Психолог Александр Лебедев

Какой из глаза объектив?


(Форматирование и изображения утеряны)

Человек давно и безоговорочно считает себя "венцом творения", твердо полагая, что природа в его лице достигла апогея реализации своих возможностей. Это, в частности, касается и зрения. Действительно, мы можем видеть и в почти полной тьме, и на ярком свету, различать мелкие детали удаленных предметов, сотни тысяч цветовых оттенков... Кто из мира животных может похвастаться подобным? Мы испытываем гордость, услыхав, что пчелы и стрекозы с их удивительными фасеточными глазами видят не так четко, как мы, что кошка с ее поразительным ночным зрением пожертвовала ради этого цветовым зрением и способностью "косить глазом". Некоторое завистливое подозрение вызывают всякие орлы, способные с высоты облака обнаружить мелкую дичь. Однако вздыхаем с облегчением, узнав, что лишь маленький центральный участок их поля зрения - зрительная ямка имеет столь высокую остроту видения.

Известно, что нынешние приборы умеют многое из того, что умеет человек. Есть датчики, фиксирующие единичные фотоны еще более уверенно, чем глаз. Есть колориметрические системы, различающие больше оттенков, существуют приборы инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского зрения, недоступного человеку.
Возникает вопрос, а как соотносятся качество оптической системы человеческого глаза и современного цифрового фотоаппарата? Гордость за человечество интуитивно подсказывает нам, что глаз выиграет. Качество «цифровиков» вызывает законные нарекания, а зримая глазами реальность, напротив - законное восхищение высоким разрешением, контрастностью и глубиной цветности. 
Тем не менее при внимательном рассмотрении сравнение выглядит парадоксальным: шарик менее чем трехсантиметрового диаметра, с единственной линзочкой... Качество конструкции вызывает сомнения в связи с часто встречаемыми дефектами в виде близорукости, дальнозоркости, астигматизма и другими, менее известными и менее мешающими… Как-то не возникает доверия к такому изделию рядом с просветленными линзами хитроумных камер, обладающих чувствительным слоем размером с ладонь, а то и две.
Фотографы требовательны к качеству оптики, вычисляют сложные параметры, не наблюдаемые глазом, с линзой в руках рассматривают миры (штриховые эталоны), чтобы убедиться, что искажения по углам соответствуют стандартам... А очки надеваются на нос лишь при отклонении фокуса хотя бы в одну диоптрию. Изощренная строгость полиграфистов по отношению к цветокоррекции выглядит так же смешно, если учесть, что нарушения цветового зрения вызывают беспокойство только при диагнозе "дальтонизм", менее фатальные же случаи относят к особенностям зрения.
Это все равно, что сверлить тоненькую дырочку, подбирать полированный шурупчик строго определенной длины, а потом с размаху заколачивать его гантелей.
Давайте подвергнем сомнению всё. Просто с самого начала. Вооружимся научной литературой и рассмотрим характеристики глаза как оптического прибора.

Чувствительность

Все без исключения источники характеризуют глаз как очень чувствительный прибор. При определенных условиях он способен регистрировать световые потоки в считанные фотоны. Есть некоторые расхождения в точном количестве, но, в общем и целом, все сходятся на чувствительности в единицы фотонов. Между прочим, оказывается, что по дороге к сетчатке - "цифровой матрице" глаза - теряется большая часть света. Ни один современный объектив не может себе позволить подобной расточительности.
При такой освещенности, разумеется, глаз не может сформировать изображение. В отличие от фотокамер, у глаза нет одной, определенной чувствительности, на которую можно опереться. Во-первых, сетчатка содержит два типа чувствительных элементов, во-вторых, регулировка чувствительности сетчатки происходит по совершенно иному механизму. В-третьих, многие матрицы также в состоянии отличить свет от тьмы при очень слабой освещенности.

Динамический диапазон

Диапазон воспринимаемых яркостей оценивается в 10^10, а воспринимаемая контрастность сюжета - 10^5. Имеется в виду отношение самого яркого к самому темному пятну картинки. Переводя цифры в привычные для фотографа величины, получается 33 и 16 ступеней соответственно. Параметры для пленки - обычно от 3 до 6 ступеней, а отдельным рукодельникам удается вытащить 10. Против шестнадцати. Впечатляет, не правда ли?
Однако все мы знаем, что, переходя с яркого света в полутьму или наоборот, мы слепнем, снова приобретая способность видеть лишь через некоторое время, Это означает, что вряд ли мы видим детали самого темного и самого светлого мест одновременно. 
Проведем эксперимент. Погасим свет, зажжем свечку, и посмотрим на пламя с не очень большого расстояния. Через короткое время мы будем в состоянии видеть все детали неяркого огонька. Не отводя взгляд от язычка пламени, попробуем боковым зрением рассмотреть окружающий интерьер. И вот тут оказывается, что это у нас не получается. Равно как и наоборот, если мы будем смотреть мимо пламени, на какой-нибудь предмет, то это пламя будет выглядеть в боковом зрении лишь ярким пятном без четких границ.
Умные книги подтверждают наш опыт - чувствительность сетчатки имеет динамический диапазон всего лишь в 2,2 ступени. Восприятие более контрастных объектов достигается при помощи адаптации зрения. Самый известный механизм адаптации – диафрагмирование, изменение диаметра зрачка. Зрачок может расширяться от 2 до 8 мм, что дает нам еще 4 ступени. Итого 6 с чем-то. Маловато для упомянутого диапазона, к тому же возникает вопрос: почему, попав в полутьму, зрачок расширяется практически мгновенно, а видеть мы начинаем спустя секунды, а то и минуты?
Объяснение есть: чувствительное вещество сетчатки не просто воспринимает свет, а расходуется, восполняясь с ограниченной скоростью. Поэтому на ярком свету оно расходуется быстрее, чем восстанавливается, его мало, и чувствительность сетчатки существенно снижается. Поэтому в темноте приходится ждать, пока его не накопится достаточно, чтобы видеть. Этот механизм и дает нам недостающий диапазон. 
Далее в дело вступает мозг, который обрабатывает результат, убеждая нас в том, что мы видим все одновременно, и свет и тени, в то время как мы можем воспринимать контрастные объекты лишь по очереди. Именно поэтому, рассматривая нечто на ярком свету, мы заслоняем глаза от солнца ладонью, дабы уменьшить общую яркость сюжета и дать глазу возможность адаптироваться к более темным деталям.
Посмотрим на два изображения: 
На одном из них мы ясно видим свечу и пламя, но интерьер теряется в тени. Однако, если мы закроем один глаз и посмотрим точно на свечу, то изображение не будет казаться нам неестественным. На втором из них, напротив, если мы опять-таки одним глазом сосредоточимся на цветах или занавеске, то белое пятно на месте пламени не будет нас беспокоить. Оба случая соответствуют тому, что мы видим на самом деле, привычны, и не раздражают. Мозг же, позволяя нам лучше ориентироваться в реальности, составляет из них более синтетический образ и подсовывает для обработки сознанием картинку примерно такого вида: на которой видны одновременно и свеча и интерьер. Если бы на фотографии были бы одинаково хорошо проработаны и свеча и цветы, то фотография выглядела бы естественной, так как одновременно мы рассматриваем только что-то одно. Но повторяю еще раз: мы не можем в реальности увидеть и то и другое сразу, только по очереди.

Геометрия оптики

Ясно, что глаз по своей конструкции – монокль – объектив из одной двояковыпуклой линзы. Мне встретилось (не подтвержденное цифрами) утверждение, что, в результате сочетания оптических свойств хрусталика и роговицы, аберрации (цветовые искажения) на периферии практически компенсируются. Возможно, конечно, но при таком угле зрения (160°) сомнительно. Тем не менее мне не удалось придумать простого опыта, которым можно было бы проверить эту гипотезу. 
Зато удалось рассмотреть геометрические искажения. Встаньте в метре или двух от двери. Выберите точку в ее середине. Глядя на эту точку одним глазом, одновременно обратите внимание на периферию поля зрения. Вы увидите, что дверные косяки образуют классическую "бочку" широкоугольного объектива. Выпрямляет эти кривые опять-таки мозг.
Известно, что лишь центр поля зрения, так называемое "желтое пятно" или фовеа, диаметром примерно 10-12° имеет высокую разрешающую способность. Можно предположить, что на периферии такое разрешение бессмысленно, в том числе из-за оптических искажений. Вот природа и не стала трудиться.

Разрешение

Количество светочувствительных элементов в сетчатке - примерно 130 000 000. Впору ахнуть - старидцатимегапиксельная камера. Однако вся эта уйма обслуживается всего лишь миллионом с четвертью нервных рецепторов. Мегапиксель. Звучит настолько обидно, что возникает желание проверить результат. 
Давайте проверим. 
Разрешающая способность глаза - примерно 1 угловая минута (1/60 градуса), для разных условий освещенности - от 0,7' до 2'. Для центра поля зрения, "желтого пятна" получается грубо 12х12х60х60 - примерно полмиллиона. Плюс-минус трамвайная остановка, конечно, но порядок сходится. 
Звучит все равно неправдоподобно - мегапиксельный кадр выглядит уродливо, чего не случилось бы, будь такого разрешения достаточно для полноценного восприятия. 
Объяснение в том, что глаз непрерывно дрожит, совершая мелкие движения (так называемые саккадические) вокруг рассматриваемой точки, и это позволяет мозгу реконструировать изображение с гораздо более высоким качеством.
Эксперимент: возьмем простенькую видеокамеру с ничего не стоящим ни в производстве, ни в использовании, но горячо рекламируемым цифровым зумом или хотя бы веб-камеру. Поставим ее на максимальное увеличение и направим на мелкий объект на пределе разрешения. Он будет выглядеть просто пятнышком. Но подвигаем камеру туда-сюда, и пятнышко волшебным образом обретет форму.

Глубина цветности

По одним источникам 92 градации освещенности, по другим - 100. Разница невелика, но тоже обидно. Проверим. Хорошо известно, что глаз в состоянии различить яркость полей, отличающихся по освещенности на 1,5%. Возводим 1,015 в сотую степень и получаем 4,4. Те самые две ступени с хвостиком. Совпадает. Имея в виду, что у нас есть три типа цветовых рецепторов (чувствительных к красному, синему и зеленому соответственно), получаем, что мы можем различить что-то вроде миллиона оттенков. Это с точностью до порядка сходится с другими источниками. Так что у глаза глубина цветности - 7 бит.

Шум

Было бы странно, если бы у нас не было аналога темнового шума - законы физики никто не отменял. И, правда, его можно увидеть, рассматривая темные предметы в полутьме. Просто закрыв глаза, легко увидеть низкочастотный шум – более светлые перемещающие и исчезающие пятна. При чрезмерной яркости сюжета мы можем наблюдать сверхнизкочастотный шум в виде "облаков". К сожалению, я не смог найти данных о наименее "шумливом" уровне освещенности.
Итак: мегапиксельная камера с объективом 160°, с четким центром диаметром 12°, динамическим диапазоном 2,2 ступени и семибитной цветностью. Поразительно, как мозг, имея столь ограниченный ввод, позволяет нам воспринимать мир так ясно, красочно и объемно. 
Создатель глаза, пытайся он продать в наши дни такую камеру, да еще обремененную полуторакилограммовым процессором, непременно потерпел бы крах.

Результат шокирует. Верить ему не хочется. Ставим контрольный эксперимент. Взгляните на картинку: <ПРОШУ НАПЕЧАТАТЬ В ШИРИНУ СТРАНИЦЫ>
Она старательно испорчена в соответствии с полученными выводами. Если выводы правильны, то при рассматривании этого изображения с расстояния, примерно в полтора раза больше его ширины (в данном случае примерно с 30 см), выглядеть оно должно всего лишь процентов на 30 хуже идеальной.
Посмотрели? Получилось? 
Теперь о хорошем. Проанализировав рассуждения, можно предположить, что фотографическое изображение может выглядеть наиболее натурально, если рассматривать его одним глазом под тем же углом зрения, с которым оно была сделано. Подсчитаем, с какого расстояния надо рассматривать фотографии.

 

Фокусное расстояние,мм

Угол зрения,°

Отношение расстояния к размеру

Расстояние для А4, см

для 20см

18

90,00

0,50

15

10

28

65,47

0,78

23

16

35

54,43

0,97

29

20

50

39,60

1,39

42

28

70

28,84

1,94

58

39

85

23,91

2,36

71

47

105

19,46

2,92

88

58

135

15,19

3,75

113

75


Собственно, приведенный выше пример обладает именно таким свойством, и, признаюсь, в некоторой степени именно это спасает кадр. Я проверил несколько десятков фотографий, для которых мне было известно фокусное расстояние, и свидетельствую, что, если смотреть на изображение именно так, как я сказал, то оно приобретает некоторый кажущийся объем и живость.

Само собой, это относится к неоткадрированным снимкам, и, разумеется, эти цифры относятся к полнокадровой 35-мм камере. Если вы пользуетесь цифрозеркалкой, то следует учитывать кроп-фактор, а если цифромыльницей, то опираться надо не на истинное фокусное расстояние, а на приведенное к 35-мм стандарту (обычно оно указывается в инструкции). 


Остается сделать только уже совсем очевидный вывод. Требования к качеству фотографического изображения несообразно высоки лишь потому, что каждый маленький участок картинки должен соответствовать качеству центра поля зрения, а небольшая (по отношению к реальности) контрастность полиграфии заставляет требовать одновременной качественной проработки как светлых частей, так и теней во всем диапазоне.

Комментарии

Нет комментариев.



Условия обработки персональных данных

© Александр Лебедев

Главная      Задать вопрос


Поделиться:

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru

Воспроизведение всех текстов в сети разрешено при наличии активной ссылки на первоисточник в подписи