Clarkvision Фотография - Разрешение человеческого глаза

содержание
Заметки о разрешении человеческого глаза
Острота зрения и разрешение деталей на отпечатках
Сколько мегапикселей эквивалентно глазу?
Чувствительность человеческого глаза (эквивалент ISO)
Динамический диапазон глаза
Фокусное расстояние глаза
Смотрите также серию «Цвет в ночном небе».

Заметки о разрешении человеческого глаза

Каково разрешение человеческого глаза или комбинации глаз с мозгом у людей? Там, кажется, приведено много разных цифр.

Все изображения, текст и данные на этом сайте защищены авторским правом.
Они не могут быть использованы, кроме как с письменного разрешения Роджера Н. Кларка.
Все права защищены. Если вы найдете информацию на этом сайте полезной, пожалуйста, поддержите Clarkvision и сделайте пожертвование (ссылка ниже).

Острота зрения определяется как 1 / a, где a - ответ в x / arc-minute. Проблема в том, что различные исследователи определили х как разные вещи. Тем не менее, когда разные определения нормированы на одно и то же, результаты совпадают. Вот проблема:

Обычно используется тестовый шаблон решетки, поэтому x определяется как циклы в шаблоне. Различные исследователи использовали линию, пару линий и полный цикл в качестве определения х. Таким образом, они сообщают, казалось бы, разные значения для остроты зрения и разрешения. Легко пересчитать остроту к общему стандарту, когда исследование определяет, что использовалось.

Поэтому, когда мы определяем x как пару линий, как это обычно делается в современной оптике, значение 1 / a составляет 1,7 при хороших условиях освещения. Впервые это было определено Конигом (1897 [да, это 1897) в «Die Abhangigkeit der Sehscharfe von der Beleuchtungsintensitat», SB Akad. Wiss. Berlin, 559-575. Также в: Hecht (1931, «Процессы сетчатки, связанные с остротой зрения»). и Color Vision, 'Бюллетень № 4 офтальмологической лаборатории Howe, Гарвардская медицинская школа, Кембридж, штат Массачусетс.) Сводный график многочисленных предметов остроты зрения в зависимости от яркости представлен Pirenne (1967, "Vision and the Eye, Чепмен и Холл, Лондон, стр. 132).

Острота = 1,7, когда уровень света больше, чем 0,1 Ламберта. Ламберт - это единица яркости, равная 1 / пи кандела на квадратный сантиметр. Кандела - это одна шестидесятая интенсивность одного квадратного сантиметра черного тела при температуре затвердевания платины. Точечный источник интенсивности одной канделы излучает один просвет в телесный угол одного стерадиана согласно словарю фотоники http://www.photonics.com/dictionary ,

Острота 1,7 соответствует 0,59 дуги в минуту на линию пара. Я не могу найти другого исследования, которое каким-либо образом противоречит этому.

Таким образом, для каждой пары линий требуется два пикселя, а это означает, что интервал между пикселями составляет 0,3 угловых минуты!

Блэквелл (1946) вывел разрешение глаза, которое он назвал критическим углом зрения в зависимости от яркости и контраста. При ярком освещении (например, при обычном офисном освещении или при полном солнечном освещении) критический угол обзора составляет 0,7 угловых минут (см. Clark, 1990, для дополнительного анализа данных Блэквелла). Число выше, 0,7 угловых минут, соответствует разрешению пятна в качестве неточечного источника. Опять же, вам нужно два пикселя, чтобы сказать, что это не точка, поэтому пиксели должны быть на 0,35 угловых минут (или меньше) на границе остроты зрения, в тесном соответствии с парами линий. Пары линий легче обнаружить, чем пятна, так что это тоже непротиворечиво, но ближе, чем я думал.

В современных исследованиях, таких как Curcio et al. (1990), острота измеряется в циклах на градус. Curcio et al. выведено 77 циклов на градус или 0,78 дуги в минуту / цикл. Опять же, вам нужно минимум 2 пикселя для определения цикла, поэтому интервал между пикселями составляет 0,78 / 2 = 0,39 угловых минут, что близко к указанным выше числам.

Острота зрения и разрешение деталей на отпечатках

Сколько пикселей необходимо для соответствия разрешению человеческого глаза? Каждый пиксель должен иметь размер не более 0,3 угловых минут. Рассмотрим отпечаток размером 20 x 13,3 дюйма при просмотре 20 дюймов. Печать содержит угол 53 x 35,3 градуса, что требует 53 * 60 / .3 = 10600 x 35 * 60 / .3 = 7000 пикселей, что в общей сложности составляет ~ 74 мегапикселя для отображения деталей в пределах остроты зрения человека.

10600 пикселей на 20 дюймов соответствуют 530 пикселям на дюйм, что на самом деле выглядит очень резким. Обратите внимание, что в недавнем тесте принтера я показал, что отпечаток с разрешением 600 точек на дюйм содержал больше деталей, чем отпечаток с разрешением 300 точек на дюйм на принтере HP1220C (1200x2400 точек печати). Я провел несколько слепых тестов, в которых зритель должен был отсортировать 4 фотографии (150, 300, 600 и 600 точек на дюйм). Два 600 точек на дюйм были напечатаны с разрешением 1200x1200 и 1200x2400 точек на дюйм. До сих пор все получили правильный порядок от наивысшего к наименьшему ppi (включая людей в возрасте до 50 лет). Увидеть: http://www.clarkvision.com/articles/printer-ppi

Сколько мегапикселей эквивалентно глазу?

Глаз не является ни одним кадром снимка камеры. Это больше похоже на видеопоток. Глаз быстро движется в небольших угловых количествах и постоянно обновляет изображение в мозгу, чтобы «нарисовать» детали. У нас также есть два глаза, и наш мозг объединяет сигналы для дальнейшего увеличения разрешения. Мы также обычно перемещаем взгляд по сцене, чтобы собрать больше информации. Из-за этих факторов глаз плюс мозг собирает изображение с более высоким разрешением, чем это возможно, с количеством фоторецепторов в сетчатке. Таким образом, приведенные ниже мегапиксельные эквивалентные числа относятся к пространственным деталям на изображении, которые потребуются для отображения того, что человеческий глаз может видеть при просмотре сцены.

Основываясь на приведенных выше данных о разрешении человеческого глаза, давайте сначала попробуем «маленький» пример. Рассмотрим вид перед собой, который составляет 90 градусов на 90 градусов, как будто вы смотрите через открытое окно на сцену. Количество пикселей будет
90 градусов * 60 угловых минут / градус * 1 / 0,3 * 90 * 60 * 1 / 0,3 = 324 000 000 пикселей (324 мегапикселя).
В любой момент вы фактически не воспринимаете столько пикселей, но ваш взгляд перемещается по сцене, чтобы увидеть все детали, которые вы хотите. Но человеческий глаз действительно видит большее поле зрения, близкое к 180 градусам. Давайте будем консервативны и используем 120 градусов для поля зрения. Тогда мы увидим
120 * 120 * 60 * 60 / (0,3 * 0,3) = 576 мегапикселей.
Полный угол человеческого зрения потребует еще больше мегапикселей. Для такого рода детализации изображения требуется широкоформатная камера для записи.

Чувствительность человеческого глаза (эквивалент ISO)

При слабом освещении человеческий глаз интегрируется примерно до 15 секунд (Blackwell, J. Opt. Society America, v 36, p624-643, 1946). ISO изменяется в зависимости от уровня света за счет увеличения родопсина в сетчатке. Этот процесс занимает полчаса, так что мы предполагаем, что вы не подвергались воздействию яркого солнечного света в течение дня. Предполагая, что вы носите солнцезащитные очки и хорошо адаптируетесь к темноте, вы можете видеть довольно слабые звезды вдали от города. На основании этого можно сделать разумную оценку адаптированного к темноте глаза.

В тестовой экспозиции, которую я проводил с объективом Canon 10D и 5-дюймовым апертурным объективом, зеркальная фотокамера может записывать звезды со звездной величиной 14 за 12 секунд при ISO 400. Вы можете увидеть звезды со звездной величиной 14 за несколько секунд с такой же апертурной линзой. (Кларк Р.Н., Визуальная астрономия глубокого неба, Cambridge U. Press and Sky Publishing, 355 страниц, Cambridge, 1990.)

Таким образом, я бы оценил адаптированный к темноте глаз примерно на ISO 800.

Обратите внимание, что при ISO 800 на 10D усиление составляет 2,7 электронов / пиксель (ссылка: http://clarkvision.com/articles/digital.signal.to.noise ) что было бы похоже на способность глаза видеть пару фотонов для обнаружения.

В течение дня глаз гораздо менее чувствителен, более чем в 600 раз меньше (Middleton, Vision Through the Atmosphere, U. Toronto Press, Toronto, 1958), что соответствует значению эквивалента ISO около 1.

Динамический диапазон глаза

Человеческий глаз способен функционировать при ярком солнечном свете и видеть слабый звездный свет в диапазоне от 100 миллионов до одного. Данные Blackwell (1946) охватывали диапазон яркости 10 миллионов и не включали интенсивности ярче, чем около полной Луны. Полный диапазон адаптивности составляет порядка от миллиарда до 1. Но это все равно, что сказать, что камера может работать в аналогичном диапазоне, регулируя чувствительность ISO, диафрагму и время экспозиции.

На любом одном изображении глаз может видеть более 10 000 диапазонов при обнаружении контраста, но это зависит от яркости сцены, причем диапазон уменьшается с более низкими контрастными целями. Глаз является детектором контрастности, а не абсолютным детектором, как датчик в цифровой камере, таким образом, различие. (См. Рис. 2.6 в Clark, 1990; Blackwell, 1946 и ссылки там). Дальность действия человеческого глаза больше, чем у любой пленочной или бытовой цифровой камеры.

Вот простой эксперимент, который вы можете сделать. Выйдите с звездной картой в ясную ночь с полной луной. Подождите несколько минут, пока ваши глаза привыкнут. Теперь найдите самые слабые звезды, которые вы можете обнаружить, когда сможете увидеть полную луну в вашем поле зрения. Попробуйте ограничить луну и звезды до 45 градусов по прямой (зенит). Если у вас чистое небо вдали от городских огней, вы, вероятно, сможете увидеть звездные величины 3 звездной величины. Полнолуние имеет звездную величину -12,5. Если вы видите звезду с магнитудой 2,5, диапазон звезд, который вы видите, равен 15. Каждые 5 звездных величин - это коэффициент 100, поэтому 15 - это 100 * 100 * 100 = 1 000 000. Таким образом, динамический диапазон в этом относительно слабом освещении составляет около 1 миллиона к одному (20 ступеней), возможно, выше!

Другой тест состоит в том, чтобы использовать телескоп, чтобы увидеть самую яркую звезду на ночном небе, Сириус А и его ближайшего спутника, Сириус Б. Расстояние от Сириуса А до Сириуса В изменяется на его орбите, но колеблется от 3 до 12 угловых секунд, так всегда близко, даже в больших телескопах. Тем не менее, с хорошей (низкой вспышкой) оптикой и чистой атмосферой, можно увидеть и то, и другое. Sirius A имеет яркость -1,47 звездных величин и Sirius B 8,44 для диапазона яркости 10,28 или диапазона яркости 12 900 или 13,7 ступеней. Обнаружение слабых звезд рядом с яркой звездой может быть ограничено вспышкой объектива / телескопа. Но на больших расстояниях, чем Сириус A и B, более слабые звезды могут быть обнаружены на том же виде, что и яркие звезды, поэтому динамический диапазон составляет более 13,7 ступеней. Используйте звездную карту (например, стелларий) и телескоп и посмотрите, какие слабые звезды вы можете увидеть вокруг Сириуса.

В ходе своего собственного тестирования я провел эксперимент, в котором за окном было видно яркое облако, а детали в темной комнате измерялись с помощью экспонометра, и было обнаружено, что они на 14 ступенях слабее. Несколько людей могли видеть детали как в облаке, так и в темной комнате в одном и том же виде.

Фокусное расстояние глаза

Каково фокусное расстояние глаза? Я сделал поиск в Google и нашел много «ответов» в диапазоне от 17 мм до 50 мм (50 абсолютно абсурдно). Правильный ответ приведен в справочнике «Свет, цвет и зрение», Hunt et al., Chapman and Hall, Ltd, Лондон, 1968, стр. 49, для «стандартного европейского взрослого»:

Фокусное расстояние объекта глаз = 16,7 мм
Фокусное расстояние изображения глаза = 22,3 мм.

Фокусное расстояние объекта предназначено для лучей, выходящих из глаз. Но для изображения на сетчатке, фокусное расстояние изображения - то, что каждый хочет. Например, см .: http://galileo.phys.virginia.edu/classes/531.cas8m.fall04/l11.pdf ,

Это объясняет обычно упоминаемое фокусное расстояние ~ 17 мм, но правильное значение составляет ~ 22 мм.

Тогда это имеет больше смысла для отношения f /: с апертурой 7 мм, отношение f / = 22,3 / 7 = 3,2.

Конечно, эти значения варьируются, с приведенными значениями от 22 до 24 мм, так же, как у диафрагмы. Максимальная диафрагма также уменьшается с возрастом.

Максимум f / stop в астрономическом сообществе определен на уровне f / 3.5 для адаптированного к темноте человеческого глаза. При максимальной диафрагме 7 мм это означает фокусное расстояние около 25 мм. Минимальное увеличение астрономического телескопа обычно называют световым конусом f / 3.5, то есть, если вы посмотрите через более быструю систему, оптика глаза f / 3.5 не сможет собрать весь свет.

Спектральный отклик глаза

Смотрите также серию «Цвет в ночном небе»:

Да, вы можете видеть цвет в ночном небе.

Blackwell, J. Optical Society America, v 36, p624-643, 1946

Curcio, CA, Sloan, KR, Kalina, RE & Hendrickson, AE, Топография фоторецепторов человека. Журнал сравнительной неврологии 292, 497-523, 1990.

Кларк Р.Н., Визуальная астрономия глубокого неба , издательство Кембриджского университета и издательство Sky, 355 страниц, Кембридж, 1990.

Острота зрения, http://webvision.med.utah.edu/KallSpatial.html

Глаз и камера, http://www.luminous-landscape.com/columns/eye-camera.shtml. (Интересная статья о сравнении изображений с камеры и глаз.)

Все изображения, текст и данные на этом сайте защищены авторским правом.
Они не могут быть использованы, кроме как с письменного разрешения Роджера Н. Кларка.
Все права защищены.

http://www.clarkvision.com/articles/human-eye/

Впервые опубликовано в январе 2005 г.
Последняя проверка 6 декабря 2017 г.