаза больше похожи на видеокамеру. Они как бы постоянно подстраивается под условия освещения. Это означает, что мы не только «экспонируем» светлые или темные участки сцены. Это обусловлено быстрыми движениями глаз. Глаз всегда движется, что позволяет человеку измерять свет во всех частях сцены. Таким образом, мы можем приспособить зрачок к условиям освещения. Эта разница видна, когда мы снимаем объект, освещенный сзади. С помощью фотокамеры мы можем запечатлеть силуэт, но глаза по-прежнему будут видеть детали в темных местах.
Что такое ISO глаза?
ISO можно измерить относительно стопами выдержки. Шкала ISO камеры похожа на выдержку в том смысле, что при ее увеличении вдвое удваивается и экспозиция. Стоп в ISO означает вдвое больше или вполовину меньше света по сравнению с предыдущим. Они пропорциональны друг другу. Низкое значение ISO даст «темную» экспозицию, а высокое ISO даст «яркую».
Чаще всего ISO начинается со значения ISO 100. Это самый низкий, самый темный параметр, также называемый базовым ISO. Следующая точка ISO 200, будет вдвое ярче, а ISO 400 – еще вдвое ярче. Таким образом, есть две ступени между ISO 100 и 400, четыре ступени между 100 и 1600 и так далее.
Мы не можем измерить чувствительность человеческого органа точно так же, как чувствительность искусственной пленки или сенсора. Если все же сравнивать их, ISO глаза оценивается примерно в 1 при ярком свете. И около 500–1000 в условиях более темного освещения.
Заключение
Понятно, почему мы проводим параллель между человеческими глазами и фотокамерами. Но нужно признать, что мы не можем скопировать точный механизм нашего видения. Цифровые камеры не могут конкурировать со сложностью глаза и мозга. Не забывайте, что наше зрение зависит от мозга. Даже психологические факторы влияют на восприятие видимой картинки.
Видеоканал Фотогора