Основы теории света и глаз человека

Свет – это электромагнитное излучение. Человеческий глаз может реагировать на это излучение и различать частоты, которые воспринимаются глазом как цвет. Посмотрите на рис. 2.1 электромагнитное излучение включает все частоты, или длины волн. Видимый свет занимает лишь небольшое «окно» этого диапазона. Это окно лежит в диапазоне от 380 нм до 780 нм. Чтобы легче было запомнить, мы приближенно примем границы диапазона равными 400 нм и 700 нм. 400 нм соответствует фиолетовому цвету, а 700 нм – красному. По мере увеличения длины волны цвет непрерывно переходит от фиолетового к голубому, зеленому, желтому, оранжевому и красному. Для определения средней чувствительности человеческого глаза было проделано множество экспериментов и тестов, и, как видно из рисунка, не все цвета оказывают одинаковое воздействие на сетчатку глаза.

Рис. 2.1. Электромагнитный спектр и чувствительность человеческого глаза

Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Другими словами, если собрать все длины волн с равной энергией, то зеленый будет иметь наибольший «выход» на сетчатке. Частоты выше фиолетового (длины волн короче 400 нм) и ниже красного (длины более 700 нм) не воспринимаются «средним» человеческим глазом. Я подчеркиваю здесь «средним», потому что чувствительность человеческого глаза – это статистическая величина. Есть люди с «цветовой слепотой», чья спектральная чувствительность отличается (обычно уже) от показанной на рисунке. Некоторые люди с «цветовой слепотой» не видят красный цвет, другие не различают голубой. Натренированный профессиональный глаз художника или фотографа может развить очень высокую чувствительность, различая такие частоты (цвета), которые другим могут казаться одинаковыми. Некоторые могут даже выйти за минимальный и максимальный предел воспринимаемых частот, то есть различать темно‑фиолетовый или красный цвет, невидимый для других индивидов.

Есть один интересный вопрос, который мы можем задать сами себе: почему максимум спектральной чувствительности лежит в зеленом цветовом диапазоне (около 555 нм)? Возможно, это связано с тем фактом, что большая часть солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, сконцентрирована на длинах волн порядка 555 нм.

В течение миллионов лет, когда проходила эволюция жизни на планете, у нас (и почти у всех животных) развивалось зрение, способное воспринимать те длины волн, которые были наиболее доступны (по крайней мере, в дневное время). Альтернативой является ночное зрение животных, которые охотятся на теплокровных млекопитающих. Тепло, излучаемое телом, – это и есть инфракрасная радиация. Вот типичные представители: змеи, кошки и совы. Некоторые змеи, к примеру, кроме глаз для общего зрения, обладают инфракрасно‑чувствительными органами, при помощи которых змея может определить температурные изменения менее 0.5 °C (1° F). Кошки, в том числе и дикие – леопард, пума и другие члены семейства кошачьих, известны своим прекрасным ночным зрением, а это означает, что их реакция в ближнем инфракрасном диапазоне намного лучше, чем реакция человеческого глаза.

Мы остановимся на глазе человека, а для этого важно понимать его «конструкцию».

Эти вопросы и сами по себе интересны, но, кроме этого, мы найдем еще и массу концептуальных аналогий между устройством глаза и ТВ‑камеры.

На рис. 2.2 мы видим глазную линзу (хрусталик), которая и фокусирует изображение на сетчатке.

Сетчатка – это на самом деле «фоточувствительная область», состоящая из миллионов клеток – колбочек и палочек. Эти клетки можно рассматривать как часть нашей нервной системы. Колбочки чувствительны к средней и яркой интенсивности света и воспринимают цвета. Палочки чувствительны к низким уровням света и не способны различать цвета. Ночью мы видим благодаря палочкам, поэтому в темноте мы не можем различать цвета.

Число колбочек в каждом глазе приблизительно составляет 10 млн., а палочек – около 100 млн. Колбочки сконцентрированы вокруг области прохождения оптической оси. Эта область окрашена желтым пигментом и называется желтым пятном. Желтое пятно является основной областью, которую обрабатывает наш мозг, и, хотя она очень мала, концентрация колбочек в ней составляет около 50 000. Среднее фокусное расстояние глаза (то есть расстояние между хрусталиком и сетчаткой при разглядывании бесконечно удаленного объекта) составляет около 17 мм. Такое фокусное расстояние дает резкое изображение в пространственном угле, равном примерно 30°. Это также и размер области, где больше всего колбочек. Именно поэтому угол в 30° считается стандартным углом зрения.

Концентрация колбочек возрастает по направлению к центру оптической оси, достигая максимума лишь на 10°. Каждая из клеток‑кол бочек соединяется с мозгом отдельным зрительным нервом, по которому электрические импульсы посылаются в мозг. Конечно, глаз видит и под гораздо большим углом, так как сетчатка охватывает пространственный угол почти в 90°, и колбочки есть и вне желтого пятна, но к одному нерву в этом случае подсоединена группа колбочек. В этой области мы видим не так четко, как в области, где к каждой колбочке подсоединен отдельный нерв, поэтому эта часть сетчатки называется областью периферического зрения.

Рис. 2.2. Схема устройства глаза

Рис. 2.3. Аналогии между устройством глаза и камерой

«Секция обработки изображения» в головном мозге сконцентрирована на 30°, хотя видим мы лучше примерно на 10°. Обработка поддерживается постоянными движениями глаза во всех направлениях, что аналогично панорамной головке в видеонаблюдении.

В SLR‑камерах (однообъективных зеркальных фотоаппаратах) стандартный угол зрения в 30° достигается при помощи 50‑мм объектива, для 2/3" камеры – это 16‑мм объектив, для 1/2" камеры – 12‑мм и для 1/3" камеры – 8‑мм объектив. Другими словами, изображения, полученные при помощи любого типа камер с соответствующими стандартными объективами, будут иметь довольно близкие размеры и перспективу, похожую на то, что мы видим своими глазами.

Объективы с меньшим фокусным расстоянием дают более широкий угол зрения и называются широкоугольными объективами. Объектив с большим фокусным расстоянием сужает угол зрения, и поэтому кажется, что он приближает удаленные объекты, отсюда и название: телеобъектив («теле» означает далекий). Еще один интересный вопрос, касающийся видеонаблюдения, связан с тем, что, зная фокусное расстояние глаза и максимальный диаметр раскрытия радужной оболочки, равный примерно 6 мм, мы можем найти эквивалентное F – число глаза (которое мы обсудим позже в этой книге):

F_глаза= 17/6 = 2.8

С полностью раскрытой радужной оболочкой мы можем довольно хорошо видеть в полнолуние (освещенность объектов равна примерно 0.1 люкса). Помните это число, когда будете сравнивать минимальные характеристики освещенности для разных камер.

Фокусировка, которую выполняет глаз, чтобы человек мог видеть объекты на различных расстояниях, достигается за счет изменения толщины хрусталика (линзы). Толщина хрусталика меняется цилиарными мышцами. Если глаз в порядке, он может фокусироваться от бесконечности до минимального расстояния, равного примерно 20 см в раннем детстве, 25 см – в возрасте 20 лет, 50 см – в 40 лет и 5 м – в 60 лет. Если мы смотрим на очень удаленный объект, то есть глаз фокусируется на бесконечность, цилиарные мышцы расслабляются, и линза становится тонкой.

Если же глаз не может фокусироваться на бесконечности, то такой дефект зрения называется близорукостью или миопией. В этом случае нужны очки, которые помогут «дефективной» глазной линзе сфокусировать изображение на сетчатке. Такие очки иногда называют уменьшающими очками, потому что они имеют отрицательный фокус (или диоптрии).

Диоптрия – это величина, обратная фокусному расстоянию линзы, где фокус выражен в метрах.

Уменьшающие очки имеют отрицательные диоптрии. Итак, «уменьшающие» очки в ‑0.5 диоптрий, например, имеют отрицательный фокус, равный 1/(‑0.5) = ‑2 м.

Другой дефект глаза заключается в том, что глаз не может сфокусироваться на очень близком изображении, то есть глазная линза по тем или иным причинам не может стать достаточно толстой. Этот дефект называется дальнозоркостью или гиперметропией.

Людям с гиперметропией, чтобы разглядеть близкие предметы, требуются очки. Такие очки должны иметь характеристики, противоположные рассмотренным выше, то есть они должны увеличивать изображение и иметь положительный фокус (или диоптрии).

Когда мы смотрим на объект двумя глазами, то в мозг проецируется зрительный образ, создающий стереоскопический эффект, и мы воспринимаем объемность пространства. Если прикрыть один глаз, то будет очень трудно воспринимать «трехмерность» окружающего нас пространства.

Рис. 2.4. Как работает глаз

Рис. 2.5. Корректирование дефектов зрения при помощи очков

Расстояние между глазами (60–70 мм) обеспечивает наше восприятие трехмерного пространства вплоть до 10–15 метров. На более далеком расстоянии очень трудно судить, какой из двух предметов ближе. Вы можете провести такой эксперимент: посмотрите на два достаточно удаленных от вас, но удаленных на разные расстояния, находящиеся в воздухе объекта. Если мы смотрим, скажем, на два дерева, мозг делает заключение о расстоянии на основе земли и перспективы того, что находится перед нами, но перспективное «решение» в этом случае будет сделано не на основе «стереоскопического механизма» глаза.

Когда задумываешься о сложности строения глаза и мощности мозга при «обработке изображений», не перестаешь удивляться. Мы проделываем эти операции сотни раз на дню и даже не думаем об этом.

Не говоря уже о том, что изображение на сетчатке перевернуто, ведь такова природа оптической рефракции, и мы совершенно не замечаем мелких движений глаза, которые происходят во всех направлениях, когда мы смотрим на что‑то. Все это расшифровывается и контролируется мозгом.

Конфигурация «глаз/мозг» намного совершеннее любой камеры, которую человек изобрел или изобретет в будущем. Но как люди техники, мы можем сказать, что понимание «работы» глаза и использование непрерывно усовершенствующихся визуальных технологий как на уровне технического, так и на уровне программного обеспечения, позволяет нам получать более совершенные изображения и более полную информацию об окружающем мире. Мы можем видеть вещи, недоступные человеческому глазу, и отслеживать объекты в таких местах, где человек не может находиться.

Рис. 2.6. Разрешающая способность человеческого глаза

Многочисленные эксперименты и тесты показали, что человеческий глаз может различить самое большее 5–6 пар линий на миллиметр. Этот показатель подразумевает оптимальное расстояние между глазом и объектом 30 см, то есть, когда мы, например, читаем достаточно мелкий текст. Это дает минимальный угол примерно в 1/60 градуса. Таким образом, это значение 1/60 градуса считается пределом угловой разрешающей способности для нормального зрения. Мы можем использовать угловую разрешающую способность глаза для лучшего понимания того, как человек воспринимает мелкие детали, что затем позволит нам применить наши теоретические познания на практике.

При расчете оптимальной дистанции между наблюдателем и монитором существует простая рекомендация, которая предписывает умножать высоту экрана монитора на семь. Подробнее о мониторах читайте в соответствующей главе этой книги. Вообще, необходимо понимать, что расстояние до монитора – это крайне важный аспект психофизиологического восприятия деталей в изображении. Человеку, который смотрит в монитор, совершенно не нужно находиться слишком близко к экрану, но и очень далеко от экрана располагаться зрителю тоже не стоит.