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:
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).
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.
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.