Как человеческий глаз сравнивается с современными камерами и объективами?

Цель большинства фотографий - представить сцену, напоминающую то, что увидел бы человек, который был там в тот момент. Даже когда мы намеренно работаем вне этого, человеческое видение является фактической базой.

Таким образом, кажется полезным узнать кое-что о том, как глаз сравнивается с нашей технологией камеры. Оставляя в стороне вопросы психологии, распознавания образов и восприятия цвета (поскольку это отдельный вопрос!), Как человеческий глаз сравнивается с современной камерой и объективом?

Какое эффективное разрешение? Поле зрения? Максимальная (и минимальная) апертура? Эквивалентность ISO? Динамический диапазон? У нас есть что-нибудь, что эквивалентно выдержке?

Какие структуры прямо аналогичны частям камеры и объектива (скажем, зрачка и радужной оболочки глаза), и какие особенности уникальны для человека (или обнаружены в камерах, но не в биологии)?

Человеческий глаз действительно отстой по сравнению с современными объективами.

С другой стороны, зрительная система человека намного превосходит любую современную камеру (объектив, сенсор, прошивка).

• Человеческий глаз острый только в центре. Фактически, это только острый в одном очень, очень крошечном пятне, известном как ямка , которая является точкой, диаметр которой составляет менее одного процента от нашего общего угла зрения. Таким образом, у нас есть серьезная угроза мягкости.

  Однако человеческий мозг способен исправить это. Он инструктирует глаз совершать очень быстрые движения вокруг сцены, чтобы острая часть посередине металась вокруг. В этом случае мозг имеет довольно удивительную стабилизацию изображения в теле, потому что он берет все эти быстрые движения и соединяет их вместе, чтобы создать одну, резкую сцену - ну, по крайней мере, все кусочки, на которые попал глаз, когда они бросаются, будут острыми.

• Человеческий глаз довольно чувствителен к свету, но при слабом освещении информация о цвете недоступна. Кроме того, острая часть в центре (ямка) менее чувствительна к свету.

  Технически это происходит потому, что у глаза есть отдельные фотосайты, называемые конусами для трех цветов (красный, зеленый, синий), и еще один другой тип фотосайта, называемый палочками, который захватывает только черный и белый, но гораздо более эффективен.

  Мозг сшивает все это вместе, чтобы создать превосходное полноцветное изображение в течение дня, но даже когда оно действительно очень темное, оно создает мягкое бесцветное изображение, созданное всеми стержнями.

• Глаз имеет только один элемент линзы, и он производит ужасную хроматическую аберрацию в виде пурпурной окантовки.

  На самом деле, эта полоса находится на очень коротких длинах волн света. Зрительная система человека наименее чувствительна к этим синим и фиолетовым цветам. В дополнение к этому, он может исправить эту окантовку, которая существует несколькими способами. Во-первых, потому что система человеческого зрения только посередине, и именно здесь наблюдается наименьшая хроматическая аберрация. И, во-вторых, потому что наше цветовое разрешение (вне фовеа) намного ниже нашего разрешения по яркости, и мозг не склонен использовать синий при определении яркости.

• Мы можем видеть в трех измерениях. Это отчасти потому, что у нас есть два глаза, и мозг может делать удивительные вычисления, касающиеся конвергенции между ними. Но это также более продвинутый, чем это; Наряду с «трехмерным эффектом», получаемым от стереозрения, мозг также может реконструировать сцены в трех измерениях, даже если смотреть на двухмерное фото сцены. Это потому, что он понимает подсказки, такие как окклюзия, тени, перспектива и подсказки размера, и использует все это, чтобы собрать сцену как трехмерное пространство. Когда мы смотрим на фотографию длинного коридора, мы видим, что коридор простирается от нас, хотя у нас нет стереозрения, потому что мозг понимает перспективу.

(С большой помощью из статьи Википедии )

Наши глаза представляют собой систему с двумя линзами, первая из которых является нашим внешним глазом, а вторая - линзой прямо внутри нашего глаза. Наши глаза имеют фиксированное фокусное расстояние, около 22-24 мм. У нас значительно более высокое разрешение вблизи центра, чем на краях. Разрешение значительно варьируется в зависимости от того, где на изображении вы смотрите, но оно составляет около 1,2 пары угловых минут / линия в центральной области. У нас около 6-7 миллионов сенсоров, то есть 6-7 мегапикселей, но они несколько другие. Структура цветовых детекторов не очень однородна, в центре есть различные возможности обнаружения цвета по сравнению с периферийным зрением. Поле зрения составляет около 90 градусов от центра.

Одним интересным моментом является то, что человеческий глаз никогда не формирует полный «снимок», а представляет собой скорее непрерывную систему. Это может быть очень трудно сказать, потому что наш мозг очень хорошо исправляет это, но наша система является более утонченным подходом к фотографии, чем-то, но не совсем похожим на цифровую видеокамеру.

«Нормальная» линза обычно выбирается так, чтобы представлять основную область человеческого внимания, что объясняет их различия.

Камеры имеют разные типы датчиков, но обычно они распределены вокруг датчика довольно равномерно. Датчик всегда плоский (датчик человека изогнут), что может привести к искажению краев. Разрешение трудно получить в том же формате, что и человеческое зрение, и в некоторой степени зависит от объектива, но можно с уверенностью сказать, что человеческий глаз имеет большее разрешение в центре своего фокуса, но меньше в периферийных областях.

У Pixiq есть очень интересная статья на эту тему, только что опубликованная несколько дней назад: http://web.archive.org/web/20130102112517/http://www.pixiq.com/article/eyes-vs-cameras

Они говорят об эквивалентности ISO, фокусировке, диафрагме, скорости затвора и т. Д. Это подлежит обсуждению, но все еще интересно читать.

Глаз сам по себе является хорошей технологией, но мозг выполняет большую часть работы по его соединению. Например, мы можем воспринимать очень большой динамический диапазон, но это происходит главным образом из-за того, что мозг собирает различные области вместе, без нас, чтобы понять. То же самое для разрешения, у глаза хорошее разрешение в центре, но оно действительно хуже всех остальных. Мозг собирает детали для нас. То же самое для цветов, мы воспринимаем цвета только в центре, но мозг обманывает нас, кэшируя информацию о цвете, когда они выходят за пределы центра.

Позвольте мне задать вам вопрос: каков битрейт и битовая глубина виниловой пластинки?

Камеры - это устройства, разработанные для максимально точного воспроизведения изображения, которое проецируется на их ПЗС. Человеческий глаз - это развитое устройство, цель которого просто повысить выживаемость. Это довольно сложно и часто ведет себя нелогично. У них очень мало сходств:

• Оптическая структура для фокусировки света
• Восприимчивая мембрана для обнаружения проецируемого света

Фоторецепторы сетчатки

Сам глаз не примечательный. У нас есть миллионы фоторецепторов, но они обеспечивают избыточные (и в то же время неоднозначные!) Входы в наш мозг. Стержневые фоторецепторы очень чувствительны к свету (особенно на голубоватой стороне спектра) и могут обнаружить один фотон. В темноте они работают довольно хорошо в режиме, называемом скотопическим зрением. По мере того, как становится ярче, например, во время сумерек, клетки конусов начинают просыпаться. Ячейки конуса требуют минимум 100 фотонов для обнаружения света. На этой яркости активны как палочки, так и колбочки в режиме, называемом мезопическим зрением. Стержневые клетки предоставляют небольшое количество информации о цвете в это время. Поскольку это становится более ярким, ячейки прута насыщаются, и больше не могут функционировать как датчики света. Это называется фотопическим зрением, и функционируют только конические клетки.

Биологические материалы удивительно отражающие. Если ничего не было сделано, свет, который проходит через наши фоторецепторы и попадает в заднюю часть глаза, отражается под углом, создавая искаженное изображение. Это решается с помощью последнего слоя клеток сетчатки, которые поглощают свет с помощью меланина. У животных, которым требуется отличное ночное видение, этот слой намеренно отражает, поэтому у фотонов, которые пропускают фоторецепторы, есть шанс поразить их на обратном пути. Вот почему у кошек есть отражающие сетчатки!

Другое различие между камерой и глазом состоит в том, где расположены датчики. В камере они находятся сразу на пути света. В глазу все наоборот. Схема сетчатки находится между светом и фоторецепторами, поэтому фотоны должны пройти через слой всевозможных клеток и кровеносных сосудов, прежде чем, наконец, ударить по стержню или конусу. Это может немного исказить свет. К счастью, наши глаза автоматически калибруются, поэтому мы не застреваем, глядя на мир с ярко-красными кровеносными сосудами, вздымающимися взад и вперед!

В центре глаза происходит весь прием с высоким разрешением, при этом периферия постепенно становится все менее и менее чувствительной к деталям и все более и более дальтоником (хотя и более чувствительной к небольшому количеству света и движений). Наш мозг справляется с этим, быстро двигая глазами по очень сложной схеме, чтобы мы могли получить максимум деталей от мира. Камера на самом деле похожа, но вместо того, чтобы использовать мышцу, она поочередно производит выборку каждого ПЗС-рецептора в режиме быстрого сканирования. Это сканирование намного, намного быстрее, чем наше саккадическое движение, но оно также ограничено только одним пикселем за раз. Человеческий глаз медленнее (и сканирование не является прогрессивным и исчерпывающим), но он может принимать намного больше сразу.

Первичная обработка сделана в сетчатке

Сама сетчатка на самом деле делает довольно много предварительной обработки. Физическое расположение ячеек предназначено для обработки и извлечения наиболее актуальной информации.

Хотя каждый пиксель в камере имеет соотношение 1: 1, отображающее сохраняемый цифровой пиксель (по крайней мере, для изображения без потерь), палочки и колбочки в нашей сетчатке ведут себя по-разному. Один «пиксель» на самом деле представляет собой кольцо фоторецепторов, называемое рецептивным полем. Чтобы понять это, требуется базовое понимание схем сетчатки:

Основными компонентами являются фоторецепторы, каждый из которых соединяется с одной биполярной клеткой, которая, в свою очередь, соединяется с ганглием, который проходит через зрительный нерв к мозгу. Ячейка ганглия получает входные данные от множества биполярных ячеек в кольце, называемом рецептивным полем, окружающим центр. Центр кольца и окружность кольца ведут себя как противоположности. Свет, активирующий центр, возбуждает ячейку ганглия, тогда как свет, активирующий объемное звучание, подавляет ее (поле в центре, вне окружения). Есть также ганглиозные клетки, для которых это полностью изменено (вне центра, на окружении).

Этот метод резко улучшает обнаружение краев и контраст, жертвуя остротой в процессе. Однако перекрытие между рецептивными полями (один фоторецептор может действовать как вход для множества ганглиозных клеток) позволяет мозгу экстраполировать то, что он видит. Это означает, что информация, направляемая в мозг, уже в высокой степени закодирована до такой степени, что интерфейс мозг-компьютер, напрямую соединяющийся с зрительным нервом, не может произвести ничего, что мы можем распознать. Это кодируется таким образом, потому что, как уже упоминали другие, наш мозг предоставляет удивительные возможности пост-обработки. Поскольку это не имеет прямого отношения к глазу, я не буду на них подробно останавливаться. Основа заключается в том, что мозг обнаруживает отдельные линии (ребра), затем их длины, затем их направление движения, каждое в последующих более глубоких областях коры,брюшной поток и спинной поток , которые служат для обработки цвета и движения с высоким разрешением, соответственно.

Центральная ямка - это центр глаза, и, как уже отмечали другие, именно отсюда и происходит большая часть нашей остроты зрения. Он содержит только клетки колбочек и, в отличие от остальной части сетчатки, имеет соотношение 1: 1 к тому, что мы видим. Фоторецептор с одним конусом соединяется с одной биполярной ячейкой, которая соединяется с одиночной ганглиозной ячейкой.

Спецификации глаза

Глаз не предназначен для того, чтобы быть камерой, поэтому нет возможности ответить на многие из этих вопросов так, как вам нравится.

Какое эффективное разрешение?

В камере достаточно равномерная точность. Периферия так же хороша, как и центр, поэтому имеет смысл измерять камеру по абсолютному разрешению. Глаз, с другой стороны, не только не прямоугольник, но и различные части глаза видят с разной точностью. Вместо измерения разрешения глаза чаще всего измеряются в ВА . 20/20 ВА - среднее. 20/200 VA делает вас юридически слепым. Другое измерение - это LogMAR , но оно менее распространено.

Поле зрения?

Принимая во внимание оба глаза, мы имеем горизонтальное поле зрения 210 градусов и вертикальное поле зрения 150 градусов. 115 градусов в горизонтальной плоскости способны к бинокулярному зрению. Тем не менее, только 6 градусов дает нам видение с высоким разрешением.

Максимальная (и минимальная) апертура?

Как правило, зрачок составляет 4 мм в диаметре. Его максимальный диапазон составляет от 2 мм ( f / 8,3 ) до 8 мм ( f / 2,1 ). В отличие от камеры, мы не можем вручную управлять диафрагмой для настройки таких параметров, как экспозиция. Маленький ганглион позади глаза, цилиарный ганглион, автоматически регулирует зрачок в зависимости от окружающего освещения.

Эквивалентность ISO?

Вы не можете напрямую измерить это, поскольку у нас есть два типа фоторецепторов, каждый с разной чувствительностью. Как минимум, мы можем обнаружить один фотон (хотя это не гарантирует, что фотон, попавший в нашу сетчатку, ударит по палочке). Кроме того, мы ничего не получаем, глядя на что-то в течение 10 секунд, поэтому дополнительная выдержка мало что значит для нас. В результате, ISO не является хорошим измерением для этой цели.

По оценкам астрофотографов, приблизительная оценка составляет 500-1000 ISO, а дневной свет - всего 1. Но опять же, это не очень хороший показатель для глаз.

Динамический диапазон?

Динамический диапазон глаз сам является динамическим, так как различные факторы вступают в игру для скотопического, мезопического и фотопическома зрения. Это, кажется, хорошо изучено в разделе Как динамический диапазон человеческого глаза сравнивается с динамическим диапазоном цифровых камер? ,

У нас есть что-нибудь, что эквивалентно выдержке?

Человеческий глаз больше похож на видеокамеру. Он принимает все сразу, обрабатывает и отправляет в мозг. Ближайшим эквивалентом скорости затвора (или FPS) является CFF , или Critical Fusion Frequency, также называемая Fusioner Fusion Rate. Это определяется как точка перехода, где прерывистый свет с возрастающей временной частотой смешивается в один сплошной свет. CFF выше на нашей периферии (именно поэтому вы иногда можете видеть мерцание старых флуоресцентных ламп, только если вы смотрите на них косвенно), и он выше, когда он яркий. При ярком освещении наша зрительная система имеет CFF около 60. В темноте она может достигать 10.

Это не вся история, потому что большая часть этого вызвана зрительным постоянством в мозге. Сам глаз имеет более высокий CFF (хотя сейчас я не могу найти источник, я помню, что он порядка 100), но наш мозг размывает все вместе, чтобы уменьшить нагрузку на обработку и дать нам больше времени. проанализировать переходный стимул.

Пытаюсь сравнить камеру и глаз

Глаза и камеры имеют совершенно разные цели, даже если они кажутся внешне одинаковыми. Камеры специально построены на предположениях, которые облегчают определенные виды измерений, в то время как для развития глаза такой план не использовался.