Как человеческий глаз сравнивается с современными камерами и объективами?

Question

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 зрение является фактической базой.

Так что, кажется, полезно узнать кое-что о том, как глаз сравнивается с нашей технологией камеры. Оставляя в стороне как можно больше вопросов психологии, распознавания образов и восприятия цвета (потому что 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 диафрагмы), и какие особенности являются уникальными для человека (или обнаружены в камерах, но не в биологии)?

Answer 1

Человеческий глаз действительно отстой по сравнению с современными объективами камеры.

Зрительная система человека , с другой стороны, намного превосходит любую современную систему камер (объектив, датчик, встроенное программное обеспечение).

• Человеческий глаз острый только в центре. Фактически, это только резкое в одном очень, очень крошечном пятне, известном как fovea , которое является точкой, диаметр которой составляет менее одного процента от нашего общего угла зрения. Итак, 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 получает 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 метались, будут резкими.

• 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 связано с тем, 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 световых волнах. 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, чем наше разрешение 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.

Answer 2

(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 для представления основной области 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 смело утверждать, что человеческий глаз имеет большее разрешение в центре его фокусировки, но меньше в периферийных областях.

Answer 3

Pixiq имеет очень интересную статью на эту тему, только что опубликованную 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 сборке частей вместе. 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.

Answer 4

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 обнаруживать 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 является преднамеренно отражающим, поэтому фотоны, которые пропускают фоторецепторы, имеют шанс ударить их на обратном пути. Вот почему у кошек есть отражающие сетчатки!

Еще одно различие между камерой и глазом - это расположение датчиков. В камере они находятся сразу на пути света. В глазу все наоборот. Схема сетчатки составляет между светом и фоторецепторами, поэтому фотоны должны проходить 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, причем периферия постепенно становится все менее и менее чувствительной к деталям и все больше и больше 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.

Предварительная обработка в сетчатке

Сама сетчатка на самом деле выполняет довольно много предварительной обработки. Физическая схема ячеек предназначена для обработки и извлечения наиболее актуальной информации.

В то время как каждый пиксель в камере имеет 1: 1, отображающий 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 подключается к одной биполярной клетке, которая, в свою очередь, подключается к ганглию, 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 ганглиозную ячейку, тогда как свет, активирующий объемное пространство , подавляет его (поле в центре, вне окружения). Есть также ганглиозные клетки, для которых это полностью изменено (вне центра, вокруг).

Эта техника резко улучшает обнаружение краев и контрастность, жертвуя остротой процесса. 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. Основой является то, что мозг обнаруживает отдельные линии (ребра), затем их длины, затем их направление движения, каждое в последующих более глубоких областях коры, пока все это не соединится вентральным потоком и спинной поток , которые служат для обработки цвета и движения с высоким разрешением соответственно.

fovea centralis - это центр глаза, и, как уже отмечали другие, именно отсюда исходит 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 подключается к одной биполярной ячейке, которая подключается к одной ганглиозной ячейке.

Характеристики 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 VA . 20/20 ВА - среднее. 20/200 VA делает вас юридически слепым. Другое измерение - 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 дают нам видение с высоким разрешением.

Максимальная (и минимальная) апертура?

Обычно диаметр зрачка составляет 4 мм. 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.

Эквивалент 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 подходит для этой цели.

По оценкам астрофотографов, приблизительная оценка ISO составляет 500-1000 ISO, а ISO при дневном свете составляет всего 1. Но опять же, это не очень хорошее измерение для глаз.

Динамический диапазон?

Динамический диапазон самого глаза является динамичным, поскольку различные факторы влияют на скотопическое, мезопическое и фотопическое зрение. Это, кажется, хорошо изучено в Как динамический диапазон человеческого глаза сравнивается с динамическим диапазоном цифровых камер? .

Есть ли у нас что-нибудь, что эквивалентно скорости затвора?

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 Flicker 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 опуститься до 10.

Это не вся история, потому что большая часть этого вызвана зрительной стойкостью в мозге. Сам глаз имеет более высокий CFF (хотя я не могу сейчас 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.

Попытка сравнить камеру и глаз

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