Зрительный аппарат человека

Системы отображения графической информации воздействуют на зрительный аппарат человека, поэтому с необходимостью должны учитывать как физические, так и психофизиологические особенности зрения.

На рис. 0.2.1 показан поперечный размер глазного яблока человека. Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой. Сетчатка преобразует свет в импульсы в нервных волокнах и состоит из трех слоев клеток. Удивительно то, что светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки. Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки. Причины для такого обратного устройства сетчатки не полностью поняты, но одно из объяснений состоит в том, что расположение светочувствительных клеток в задней части сетчатки позволяет любому паразитному непоглощенному свету попасть на клетки находящиеся непосредственно позади сетчатки, которые содержат черный пигмент - меланин. Клетки, содержащие меланин, также помогают химически восстанавливать светочувствительный визуальный пигмент в колбочках и палочках после того, как они были отбелены на свету.

Интересно отметить, что природа создала целый ряд конструкций глаза. При этом глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде световувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения. Поэтому, возможно, особого смысла в обратном расположении клеток в сетчатке нет. А это просто один из экспериментов природы.

Итак, внутренний слой сетчатки глаза содержит два типа светочувствительных рецепторов, занимающих область с раствором около 170^° относительно зрительной оси:

@ 100 млн. палочек (длинные и тонкие рецепторы ночного зрения),

@ 6.5 млн. колбочек (короткие и толстые рецепторы дневного зрения).

Рис. Поперечный разрез глаза

Информация от рецепторов передается в мозг по зрительному нерву, содержащему около 800 тысяч волокон.

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же самое время происходит переизлучение света. Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо чем прежде, т.е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв. Таким образом волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т.е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который по сути представляет собой выдвинутую вперед часть мозга.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Радужная оболочка (см. рис. 0.2.1) действует как диафрагма, изменяя количество света, проходящего в глаз. Диаметр зрачка меняется от ~ 2 мм (при ярком свете) до ~ 8 мм (при малой освещенности).

За сетчаткой находится сосудистая оболочка, которая содержит капилляры, снабжающие глаз кровью.

Наружная оболочка глаза - склера, состоит их плотных волокон.

При ярком свете чувствительность палочек мала, но при низких уровнях освещенности их чувствительность возрастает и обеспечивает нашу способность видеть при тусклом свете. Палочки содержат пигмент с максимальной чувствительностью на длине волны около 510 нм (точечная линия на рис. 0.2.2), в зеленой части спектра. Пигмент палочек часто называется зрительным пурпуром из-за его цвета. Максимальная плотность палочек приходится на область с раствором около 20^° относительно оси.

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны. Упомянутые три пигмента имеют максимальные поглощения приблизительно на 430, 530 и 560 нм. Этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый. Более логичным было бы использование терминологиии корото-, средне -, длинноволновые колбочки.

Максимальная плотность колбочек достигается в области с раствором порядка 8^°×6^° относительно оси, называемой желтым пятном. В центре этой области (ямке) к каждой колбочке подходит отдельное волокно зрительного нерва. Это область максимальной остроты зрения.

Рис. 0.2.2: Спектральная чувствительность глаза

Суммарная кривая спектральной чувствительности глаза для случая яркого освещения, т.е. цветного зрения, показана на рис. 0.2.2 сплошной линией.

Из этих графиков видно почему "ночью все кошки серы". В самом деле, например, отклик на красный цвет (l = 700 мкм) при низких уровнях освещения (точечная кривая на рис. 0.2.2) практически равен нулю. Поэтому красный цвет ночью будет выглядеть черным.

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т.е. если изображение сфокусировано для одной из частот, то на других частотах изображение расфокусировано. Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 560 нм. Так как пики чувствительности средне- длинноволновых колбочек (530 и 560 нм, соответственно) близки к друг к другу, поэтому изображения для этих колбочек могут быть одновременно сфокусированными. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым. Так степень фокусировки разная, то не требуется одинаковой разрешающей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне- и 40 длинноволновых. В этой связи понятно, почему ширина полосы пропускания для "холодных", коротковолновых цветов в телевидении может быть выбрана существенно меньшей без субъективно заметной потери верности воспроизведения.