Come si confronta l'occhio umano con le moderne macchine fotografiche e obiettivi?


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Un obiettivo nella maggior parte della fotografia è quello di presentare una scena che ricorda ciò che una persona che era stata lì in quel momento avrebbe visto. Anche quando si lavora intenzionalmente al di fuori di questo, la visione umana è di fatto la base di partenza.

Quindi, sembra utile sapere qualcosa su come l'occhio si confronta con la nostra tecnologia della fotocamera. Lasciando da parte le questioni di psicologia, riconoscimento dei modelli e percezione del colore il più possibile (perché questa è una domanda separata!), Come si confronta l'occhio umano con una fotocamera e un obiettivo moderni?

Qual è la risoluzione effettiva? Campo visivo? Apertura massima (e minima)? Equivalenza ISO? Gamma dinamica? Abbiamo qualcosa che equivale alla velocità dell'otturatore?

Quali strutture sono direttamente analoghe a parti di una fotocamera e di un obiettivo (ad esempio la pupilla e l'iride) e quali caratteristiche sono unicamente umane (o trovate nelle telecamere ma non nella biologia)?


+1 Sono anche interessato. ad alcune parti della domanda è già stata data risposta in altre domande più specifiche!
JoséNunoFerreira,

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Ho fatto la prima domanda, ma ho cancellato me stesso perché alcuni utenti hanno iniziato a lamentarsi della sua soggettività. Sono contento che tu possa porre la stessa domanda in un modo in cui nessuno si lamenta!
Tomm89,

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Questa è una domanda interessante, ma alla fine si tratta di confrontare mele e arance. L'occhio umano è altamente evoluto per far fronte alle situazioni quotidiane che gli umani hanno affrontato nel corso di migliaia di anni. Inoltre, l'occhio da solo non è analogo a un moderno sistema di telecamere / obiettivi: devi includere anche il cervello (che non è molto più analogo), a quel punto la fotocamera perde per motivi di adattabilità, velocità, utilità, ecc. Inoltre, non dimentichiamo che ciò che produce una fotocamera è abbastanza inutile senza un occhio / cervello per interpretarlo in qualcosa di significativo.
Nick,

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@Nick - Assolutamente! Questo è molto il punto della domanda. Non dimenticare, le mele e le arance possono essere confrontate in molti modi diversi significativi. Sono colori diversi, hanno un sapore diverso, hanno una consistenza diversa, richiedono condizioni di crescita diverse, hanno un diverso valore nutrizionale, sono usati per creare diversi tipi di prodotti ....
mattdm

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Tutte queste domande sono state contrassegnate come fuori tema, tuttavia non sono sicuro che sia vero. La visione è un fattore chiave in ogni lavoro dei fotografi e, sebbene non tutti possano essere interessati a questi argomenti, molti di noi lo sono. Penso che sia una discussione pertinente, soprattutto dato che su questi forum abbiamo molti tipi tecnici e scientifici. Le domande riguardano specificamente la fotografia, le persone le stanno rispondendo e non ci sono voti da chiudere.
jrista

Risposte:


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L'occhio umano fa davvero schifo rispetto ai moderni obiettivi per fotocamere.

Il sistema visivo umano , d'altra parte, supera di gran lunga qualsiasi sistema di telecamere moderno (obiettivo, sensore, firmware).

  • L'occhio umano è solo acuto al centro. In effetti, è solo nitido in un punto molto, molto piccolo noto come la fovea , che è un punto il cui diametro è inferiore all'uno percento del nostro angolo di visione totale. Quindi abbiamo un po 'di morbidezza all'angolo in corso.

    Il cervello umano è in grado di correggere per questo, tuttavia. Indica all'occhio di compiere movimenti molto rapidi intorno a una scena in modo che la parte tagliente nel mezzo si metta in movimento. Il cervello ha quindi una straordinaria stabilizzazione dell'immagine nel corpo, perché prende tutti questi movimenti rapidi e li mette insieme per creare una scena nitida - beh, almeno tutti i frammenti su cui l'occhio è atterrato mentre sfrecciano saranno nitidi.

  • L'occhio umano è abbastanza sensibile alla luce, ma a bassi livelli di luce non sono disponibili informazioni sul colore. Inoltre, la parte tagliente al centro (la fovea) è meno sensibile alla luce.

    Tecnicamente è perché l'occhio ha fotositi separati chiamati coni per i tre colori (rosso, verde, blu) e un altro tipo di fotosite chiamato canne che cattura solo il bianco e nero, ma è molto più efficiente.

    Il cervello ricama tutti questi elementi per creare un'eccellente immagine a colori durante il giorno, ma anche quando è molto, molto scuro viene fuori un'immagine morbida e incolore creata da tutte le aste.

  • L'occhio ha solo un elemento di lente e produce una terribile aberrazione cromatica sotto forma di frange viola.

    In realtà, questa frangia è tutta nelle brevissime lunghezze d'onda della luce. Il sistema visivo umano è meno sensibile a questi blues e violette. Oltre a ciò, è in grado di correggere quella frange che esiste in alcuni modi. Primo, perché il sistema di visione umano è solo acuto nel mezzo, ed è lì che c'è la minore aberrazione cromatica. E in secondo luogo, perché la nostra risoluzione del colore è (al di fuori della fovea) molto più bassa della nostra risoluzione della luminosità, e il cervello non tende a usare il blu per capire la luminosità.

  • Possiamo vedere in tre dimensioni. Ciò è in parte dovuto al fatto che abbiamo due occhi e il cervello può eseguire calcoli sorprendenti relativi alla convergenza tra di essi. Ma è anche più avanzato di così; oltre all '"effetto 3D" che si ottiene dalla visione stereo, il cervello può anche ricostruire scene in tre dimensioni anche guardando una foto bidimensionale della scena. È perché comprende spunti come occlusione, ombre, prospettiva e indizi dimensionali e usa tutti questi elementi per mettere insieme la scena come uno spazio 3D. Quando guardiamo una foto di un lungo corridoio, possiamo vedere che il corridoio si estende lontano da noi anche se non abbiamo una visione stereo, perché il cervello capisce la prospettiva.


Il punto cieco è anche interessante menzionare
clabacchio

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(Con molto aiuto dall'articolo di Wikipedia )

I nostri occhi sono un sistema a 2 lenti, il primo è il nostro occhio esterno e il secondo è una lente appena all'interno del nostro occhio. I nostri occhi hanno una lunghezza focale fissa, di circa 22-24 mm. Abbiamo una risoluzione significativamente più alta vicino al centro che ai bordi. La risoluzione varia in modo significativo in base alla posizione dell'immagine che stai guardando, ma è circa 1,2 arcminuti / coppia di linee nella regione centrale. Abbiamo circa 6-7 milioni di sensori, quindi abbiamo 6-7 megapixel, ma sono leggermente diversi. Il modello dei rilevatori di colore non è molto uniforme, al centro vi sono diverse capacità di rilevazione del colore rispetto alla visione periferica. Il campo visivo si trova a circa 90 gradi dal centro.

Un punto interessante è che l'occhio umano non forma mai una "Snapshot" completa, ma è più un sistema continuo. Può essere molto difficile dirlo, perché i nostri cervelli sono molto bravi a correggerlo, ma il nostro sistema è più un approccio seccante alla fotografia, in qualche modo ma non esattamente simile a una videocamera digitale.

L'obiettivo "Normale" viene solitamente scelto per rappresentare l'area primaria della messa a fuoco umana, spiegando così le loro differenze.

Le telecamere hanno diversi tipi di sensori, ma di solito sono distribuite in modo abbastanza uniforme attorno al sensore. Il sensore è sempre piatto (il sensore di Human è curvo), causando potenzialmente distorsioni del bordo. La risoluzione è difficile da ottenere nello stesso formato della visione umana e dipende in qualche modo dall'obiettivo, ma si può tranquillamente affermare che l'occhio umano ha più risoluzione al centro della sua messa a fuoco, ma meno nelle aree periferiche.


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Per quanto riguarda la risoluzione, che è stata discussa un po 'su una delle mie altre risposte, il 1/60 di grado (1 arcminuto) è per la visione 20/20. Mentre questo è "normale" per la maggior parte delle persone, ci sono milioni di persone che vedono il 20/10 da adulti. I bambini hanno anche un'acuità migliore, nel range 20/10 o anche 20/8, che è circa 0,4 - 0,75 arcminute.
jrista

Non è così tanto che l'occhio esterno è poco performante, è che sta facendo un lavoro diverso. Il centro del campo visivo è dove abbiamo una buona visione, mentre l'occhio esterno è migliore per cose come situazioni di scarsa illuminazione.
Zachary K,

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Pixiq ha pubblicato un articolo molto interessante sull'argomento, appena pubblicato pochi giorni fa: http://web.archive.org/web/20130102112517/http://www.pixiq.com/article/eyes-vs-cameras

Parlano dell'equivalenza ISO, messa a fuoco, apertura, velocità dell'otturatore, ecc ... È soggetto a discussione, ma è comunque interessante da leggere.

L'occhio stesso è un buon pezzo di tecnologia, ma il cervello fa gran parte del lavoro nell'assemblare i pezzi insieme. Ad esempio, possiamo percepire un intervallo dinamico molto ampio, ma ciò è dovuto principalmente al fatto che il cervello riunisce le diverse regioni insieme senza che noi ce ne accorgiamo. Lo stesso vale per la risoluzione, l'occhio ha una buona risoluzione al centro, ma funziona davvero male ovunque. Il cervello assembla i dettagli per noi. Lo stesso vale per i colori, percepiamo solo i colori al centro, ma il cervello ci inganna memorizzando nella cache le informazioni sui colori quando escono dal campo di applicazione.


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Lascia che ti faccia una domanda: qual è il bitrate e la profondità di un disco in vinile?

Le telecamere sono dispositivi progettati per riprodurre il più fedelmente possibile l'immagine proiettata sul loro CCD. Un occhio umano è un dispositivo evoluto il cui scopo è semplicemente quello di migliorare la sopravvivenza. È piuttosto complesso e spesso si comporta in modo controintuitivo. Hanno pochissime somiglianze:

  • Una struttura ottica per focalizzare la luce
  • Una membrana ricettiva per rilevare la luce proiettata

I fotorecettori della retina

L'occhio stesso non è notevole. Abbiamo milioni di fotorecettori, ma forniscono input ridondanti (e ambigui allo stesso tempo!) Al nostro cervello. I fotorecettori a bastoncino sono altamente sensibili alla luce (specialmente sul lato bluastro dello spettro) e possono rilevare un singolo fotone. Nell'oscurità, funzionano abbastanza bene in una modalità chiamata visione scotopica. Man mano che diventa più luminoso, come durante il crepuscolo, le cellule del cono iniziano a svegliarsi. Le celle a cono richiedono almeno 100 fotoni per rilevare la luce. A questa luminosità, sono attive sia le cellule dell'asta che le cellule del cono, in una modalità chiamata visione mesopica. Le celle ad asta forniscono una piccola quantità di informazioni sul colore in questo momento. Quando diventa più luminoso, le celle a bastoncino si saturano e non possono più funzionare come rilevatori di luce. Questo si chiama visione fotopica e funzioneranno solo le cellule dei coni.

I materiali biologici sono sorprendentemente riflettenti. Se non fosse fatto nulla, la luce che passa attraverso i nostri fotorecettori e colpisce la parte posteriore dell'occhio si rifletterebbe in un angolo, creando un'immagine distorta. Ciò è risolto dallo strato finale di cellule nella retina che assorbono la luce usando la melanina. Negli animali che richiedono una grande visione notturna, questo strato è intenzionalmente riflettente, quindi i fotoni che mancano ai fotorecettori hanno la possibilità di colpirli sulla via del ritorno. Ecco perché i gatti hanno retine riflettenti!

Un'altra differenza tra una fotocamera e l'occhio è dove si trovano i sensori. In una fotocamera, si trovano immediatamente nel percorso della luce. Nell'occhio, tutto è al contrario. I circuiti retinici sono tra la luce e i fotorecettori, quindi i fotoni devono passare attraverso uno strato di tutti i tipi di cellule e vasi sanguigni, prima di colpire finalmente un'asta o un cono. Questo può distorcere leggermente la luce. Fortunatamente, i nostri occhi si calibrano automaticamente, quindi non siamo bloccati a fissare un mondo con vasi sanguigni rosso vivo che vanno avanti e indietro!

Il centro dell'occhio è il luogo in cui avviene tutta la ricezione ad alta risoluzione, con la periferia che diventa progressivamente sempre meno sensibile ai dettagli e sempre più daltonico (sebbene più sensibile alle piccole quantità di luce e movimento). Il nostro cervello si occupa di questo spostando rapidamente gli occhi in un modello molto sofisticato per consentirci di ottenere il massimo dettaglio dal mondo. Una telecamera è in realtà simile, ma piuttosto che usare un muscolo, campiona ogni recettore CCD a sua volta in un modello di scansione rapida. Questa scansione è molto, molto più veloce del nostro movimento saccadico, ma è anche limitata a un solo pixel alla volta. L'occhio umano è più lento (e la scansione non è progressiva ed esauriente), ma può assorbirne molto di più contemporaneamente.

Preelaborazione eseguita nella retina

La stessa retina in realtà fa un sacco di pre-elaborazione. Il layout fisico delle celle è progettato per elaborare ed estrarre le informazioni più rilevanti.

Mentre ogni pixel di una fotocamera ha una mappatura 1: 1 del pixel digitale da memorizzare (almeno per un'immagine senza perdita di dati), le aste e i coni nella nostra retina si comportano in modo diverso. Un singolo "pixel" è in realtà un anello di fotorecettori chiamato campo ricettivo. Per capirlo, è necessaria una comprensione di base dei circuiti della retina:

circuiti della retina

I componenti principali sono i fotorecettori, ognuno dei quali si collega a una singola cellula bipolare, che a sua volta si collega a un ganglio che raggiunge attraverso il nervo ottico al cervello. Una cellula gangliare riceve input da più cellule bipolari, in un anello chiamato campo ricettivo centrale-surround. Il centro se l'anello e il contorno dell'anello si comportano come opposti. La luce che attiva il centro eccita la cellula gangliare, mentre la luce che attiva il surround la inibisce (un campo al centro, fuori campo). Ci sono anche cellule gangliari per le quali questo è invertito (decentrato, surround).

campi recettivi

Questa tecnica migliora nettamente il rilevamento e il contrasto dei bordi, sacrificando l'acuità nel processo. Tuttavia, la sovrapposizione tra campi ricettivi (un singolo fotorecettore può agire come input per più cellule gangliari) consente al cervello di estrapolare ciò che sta vedendo. Ciò significa che le informazioni dirette al cervello sono già altamente codificate, al punto in cui un'interfaccia cervello-computer che si collega direttamente al nervo ottico non è in grado di produrre qualcosa che possiamo riconoscere. È codificato in questo modo perché, come altri hanno già detto, il nostro cervello offre incredibili capacità di post-elaborazione. Dal momento che questo non è direttamente correlato all'occhio, non li approfondirò molto. Le basi sono che il cervello rileva singole linee (bordi), quindi le loro lunghezze, quindi la loro direzione di movimento, ognuna in aree successivamente più profonde della corteccia,flusso ventrale e flusso dorsale , che servono rispettivamente per elaborare il colore e il movimento ad alta risoluzione.

contrasto del bordo

La fovea centralis è il centro dell'occhio e, come altri hanno sottolineato, è da dove proviene la maggior parte della nostra acutezza. Contiene solo celle a cono e, a differenza del resto della retina, ha una mappatura 1: 1 a ciò che vediamo. Un fotorecettore a cono singolo si collega a una singola cellula bipolare che si collega a una singola cellula gangliare.

Le specifiche dell'occhio

L'occhio non è progettato per essere una fotocamera, quindi non c'è modo di rispondere a molte di queste domande nel modo che preferisci.

Qual è la risoluzione effettiva?

In una fotocamera c'è una precisione piuttosto uniforme. La periferia è buona quanto il centro, quindi ha senso misurare una telecamera con la risoluzione assoluta. L'occhio d'altra parte non è non solo un rettangolo, ma diverse parti dell'occhio vedono con diversa precisione. Invece di misurare la risoluzione, gli occhi sono spesso misurati in VA . Un 20/20 VA è nella media. Un 20/200 VA ti rende legalmente cieco. Un'altra misura è LogMAR , ma è meno comune.

Campo visivo?

Tenendo conto di entrambi gli occhi, abbiamo un campo visivo orizzontale di 210 gradi e un campo visivo verticale di 150 gradi. 115 gradi sul piano orizzontale sono capaci di visione binoculare. Tuttavia, solo 6 gradi ci offrono una visione ad alta risoluzione.

Apertura massima (e minima)?

In genere, la pupilla ha un diametro di 4 mm. La sua gamma massima va da 2 mm ( f / 8.3 ) a 8 mm ( f / 2.1 ). A differenza di una fotocamera, non possiamo controllare manualmente l'apertura per regolare cose come l'esposizione. Un piccolo ganglio dietro l'occhio, il ganglio ciliare, regola automaticamente la pupilla in base alla luce ambientale.

Equivalenza ISO?

Non puoi misurarlo direttamente, poiché abbiamo due tipi di fotorecettori, ognuno con sensibilità diversa. Come minimo, siamo in grado di rilevare un singolo fotone (anche se ciò non garantisce che un fotone che colpisce la nostra retina colpirà una cellula a bastoncino). Inoltre, non otteniamo nulla fissando qualcosa per 10 secondi, quindi un'esposizione extra significa poco per noi. Di conseguenza, ISO non è una buona misura per questo scopo.

Una stima nel campo da baseball degli astrofotografi sembra essere di 500-1000 ISO, con ISO di luce diurna pari a 1. Ma, di nuovo, questa non è una buona misura da applicare all'occhio.

Gamma dinamica?

La gamma dinamica dell'occhio stesso è dinamica, poiché entrano in gioco diversi fattori per la visione scotopica, mesopica e fotopica. Questo sembra essere esplorato bene in Come si confronta la gamma dinamica dell'occhio umano con quella delle fotocamere digitali? .

Abbiamo qualcosa che equivale alla velocità dell'otturatore?

L'occhio umano è più simile a una videocamera. Prende tutto in una volta, lo elabora e lo invia al cervello. L'equivalente più vicino alla velocità dell'otturatore (o FPS) è il CFF , o Critical Fusion Frequency, chiamato anche Flicker Fusion Rate. Questo è definito come il punto di transizione in cui una luce intermittente di frequenza temporale crescente si fonde in un'unica luce solida. Il CFF è più alto nella nostra periferia (motivo per cui a volte puoi vedere lo sfarfallio delle vecchie lampadine fluorescenti solo se le guardi indirettamente), ed è più alto quando è luminoso. In condizioni di luce intensa, il nostro sistema visivo ha una CFF di circa 60. Al buio, può arrivare fino a 10.

Questa non è tutta la storia, perché gran parte di ciò è causato dalla persistenza visiva nel cervello. L'occhio stesso ha un CFF più alto (anche se non riesco a trovare una fonte in questo momento, mi sembra di ricordare che è dell'ordine di magnitudo 100), ma il nostro cervello confonde le cose insieme per ridurre il carico di elaborazione e darci più tempo analizzare uno stimolo transitorio.

Prova di confrontare una macchina fotografica e l'occhio

Occhi e macchine fotografiche hanno scopi completamente diversi, anche se sembrano fare superficialmente la stessa cosa. Le telecamere sono costruite intenzionalmente attorno a ipotesi che rendono facili alcuni tipi di misurazione, mentre nessun piano di questo tipo è entrato in gioco per l'evoluzione dell'occhio.

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