Фокусное расстояние человеческого глаза: Какому объективу соответствует человеческий глаз?

Камера против человеческого глаза: сравнение оптики

Почему у нас не выходит снимать так, как видит наш глаз? Вопрос этот невероятно прост. Однако на него не так легко дать четкий ответ. Сначала необходимо узнать, как видеокамере удается записывать изображение, и как функционирует зрение. Изучая эти сложные вопросы, вы обязательно узнаете что-то новое о созерцании визуального мира, о чем раньше вы и подумать не могли. Кроме того, это знания, необходимые каждому оператору, готовому развиваться!

Общая информация

Человеческие глаза способны окидывать все происходящее перед собой взглядом и в динамике адаптировать зрение к разным условиям. Многочисленные специалисты уверены в том, что это ключевое преимущество зрения перед камерой. К примеру, человеческие глаза могут автоматически компенсировать контраст разных объектов, двигаться по сторонам, получая различный угол зрения и сфокусироваться на необходимом предмете на любом допустимом расстоянии.

Но процесс все же напоминает съемку камеры. Ведь сознание собирает несколько взглядов в единый образ, как камера запечатлевает несколько кадров в секунду, создавая видимость непрерывности движения. Быстрый взгляд человека мог бы стать отличным сравнением с работой камерой, но зрительная система все же уникальна. Все, что мы видим, является лишь реконструкцией объектов, которые представлены перед глазами, а не тем, что мы привыкли называть реальностью.

Но все это не должно помешать сравнению глаз с объективом камеры. Если мы примем тот факт, что человеческое сознание обрабатывает информацию, получаемую с помощью зрения, и, что эта обработка является сложным процессом, в котором участвуют не только глаза, мы все же сможет сравнить зрение и камеру.

Ключевые различия

Мы рассмотрим различия по следующим категориям:

• Угол зрения;
• динамический диапазон;
• различимость деталей в поле зрения.

Именно в этих трех категориях мы можем наблюдать основные различия зрения и объектива камеру. Но, естественно, есть и другие отличия. К примеру, баланс цветов и глубина резкости. Но мы остановимся на тех характеристиках, которые вызывают больше всего споров.

Угол зрения

Если говорить о камерах, характеристика зависит от фокусного расстояния и размера сенсора. К примеру, фокусное расстояние телеобъектива всегда будет превосходить показатели обычного портретного, поэтому и угол зрения будет меньше.

С глазами все намного сложнее. Фокусное расстояние зрения людей равно примерно 22 миллиметрам. Но такие показатели легко могут ввести читателей в заблуждение, ведь глазное дно округлено, периферия нашего зрения всегда размыта, в отличие от центра, и то, на что мы смотрим, является комбинацией увиденного двумя глазами.

Угол зрения каждого глаза может доходить до 200 градусов. Показатель зависит от того, как строго объекты можно определить в качестве наблюдаемых. Таким образом, зона перекрытия обоих глаз может составлять около 130 градусов, то есть ширину угла зрения можно сравнить с объективами, которые мы называем «рыбий глаз». Но эволюция сделала наше периферийное зрение таким, что сегодня оно пригодно лишь для обнаружения больших и движущихся объектов. Такой угол был бы сильно искажен, если бы снимался на видеокамеру.

Динамический диапазон

Данная характеристика чаще всего используется с точки зрения преимущества человеческого зрения. Если говорить о ситуациях, в которых зрачки сужаются и расширяются, привыкая к контрасту, то можно точно заявлять, что глаза заметно выигрывают у фотоаппарата. Но, если в этом смысле сравнивать глаза с видеокамерой, выходит так, что они привыкают к разнице яркостей так же, как и при съемке видео адаптируется объектив.

Как глаза и камеры выделяют детали?

Основная масса сегодняшних камер может похвастаться лишь 20 мегапикселями, о чем нередко многие любят рассуждать, говоря, что наше зрение здесь стопроцентно выигрывает. Подобные суждения основаны на том, что при лучшем зрении глаз подобен камере с 50 мегапикселями.

Подсчеты звучат убедительно, но проблема кроется в том, что только центральное зрение можно называть идеальным. Когда мы начинаем уводить от центра взгляд, способности уменьшаются и мы начинаем видеть лишь одну десятую того, что дано нам перед взглядом. Стараясь увидеть что-то периферийным зрением, мы практически перестаем различать детали. Изображение становится плоским, тусклым и размытым. О камерах такого точно не скажешь.

Заключение

Конечно, читатели могут поспорить и сказать, что мысли, представленные выше, довольно непоследовательны, так как для камер необходим совершенно иной стандарт и дополнительный свет. Человек ими пользуется для создания реалистичных изображений. Все части кадра должны быть максимально четкими и детализированными, ведь оператор никогда не знает, что именно привлечет внимание человека. 

Говоря о плюсах нашего зрения, следует сказать, что сознание может рационально интерпретировать информацию, которую передают ему глаза. С камерой дела обстоят по-другому. Ведь кадры, что мы можем видеть, доступны нам благодаря работе сенсора. При этом сегодняшние камеры справляются со своей работой довольно хорошо. Кроме того, по многим характеристикам они даже превосходят человеческое зрение. Однако в итоге все зависит от оператора, который в силу таланта способен создать видео, полностью превосходящее то изображение, реконструируемое человеческим сознанием. 

Тот результат, который зритель видит на экране, создаётся десятками и сотнями людей с использованием самой современной техники и цифровых технологий. Как и в любой другой сфере, здесь есть свои особенности и секреты. Мы же готовы обеспечить вас всеми необходимыми расходными материалами для съемочного процесса, которые вы найдете на нашем сайте kinosklad.ru. 

Вернуться к списку

Фотографические параметры человеческого глаза – Фотоцентр «Photovision»

У любого человека, более-менее знакомого с фототехникой и с любовью к познанию окружающего мира, наверное, не раз возникал в голове вопрос, как соотносятся человеческий глаз и современный цифровой фотоаппарат по своим параметрам? Какова чувствительность человеческого глаза, фокусное расстояние, относительное отверстие и прочие интересные мелочи. О которых я вам сегодня и расскажу:)

Итак, облазив пол интернета я пришёл к выводу, что до сих пор не написано ни одной статьи на русском языке, которая бы поставила точку в описании человеческого глаза по техническим параметрам или покрыла тему более-менее плотно.

Фотографические параметры человеческого глаза и некоторые особенности его строения
Чувствительность (ISO) человеческого глаза динамически изменяется в зависимости от текущего уровня освещения в пределах от 1 до 800 единиц ISO. Время полной адаптации глаза к тёмной обстановке занимает около получаса.

Количество мегапикселей у человеческого глаза составляет порядка 130, если считать каждый фоточувствительный рецептор за отдельный пиксель. Однако центральная ямка (fovea), являющаяся наиболее чувствительным к свету участком сетчатки и отвечающяя за ясное центральное зрение имеет разрешение порядка одного мегапикселя и охватывает около 2 градусов обзора.

Фокусное расстояние равняется ~22-24мм.

Размер отверстия (зрачка) при открытой радужной оболочке равно ~7мм.

Относительное отверстие равняется 22/7 = ~3.2—3.5.

Шина передачи данных от одного глаза до мозга содержит порядка 1.2 миллиона нервных волокон (аксонов).

Пропускная способность канала от глаза до мозга составляет около 8-9 мегабит в секунду.

Углы обзора одного глаза составляют 160 x 175 градусов.

В сетчатке глаза человека содержится приблизительно 100 миллионов палочек и 30 миллионов колбочек. или 120 + 6 по альтернативным данным.

Колбочки — один из двух типов фоторецепторных клеток сетчатки глаза. Свое название колбочки получили из-за конической формы. Их длина около 50 мкм, диаметр — от 1 до 4 мкм.

Колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки (другой тип клеток сетчатки), но гораздо лучше воспринимают быстрые движения.
Различают три вида колбочек, по чувствительности к разным длинам волн света (цветам). Колбочки S-типа чувствительны в фиолетово-синей, M-типа — в зелено-желтой, и L-типа — в желто-красной частях спектра. Наличие этих трех видов колбочек (и палочек, чувствительных в изумрудно-зеленой части спектра) даёт человеку цветное зрение. Длинноволновые и средневолновые колбочки (с пиками в сине-зелёном и жёлто-зелёном) имеют широкие зоны чуствительности со значительным перекрыванием, поэтому колбочки определённого типа реагируют не только на свой цвет; они лишь реагируют на него интенсивнее других.

В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы колбочек, зрение обеспечивают только палочки, поэтому ночью человек не может различать цвета.

Палочки (англ. rod cells) — один из двух типов фоторецепторных клеток сетчатки глаза, названый так за свою цилиндрическую форму. Палочки более чувствительны к свету и, в человеческом глазе, сконцентрированы к краям сетчатки, что определяет их участие в ночном и периферийном зрении.

В человеческом глазе, приспособленном, преимущественно, к дневному свету, при приближении к середине сетчатки палочки постепенно вытесняются, более подходящими для дневного света, колбочками (второй вид клеток сетчатки) и в центральной ямке не встречаются вовсе. У животных ведущих преимущественно ночной образ жизни (например, кошек) наблюдается противоположная картина.

Чувствительность палочки достаточна, чтобы зарегистрировать попадание одного-единственного фотона, в то время как колбочкам необходимо попадание от нескольких десятков, до нескольких сотен фотонов. Кроме того, к одному интернейрону, собирающему и усиливающему сигнал c сетчатки, как правило, подсоединяются несколько палочек, что дополнительно увеличивает чувствительность за счет остроты восприятия (или разрешения изображения). Такое объединение палочек в группы делает периферийное зрение очень чувствительным к движениям и отвечает за феноменальные способности отдельных индивидов к зрительному восприятию событий лежащих вне угла их зрения.

Из-за того, что все палочки используют один и тот же светочувствительный пигмент (вместо трех, как у колбочек), они в малой степени или совсем не участвуют в цветном зрении.

Также, палочки реагируют на свет медленнее, чем колбочки — палочка реагирует на раздражитель в течение порядка ста миллисекунд. Это делает ее более чувствительной к меньшим количествам света, но снижает способность к восприятию быстротекущих изменений, таких как быстрая смена образов.

Палочки воспринимают свет, преимущественно, в изумрудно-зеленой части спектра, поэтому в сумерках изумрудный цвет кажется ярче, чем все остальные.

Однако следует помнить, что строение фотоаппарата отличается от строения глаза. При съёмке фотоаппаратом или видеокамерой, изображение разбивается на кадры. Каждый кадр “снимается” с матрицы в определенный момент времени, т.е. в процессор попадает готовое изображение. В то время, как человеческий глаз отсылает в мозг постоянный видеопоток без разбиения по кадрам. Поэтому можно неверно истолковать некоторые параметры, если не разбираться в вопросе более-менее досканально. В итоге можно сказать, что по чувствительности человеческий глаз догнала почти вся mid-end фототехника, а high-end так и вообще перегнала во много раз. Однако уровень шумов у наиболее распространенной mid-end техники гораздо выше, чем у сетчатки, а качество изображения хуже на порядок.

Так же сетчатка отличается от фотосенсоров тем, что чувствительность на ней меняется для каждого отдельного фоторецептора в зависимости от освещения, что позволяет добиться очень высокого динамического диапазона итоговой картинки. Сенсоры с подобной технологией уже разрабатываются многими компаниями, но пока ещё не выпускаются.

На данный момент ещё не изобретено устройство с размерами человеческого глаза, сопоставимое с ним ни по оптическим, ни по техническим параметрам.

Использованные источники:
http://www.clarkvision.com/imagedetail/eye-resolution.html
http://webvision.umh.es/webvision/
http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=20:17485
http://ru.wikipedia.org/wiki/Колбочки_(сетчатка)
http://ru.wikipedia.org/wiki/Палочки_(сетчатка)

p.s. точных данных по тем или иным значениям я так и не нашёл, пришлось пользоваться средними, более реальными и наиболее часто встречающимимся данными. Поэтому, если вы найдёте ошибку или сочтете, что разбираетесь в теме лучше, то отпишитесь в комментариях, пожалуйста. Мне будет очень интересно узнать ваше мнение и ваши дополнения.

Зрение

— Каково минимальное фокусное расстояние человеческого глаза?

Краткий ответ
Фокусное расстояние среднего здорового взрослого человеческого глаза вблизи составляет около 18,5 мм. Молодые люди могут приспособить свои линзы к фокусному расстоянию около 15,4 мм.

Фон
Фокусное расстояние человеческого глаза — это расстояние между хрусталиком и сетчаткой, когда объект находится в фокусе (рис. 1). Таким образом, ... даже с учетом размытых изображений часть вопроса не имеет особого смысла. Итак, я сосредоточу свой ответ только на четких изображениях (каламбур).

Хрусталики глаза толще в центре, чем по краям, поэтому линзы положительные и собирающие. Они формируют перевернутое изображение на светочувствительном слое в задней части глаза — сетчатке (рис. 1). Изображение на сетчатке формируется двумя линзами: 1) роговицей с фиксированным фокусным расстоянием и 2) хрусталиком, который это линза с переменным фокусным расстоянием за счет изменения формы (рис. 1), называемая аккомодацией и опосредованная цилиарными мышцами (Kolb, 2012).

При расслаблении цилиарных мышц фокусное расстояние хрусталика максимально и удаленные объекты находятся в фокусе (бесконечность). Когда цилиарные мышцы сокращаются, они укорачивают фокусное расстояние хрусталика, чтобы сфокусировать более близкие объекты. Два предела этого диапазона называются дальней точкой (ресничные мышцы расслаблены) и ближней точкой (максимальная аккомодация) (источник: Колорадский университет, Боулдер).

Расстояние между хрусталиком и сетчаткой составляет около 20 мм. Когда объект находится далеко от глаза (бесконечность), изображение находится практически в фокусе. Поэтому фокусное расстояние роговицы и хрусталика должно быть около 20 мм, когда мышцы глаза расслаблены. Сила линзы обратно пропорциональна ее фокусному расстоянию в метрах. Следовательно, сила роговицы и хрусталика в дальней точке составляет около 1/0,020 = 50 диоптрий (источник: Колорадский университет, Боулдер).

Когда объект находится в ближней точке (ближайшая точка, в которой объект может быть четко сфокусирован на сетчатке), фокусное расстояние роговицы и хрусталика должно быть изменено так, чтобы изображение было формируется на сетчатке, которая находится еще на расстоянии 20 мм. Типичная ближняя точка у взрослого составляет 25 см, что соответствует фокусному расстоянию роговицы и хрусталика глаза 18,52 мм с использованием стандартных правил трассировки лучей для линз. Следовательно, прочность роговицы и хрусталика теперь должна составлять около 1/0,01852 = 54 диоптрии. Другими словами, мышцы глаза могут обеспечить диапазон аккомодации в 4 диоптрии (источник: Университет Колорадо, Боулдер).

Дети могут, однако, фокусироваться на точках на расстоянии 6,5 см, , т.е. , оптическая сила 15 диоптрий, , т.е. , минимальное фокусное расстояние 15,39 мм.

^{Рис. 1. Глаз человека. Верхняя панель: неаккомодированный расслабленный глаз. Нижняя панель: приспособленный глаз. источник: Академия Хана}

_{Ссылка
— Колб, Общая анатомия глаза. В: Webvision. Организация сетчатки и зрительной системы , Moran Eye Center (2012)}

Каково фокусное расстояние человеческого глаза?

10 июля 2019 г. 5 июля 2019 г. / spqr

Забавно, какие ассоциации возникают у людей между камерами и человеческим глазом. Мегапиксели — это одно, а фокусное расстояние — это другое. Вероятно, это связано с представлением о том, что полнокадровое фокусное расстояние 50 мм максимально приближено к человеческому зрению (ну, не совсем). В то время как разрешение связано с «количеством пикселей» и «остротой этих пикселей», то есть с тем, как работает сетчатка, фокусное расстояние связано с другими компонентами глаза. Теперь поищите в Интернете, и вы найдете целую кучу разных чисел, когда речь заходит о фокусном расстоянии глаза, на самом деле существует ряд определений, основанных на оптической системе.

Анатомия глаза играет важную роль в определении фокусного расстояния. Объектив камеры состоит из ряда линз, разделенных воздухом. Глаз, наоборот, состоит из двух линз, разделенных жидкостями. В передней части глаза находится прочный прозрачный слой, называемый роговицей, который можно считать фиксированной линзой. За роговицей находится жидкость, известная как

водянистая влага , заполняющая пространство между роговицей и хрусталиком. Хрусталик прозрачен, как и роговица, но его форму можно изменять, чтобы можно было фокусировать предметы, находящиеся на разном расстоянии (процесс изменения формы хрусталика называется 9аккомодация 0025, и опосредуется цилиарными мышцами ). От хрусталика свет проходит через другой более крупный слой жидкости, известный как стекловидное тело , на пути к сетчатке.

Когда ресничные мышцы расслаблены, фокусное расстояние хрусталика максимально, и объекты на расстоянии находятся в фокусе. При сокращении цилиарных мышц хрусталик принимает более выпуклую форму, а фокусное расстояние хрусталика укорачивается, чтобы сфокусировать более близкие предметы. Эти два предела называются дальней точкой и ближней точкой соответственно.

Учитывая это, похоже, есть два способа измерения фокусного расстояния: (i) диоптрийный или (ii) оптический.

Фокусное расстояние на основе диоптрий

Чтобы понять фокусное расстояние глаза на основе диоптрий, мы должны понять диоптрий , или силу (преломляющую способность) линзы. Он рассчитывается как величина, обратная фокусному расстоянию в метрах. Преломляющая сила линзы — это способность материала преломлять свет. Линза в 1 диоптрию сфокусирует параллельный луч на расстоянии 1 метр. Таким образом, расчет:

Диоптрия = 1 / (фокусное расстояние в метрах)

В среднем человеческий глаз функционирует таким образом, что для того, чтобы параллельный луч света, исходящий от удаленного объекта, сфокусировался на сетчатке, глаз должен иметь оптическая сила около 59-60 дптр. В составной линзе человеческого глаза около 40 диоптрий приходится на переднюю поверхность роговицы, остальное — на переменнофокусную (кристаллическую) линзу. Используя эту информацию, мы можем рассчитать фокусное расстояние человеческого глаза как 1/диоптрия, что означает 1/59.= 16,9 и 1/60 = 16,66, или примерно 17 мм .

Фокусное расстояние основано на ОПТИКЕ

С точки зрения физического зрения необходимо учитывать ряд расстояний. Если рассматривать уменьшенный глаз, с одной главной плоскостью и узловой точкой. Основная плоскость находится на 1,5 мм позади передней поверхности роговицы, а узловая точка — на 7,2 мм позади передней поверхности роговицы. Это дает переднее фокусное расстояние 17,2 мм , измеренное от единственной главной плоскости до передней фокальной точки (F1), на расстоянии 15,7 мм перед передней поверхностью роговицы. Заднее фокусное расстояние 22,9 мм измеряется от той же плоскости до задней фокальной точки (F2) на сетчатке.

Проблема с некоторыми расчетами заключается в том, что они не учитывают свойства глаза, наполненного жидкостью. Теперь рассчитайте диоптрийную силу обоих фокусных расстояний, используя показатель преломления стекловидного тела = 1,337 для расчета заднего фокусного расстояния:

диоптрий, переднее фокусное расстояние = 1000/17,2 = 58,14
диоптрий, заднее фокусное расстояние = (1000 * 1,337)/22,9= 58.