Làm thế nào để mắt người so sánh với máy ảnh và ống kính hiện đại?

Một mục tiêu trong hầu hết các nhiếp ảnh là trình bày một cảnh giống với những gì một người đã ở đó vào lúc đó sẽ thấy. Ngay cả khi cố ý làm việc bên ngoài đó, tầm nhìn của con người là cơ sở thực tế.

Vì vậy, có vẻ hữu ích khi biết một cái gì đó về cách mắt so sánh với công nghệ máy ảnh của chúng tôi. Bỏ qua các vấn đề về tâm lý học, nhận dạng mẫu và nhận thức màu sắc càng nhiều càng tốt (vì đó là một câu hỏi riêng biệt!), Mắt người so sánh với máy ảnh và ống kính hiện đại như thế nào?

Giải pháp hiệu quả là gì? Lĩnh vực xem? Khẩu độ tối đa (và tối thiểu)? Tương đương ISO? Phạm vi năng động? Chúng ta có bất cứ thứ gì tương đương với tốc độ màn trập không?

Những cấu trúc nào tương tự trực tiếp với các bộ phận của máy ảnh và ống kính (đồng tử và mống mắt), và những tính năng nào là duy nhất của con người (hoặc được tìm thấy trong máy ảnh nhưng không phải là sinh học)?

Mắt người thực sự hút so với ống kính máy ảnh hiện đại.

Mặt khác , hệ thống thị giác của con người vượt xa mọi hệ thống camera hiện đại (ống kính, cảm biến, phần sụn).

• Mắt người chỉ sắc nét ở trung tâm. Trên thực tế, nó chỉ sắc nét ở một điểm rất nhỏ được gọi là hố mắt , đó là một điểm có đường kính nhỏ hơn một phần trăm trong tổng góc nhìn của chúng ta. Vì vậy, chúng tôi có một số góc mềm nghiêm trọng đang diễn ra.

  Bộ não con người có thể điều chỉnh cho điều này, tuy nhiên. Nó hướng dẫn mắt thực hiện các chuyển động rất nhanh xung quanh một cảnh sao cho phần sắc nét ở giữa phi tiêu xung quanh. Bộ não sau đó có một sự ổn định hình ảnh trong cơ thể khá tuyệt vời, bởi vì nó cần tất cả những chuyển động nhanh chóng này và ghép chúng lại với nhau để tạo nên một cảnh sắc nét - tốt, ít nhất là tất cả các bit mà mắt chạm vào trong khi phóng ra xung quanh sẽ rất sắc nét.

• Mắt người khá nhạy cảm với ánh sáng, nhưng ở mức độ ánh sáng thấp thì không có thông tin màu sắc nào. Thêm vào đó, phần sắc nét ở trung tâm (hố mắt) ít nhạy cảm hơn với ánh sáng.

  Về mặt kỹ thuật, đó là do mắt có các hình ảnh riêng biệt gọi là hình nón cho ba màu (đỏ, lục, lam) và một loại hình ảnh khác gọi là que chỉ chụp đen trắng, nhưng hiệu quả hơn nhiều.

  Bộ não kết hợp tất cả những thứ này lại với nhau để tạo ra một hình ảnh đầy đủ màu sắc tuyệt vời vào ban ngày, nhưng ngay cả khi nó thực sự rất tối, nó vẫn xuất hiện với một hình ảnh mềm mại, không màu được tạo bởi tất cả các que.

• Mắt chỉ có một thành phần thấu kính và nó tạo ra quang sai màu khủng khiếp ở dạng viền tím.

  Trên thực tế, rìa này là tất cả trong các bước sóng rất ngắn của ánh sáng. Hệ thống thị giác của con người ít nhạy cảm nhất với những màu xanh và tím này. Thêm vào đó, nó có thể sửa cho viền đó tồn tại theo một số cách. Đầu tiên, bởi vì hệ thống thị giác của con người chỉ sắc nét ở giữa, và đó là nơi có quang sai ít nhất. Và thứ hai, bởi vì độ phân giải màu của chúng ta (bên ngoài hố mắt) thấp hơn nhiều so với độ phân giải độ sáng của chúng ta và não không có xu hướng sử dụng màu xanh khi tìm ra độ sáng.

• Chúng ta có thể nhìn thấy trong ba chiều. Điều này một phần là do chúng ta có hai mắt và bộ não có thể thực hiện những tính toán đáng kinh ngạc liên quan đến sự hội tụ giữa chúng. Nhưng nó cũng tiên tiến hơn thế; cũng như "hiệu ứng 3D" bạn có được từ tầm nhìn âm thanh nổi, bộ não cũng có thể tái tạo lại các cảnh theo ba chiều ngay cả khi nhìn vào một bức ảnh hai chiều của cảnh. Đó là bởi vì nó hiểu các tín hiệu như tắc, bóng, phối cảnh và kích thước và sử dụng tất cả những thứ này để ghép cảnh như một không gian 3D. Khi chúng ta nhìn vào một bức ảnh của một hành lang dài, chúng ta có thể thấy rằng hành lang mở rộng ra khỏi chúng ta mặc dù chúng ta không có tầm nhìn âm thanh nổi, bởi vì bộ não hiểu được viễn cảnh.

(Với nhiều sự giúp đỡ từ bài viết Wikipedia )

Mắt của chúng ta là một hệ thống 2 thấu kính, đầu tiên là mắt ngoài của chúng ta và thứ hai là một thấu kính ngay bên trong mắt chúng ta. Mắt của chúng ta có tiêu cự cố định, khoảng 22-24 mm. Chúng tôi có độ phân giải cao hơn đáng kể gần trung tâm so với các cạnh. Độ phân giải thay đổi đáng kể dựa trên vị trí trong hình ảnh bạn đang xem, nhưng đó là khoảng 1,2 arcminutes / cặp dòng ở khu vực trung tâm. Chúng tôi có khoảng 6-7 triệu cảm biến, do đó chúng tôi có 6-7 megapixel, nhưng chúng có phần khác nhau. Mô hình của các máy dò màu không đồng nhất lắm, có khả năng phát hiện màu khác nhau ở trung tâm so với tầm nhìn ngoại vi. Trường nhìn là khoảng 90 độ từ trung tâm.

Một điểm thú vị là mắt người không bao giờ tạo thành một "Ảnh chụp" hoàn chỉnh, mà là một hệ thống liên tục. Có thể rất khó để nói điều này, bởi vì bộ não của chúng ta rất giỏi trong việc sửa lỗi cho nó, nhưng hệ thống của chúng ta giống như một cách tiếp cận xô bị rò rỉ để chụp ảnh, hơi giống nhưng không hoàn toàn giống với máy quay kỹ thuật số.

Thấu kính "Bình thường" thường được chọn để đại diện cho khu vực chính của con người, do đó giải thích sự khác biệt của chúng.

Máy ảnh có các loại cảm biến khác nhau, nhưng chúng thường được trải khá đồng đều xung quanh cảm biến. Cảm biến luôn phẳng (Cảm biến của con người bị cong), có khả năng dẫn đến biến dạng cạnh. Độ phân giải khó đạt được ở cùng định dạng với tầm nhìn của con người, và phụ thuộc phần nào vào ống kính, nhưng có thể nói một cách an toàn rằng mắt người có độ phân giải cao hơn ở trung tâm của nó, nhưng ít hơn ở các khu vực ngoại vi.

Pixiq có một bài viết rất thú vị về chủ đề này, vừa được phát hành vài ngày trước: http://web.archive.org/web/20130102112517/http://www.pixiq.com/article/eyes-vs-cameras

Họ nói về sự tương đương ISO, lấy nét, khẩu độ, tốc độ màn trập, v.v ... Đó là chủ đề thảo luận, nhưng vẫn rất thú vị để đọc.

Bản thân mắt là một mảnh tốt của công nghệ, nhưng bộ não thực hiện nhiều công việc trong việc lắp ráp các mảnh lại với nhau. Ví dụ, chúng ta có thể nhận thấy một phạm vi động rất lớn, nhưng điều này chủ yếu là do bộ não lắp ráp các khu vực khác nhau lại với nhau mà chúng ta không nhận ra. Tương tự đối với độ phân giải, mắt có độ phân giải tốt ở trung tâm, nhưng thực sự hoạt động kém ở mọi nơi khác. Bộ não lắp ráp các chi tiết cho chúng ta. Tương tự đối với màu sắc, chúng ta chỉ cảm nhận màu sắc ở trung tâm, nhưng bộ não đánh lừa chúng ta bằng cách lưu trữ thông tin màu sắc khi chúng đi ra khỏi phạm vi trung tâm.

Hãy để tôi ném lại một câu hỏi cho bạn: bitrate và độ sâu bit của bản ghi vinyl là gì?

Máy ảnh là thiết bị được thiết kế để trung thực nhất có thể, tái tạo hình ảnh được chiếu lên CCD của chúng. Mắt người là một thiết bị tiến hóa với mục đích đơn giản là tăng cường khả năng sống sót. Nó khá phức tạp và thường hành xử ngược với trực giác. Chúng có rất ít điểm tương đồng:

• Một cấu trúc quang học để tập trung ánh sáng
• Một màng tiếp nhận để phát hiện ánh sáng chiếu

Các tế bào cảm quang của võng mạc

Bản thân mắt không đáng chú ý. Chúng ta có hàng triệu bộ cảm biến quang, nhưng chúng cung cấp đầu vào dư thừa (và mơ hồ cùng một lúc!) Cho bộ não của chúng ta. Các tế bào cảm quang hình que rất nhạy cảm với ánh sáng (đặc biệt là ở phía màu xanh lam của quang phổ) và có thể phát hiện một photon đơn lẻ . Trong bóng tối, chúng hoạt động khá tốt trong một chế độ gọi là tầm nhìn scotopic. Khi nó trở nên sáng hơn, chẳng hạn như trong hoàng hôn, các tế bào hình nón bắt đầu thức dậy. Các tế bào hình nón cần tối thiểu khoảng 100 photon để phát hiện ánh sáng. Ở độ sáng này, cả tế bào hình que và tế bào hình nón đều hoạt động, trong một chế độ gọi là tầm nhìn mesopic. Các tế bào que cung cấp một lượng nhỏ thông tin màu sắc tại thời điểm này. Khi nó trở nên sáng hơn, các tế bào que bão hòa và không thể hoạt động như các máy dò ánh sáng. Điều này được gọi là tầm nhìn quang và chỉ có các tế bào hình nón sẽ hoạt động.

Vật liệu sinh học là phản xạ đáng ngạc nhiên. Nếu không có gì được thực hiện, ánh sáng đi qua các tế bào cảm quang của chúng ta và chiếu vào phía sau mắt sẽ phản xạ ở một góc, tạo ra một hình ảnh bị bóp méo. Điều này được giải quyết bằng lớp tế bào cuối cùng trong võng mạc hấp thụ ánh sáng bằng melanin. Ở những động vật đòi hỏi tầm nhìn ban đêm tuyệt vời, lớp này được phản xạ có chủ ý , vì vậy các photon bỏ qua các tế bào cảm quang có cơ hội đánh chúng trên đường trở về. Đây là lý do tại sao mèo có võng mạc phản chiếu!

Một điểm khác biệt giữa máy ảnh và mắt là nơi đặt các cảm biến. Trong một máy ảnh, chúng được đặt ngay lập tức trong đường đi của ánh sáng. Trong mắt, mọi thứ đều ngược. Mạch võng mạc nằm giữa ánh sáng và các tế bào cảm quang, vì vậy các photon phải đi qua một lớp của tất cả các loại tế bào và mạch máu, trước khi cuối cùng chạm vào một que hoặc hình nón. Điều này có thể làm biến dạng ánh sáng một chút. May mắn thay, đôi mắt của chúng ta tự động hiệu chỉnh chính mình, vì vậy chúng ta không bị nhìn chằm chằm vào một thế giới với các mạch máu đỏ tươi đang nhảy qua lại!

Trung tâm của mắt là nơi diễn ra tất cả sự tiếp nhận độ phân giải cao, với ngoại vi ngày càng ít nhạy cảm hơn với chi tiết và ngày càng nhiều màu sắc (mặc dù nhạy cảm hơn với lượng ánh sáng và chuyển động nhỏ). Bộ não của chúng ta đối phó với điều này bằng cách nhanh chóng di chuyển mắt xung quanh theo một mô hình rất tinh vi để cho phép chúng ta có được chi tiết tối đa từ thế giới. Một máy ảnh thực sự tương tự, nhưng thay vì sử dụng một cơ bắp, nó sẽ lấy mẫu từng thụ thể CCD lần lượt theo kiểu quét nhanh. Quá trình quét này rất xa, nhanh hơn nhiều so với chuyển động saccadic của chúng tôi, nhưng nó cũng bị giới hạn chỉ một pixel mỗi lần. Mắt người chậm hơn (và quá trình quét không tiến bộ và toàn diện), nhưng nó có thể mất nhiều thời gian hơn.

Tiền xử lý được thực hiện ở võng mạc

Bản thân võng mạc thực sự làm khá nhiều quá trình tiền xử lý. Bố cục vật lý của các ô được thiết kế để xử lý và trích xuất thông tin phù hợp nhất.

Mặc dù mỗi pixel trong máy ảnh có ánh xạ 1: 1, pixel kỹ thuật số đang được lưu trữ (ít nhất là đối với hình ảnh không bị mất), các que và hình nón trong võng mạc của chúng ta hoạt động khác nhau. Một "pixel" thực sự là một vòng của các tế bào cảm quang gọi là trường tiếp nhận. Để hiểu điều này, một sự hiểu biết cơ bản về mạch của võng mạc là bắt buộc:

Các thành phần chính là các tế bào cảm quang, mỗi tế bào kết nối với một tế bào lưỡng cực duy nhất, lần lượt kết nối với một hạch được truyền qua dây thần kinh thị giác đến não. Một tế bào hạch nhận đầu vào từ nhiều tế bào lưỡng cực, trong một vòng gọi là trường tiếp nhận bao quanh trung tâm. Tâm nếu vòng và bao quanh vòng hoạt động như đối lập. Ánh sáng kích hoạt trung tâm kích thích sự sôi tế bào hạch, trong khi ánh sáng kích hoạt vòm ức chế nó (một on-trung tâm, off-vòm lĩnh vực). Ngoài ra còn có các tế bào hạch mà điều này được đảo ngược (ngoài trung tâm, trên bao quanh).

Kỹ thuật này cải thiện mạnh mẽ phát hiện cạnh và độ tương phản, hy sinh sự nhạy bén trong quá trình. Tuy nhiên, sự chồng chéo giữa các lĩnh vực tiếp nhận (một tế bào cảm quang đơn lẻ có thể đóng vai trò là đầu vào cho nhiều tế bào hạch) cho phép não ngoại suy những gì nó đang nhìn thấy. Điều này có nghĩa là thông tin hướng đến não đã được mã hóa cao, đến mức giao diện máy tính não kết nối trực tiếp với dây thần kinh thị giác không thể tạo ra bất cứ thứ gì chúng ta có thể nhận ra. Nó được mã hóa theo cách này bởi vì, như những người khác đã đề cập, bộ não của chúng ta cung cấp khả năng xử lý hậu kỳ tuyệt vời. Vì điều này không liên quan trực tiếp đến mắt, tôi sẽ không giải thích nhiều về chúng. Điều cơ bản là bộ não phát hiện các đường riêng lẻ (các cạnh), sau đó là chiều dài của chúng, sau đó là hướng di chuyển của chúng, mỗi vùng trong các vùng sâu hơn sau đó của vỏ não,luồng bụng và luồng lưng , phục vụ để xử lý màu sắc và chuyển động có độ phân giải cao, tương ứng.

Trung tâm mắt là trung tâm của mắt và, như những người khác đã chỉ ra, là nơi mà hầu hết sự nhạy bén của chúng ta đến từ. Nó chỉ chứa các tế bào hình nón, và, không giống như phần còn lại của võng mạc, có ánh xạ 1: 1 với những gì chúng ta thấy. Một tế bào cảm quang hình nón đơn kết nối với một tế bào lưỡng cực duy nhất kết nối với một tế bào hạch đơn lẻ.

Thông số kỹ thuật của mắt

Mắt không được thiết kế để trở thành một máy ảnh, vì vậy không có cách nào để trả lời nhiều câu hỏi này theo cách bạn có thể thích.

Giải pháp hiệu quả là gì?

Trong một máy ảnh, có độ chính xác khá đồng đều. Thiết bị ngoại vi cũng tốt như trung tâm, vì vậy sẽ rất hợp lý khi đo camera bằng độ phân giải tuyệt đối. Mặt khác, mắt không chỉ không phải là một hình chữ nhật, mà các phần khác nhau của mắt nhìn với độ chính xác khác nhau. Thay vì đo độ phân giải, mắt thường được đo bằng VA . Một 20/20 VA là trung bình. Một VA 20/200 làm cho bạn mù về mặt pháp lý. Một phép đo khác là LogMAR , nhưng nó ít phổ biến hơn.

Lĩnh vực xem?

Khi tính đến cả hai mắt, chúng ta có trường nhìn ngang 210 độ và trường nhìn dọc 150 độ. 115 độ trong mặt phẳng ngang có khả năng nhìn hai mắt. Tuy nhiên, chỉ có 6 độ cung cấp cho chúng ta tầm nhìn độ phân giải cao.

Khẩu độ tối đa (và tối thiểu)?

Thông thường, con ngươi có đường kính 4 mm. Phạm vi tối đa của nó là 2 mm ( f / 8.3 ) đến 8 mm ( f / 2.1 ). Không giống như máy ảnh, chúng tôi không thể điều khiển thủ công khẩu độ để điều chỉnh những thứ như phơi sáng. Một hạch nhỏ phía sau mắt, hạch mật, tự động điều chỉnh đồng tử dựa trên ánh sáng xung quanh.

Tương đương ISO?

Bạn không thể đo trực tiếp điều này, vì chúng tôi có hai loại tế bào cảm quang, mỗi loại có độ nhạy khác nhau. Ở mức tối thiểu, chúng ta có thể phát hiện một photon duy nhất (mặc dù điều đó không đảm bảo rằng một photon chạm vào võng mạc của chúng ta sẽ chạm vào một tế bào que). Ngoài ra, chúng tôi không đạt được bất cứ điều gì bằng cách nhìn chằm chằm vào một cái gì đó trong 10 giây, vì vậy tiếp xúc thêm có ý nghĩa rất nhỏ đối với chúng tôi. Kết quả là, ISO không phải là một phép đo tốt cho mục đích này.

Một ước tính trong sân bóng từ các nhà nhiếp ảnh thiên văn dường như là 500-1000 ISO, với ISO ánh sáng ban ngày thấp đến 1. Nhưng một lần nữa, đây không phải là một phép đo tốt để áp dụng cho mắt.

Phạm vi năng động?

Phạm vi hoạt động của mắt bản thân là năng động, như các yếu tố khác nhau đi vào chơi cho scotopic, mesopic, và tầm nhìn photopic. Điều này dường như được khám phá tốt trong phạm vi năng động của mắt người so với máy ảnh kỹ thuật số như thế nào? .

Chúng ta có bất cứ thứ gì tương đương với tốc độ màn trập không?

Mắt người giống như một máy quay video. Nó nhận mọi thứ cùng một lúc, xử lý nó và gửi nó đến não. Tương đương gần nhất với tốc độ màn trập (hoặc FPS) là CFF , hay Tần số hợp nhất quan trọng, còn được gọi là Tốc độ kết hợp Flicker. Đây được định nghĩa là điểm chuyển tiếp trong đó một ánh sáng không liên tục tăng tần số thời gian hòa trộn thành một ánh sáng đơn, rắn. CFF cao hơn ở ngoại vi của chúng tôi (đó là lý do tại sao đôi khi bạn có thể thấy ánh sáng nhấp nháy của bóng đèn cũ chỉ khi bạn nhìn vào chúng một cách gián tiếp), và nó cao hơn khi trời sáng. Trong ánh sáng rực rỡ, hệ thống thị giác của chúng ta có CFF khoảng 60. Trong bóng tối, nó có thể xuống thấp tới 10.

Tuy nhiên, đây không phải là toàn bộ câu chuyện, bởi vì phần lớn điều này là do sự tồn tại của thị giác trong não. Mắt tự nó có CFF cao hơn (trong khi tôi không thể tìm thấy nguồn ngay bây giờ, tôi dường như nhớ nó đang ở mức độ lớn 100), nhưng não của chúng ta làm mờ mọi thứ cùng nhau để giảm tải xử lý và cho chúng ta nhiều thời gian hơn để phân tích một kích thích thoáng qua.

Cố gắng so sánh một máy ảnh và mắt

Mắt và máy ảnh có những mục đích hoàn toàn khác nhau, ngay cả khi chúng có vẻ bề ngoài làm điều tương tự. Máy ảnh được xây dựng có chủ ý xung quanh các giả định giúp dễ dàng thực hiện các phép đo nhất định, trong khi không có kế hoạch nào như vậy được đưa ra cho sự tiến hóa của mắt.