Bagaimana mata manusia dibandingkan dengan kamera dan lensa modern?

Sasaran dalam kebanyakan fotografi adalah menghadirkan pemandangan yang menyerupai apa yang dilihat orang yang ada di sana pada saat itu. Bahkan ketika dengan sengaja bekerja di luar itu, visi manusia adalah garis dasar de facto.

Jadi, sepertinya berguna untuk mengetahui sesuatu tentang bagaimana mata dibandingkan dengan teknologi kamera kita. Mengesampingkan masalah psikologi, pengenalan pola, dan persepsi warna sebanyak mungkin (karena itu pertanyaan terpisah!), Bagaimana mata manusia dibandingkan dengan kamera dan lensa modern?

Apa resolusi yang efektif? Bidang pandang? Bukaan maksimum (dan minimum)? Kesetaraan ISO? Rentang dinamis? Apakah kita memiliki sesuatu yang setara dengan kecepatan rana?

Struktur apa yang secara langsung dianalogikan dengan bagian-bagian kamera dan lensa (pupil dan iris, katakanlah), dan fitur apa yang unik manusia (atau ditemukan dalam kamera tetapi tidak dalam biologi)?

Mata manusia benar-benar menyebalkan dibandingkan dengan lensa kamera modern.

Sistem visual manusia , di sisi lain, jauh melampaui sistem kamera modern (lensa, sensor, firmware).

• Mata manusia hanya tajam di tengah. Bahkan, itu hanya tajam di satu tempat yang sangat, sangat kecil yang dikenal sebagai fovea , yang merupakan tempat yang diameternya kurang dari satu persen dari total sudut pandang kami. Jadi kami memiliki beberapa kelembutan sudut serius terjadi.

  Namun, otak manusia mampu mengoreksi hal ini. Ini menginstruksikan mata untuk membuat gerakan yang sangat cepat di sekitar adegan sehingga bagian tajam di tengah melesat di sekitar. Otak kemudian memiliki stabilisasi gambar dalam-tubuh yang cukup mengagumkan, karena dibutuhkan semua gerakan cepat ini dan menjahitnya bersama-sama untuk membuat satu, pemandangan yang tajam - yah, setidaknya semua potongan mata yang didaratkan saat melesat akan tajam.

• Mata manusia cukup sensitif terhadap cahaya, tetapi pada tingkat cahaya rendah tidak ada informasi warna yang tersedia. Selain itu, bagian tajam di tengah (fovea) kurang sensitif terhadap cahaya.

  Secara teknis itu karena mata memiliki photosites terpisah yang disebut kerucut untuk tiga warna (merah, hijau, biru), dan jenis photosite yang berbeda yang disebut batang yang hanya menangkap hitam dan putih, tetapi jauh lebih efisien.

  Otak menjahit semua ini bersama-sama untuk membuat gambar penuh warna yang sangat baik di siang hari, tetapi bahkan ketika itu benar-benar gelap muncul dengan gambar yang lembut dan tidak berwarna yang dibuat oleh semua batang.

• Mata hanya memiliki satu elemen lensa dan menghasilkan penyimpangan berwarna yang mengerikan dalam bentuk pinggiran ungu.

  Sebenarnya, pinggiran ini semua dalam panjang gelombang cahaya yang sangat pendek. Sistem visual manusia paling tidak peka terhadap blues dan violet ini. Selain itu, ini dapat memperbaiki untuk fring yang ada dalam beberapa cara. Pertama, karena sistem penglihatan manusia hanya tajam di tengah, dan di situlah terdapat penyimpangan paling tidak berwarna. Dan kedua, karena resolusi warna kami (di luar fovea) jauh lebih rendah daripada resolusi kecerahan kami, dan otak tidak cenderung menggunakan warna biru ketika mencari tahu kecerahan.

• Kita bisa melihat dalam tiga dimensi. Ini sebagian karena kita memiliki dua mata, dan otak dapat melakukan perhitungan luar biasa terkait dengan konvergensi di antara mereka. Tetapi juga lebih maju dari itu; serta "efek 3D" yang Anda dapatkan dari penglihatan stereo, otak juga dapat merekonstruksi pemandangan dalam tiga dimensi bahkan ketika melihat foto dua dimensi dari pemandangan itu. Itu karena memahami isyarat seperti oklusi, bayangan, perspektif dan petunjuk ukuran dan menggunakan semua ini untuk menyusun adegan sebagai ruang 3D. Ketika kita melihat foto lorong panjang, kita dapat melihat bahwa lorong itu memanjang jauh dari kita walaupun kita tidak memiliki penglihatan stereo, karena otak memahami perspektif.

(Dengan banyak bantuan dari artikel Wikipedia )

Mata kita adalah sistem 2 lensa, yang pertama adalah mata luar kita, dan yang kedua adalah lensa di dalam mata kita. Mata kita memiliki panjang fokus tetap, sekitar 22-24 mm. Kami memiliki resolusi yang jauh lebih tinggi di dekat pusat daripada di tepi. Resolusi bervariasi secara signifikan berdasarkan di mana dalam gambar yang Anda lihat, tetapi sekitar 1,2 arcminutes / garis pasangan di wilayah tengah. Kami memiliki sekitar 6-7 juta sensor, jadi kami memiliki 6-7 megapiksel, tetapi agak berbeda. Pola pendeteksi warna sangat tidak seragam, ada kemampuan pendeteksian warna yang berbeda di tengah dibandingkan dengan penglihatan tepi. Bidang pandang sekitar 90 derajat dari pusat.

Satu hal yang menarik adalah mata manusia tidak pernah membentuk "Snapshot" lengkap, tetapi lebih merupakan sistem yang berkelanjutan. Ini bisa sangat sulit untuk mengatakan ini, karena otak kita sangat pandai mengoreksi untuk itu, tetapi sistem kami lebih dari pendekatan ember bocor untuk fotografi, agak tapi tidak persis mirip dengan camcorder digital.

Lensa "Normal" biasanya dipilih untuk mewakili area utama fokus manusia, sehingga menjelaskan perbedaannya.

Kamera memiliki berbagai jenis sensor, tetapi biasanya tersebar dengan seragam di sekitar sensor. Sensor selalu datar (sensor Manusia melengkung), berpotensi mengarah ke distorsi tepi. Resolusi ini sulit diperoleh dalam format yang sama dengan penglihatan manusia, dan agak tergantung pada lensa, tetapi dapat dikatakan bahwa mata manusia memiliki lebih banyak resolusi di pusat fokusnya, tetapi lebih sedikit di area periferal.

Pixiq memiliki artikel yang sangat menarik tentang masalah ini, baru saja dirilis beberapa hari yang lalu: http://web.archive.org/web/20130102112517/http://www.pixiq.com/article/eyes-vs-cameras

Mereka berbicara tentang kesetaraan ISO, pemfokusan, bukaan, kecepatan rana, dll ... Ini masih dalam diskusi, tetapi masih menarik untuk dibaca.

Mata itu sendiri adalah bagian dari teknologi yang baik, tetapi otak melakukan banyak pekerjaan dalam mengumpulkan potongan. Sebagai contoh, kita dapat merasakan rentang dinamis yang sangat besar, tetapi ini terutama disebabkan oleh otak yang merakit berbagai wilayah secara bersamaan tanpa kita sadari. Sama untuk resolusi, mata memiliki resolusi yang baik di tengah, tetapi benar-benar berkinerja buruk di tempat lain. Otak menyusun rincian untuk kita. Sama dengan warna, kita hanya melihat warna di tengah, tetapi otak membodohi kita dengan menyimpan informasi warna ketika mereka keluar dari cakupan pusat.

Biarkan saya mengajukan pertanyaan kembali kepada Anda: Apa bitrate dan kedalaman bit dari rekaman vinil?

Kamera adalah perangkat yang dirancang untuk, setepat mungkin, mereproduksi gambar yang diproyeksikan ke CCD mereka. Mata manusia adalah perangkat yang dikembangkan yang tujuannya hanya untuk meningkatkan kelangsungan hidup. Ini cukup kompleks dan sering berperilaku kontra-intuitif. Mereka memiliki sedikit kesamaan:

• Struktur optik untuk cahaya fokus
• Membran reseptif untuk mendeteksi cahaya yang diproyeksikan

Fotoreseptor retina

Mata itu sendiri tidak luar biasa. Kami memiliki jutaan fotoreseptor, tetapi mereka memberikan input yang redundan (dan ambigu pada saat yang sama!) Ke otak kita. Fotoreseptor batang sangat sensitif terhadap cahaya (terutama pada sisi kebiruan dari spektrum), dan dapat mendeteksi satu foton. Dalam kegelapan, mereka beroperasi cukup baik dalam mode yang disebut penglihatan scotopic. Semakin cerah, seperti saat senja, sel kerucut mulai bangun. Sel kerucut membutuhkan sekitar 100 foton setidaknya untuk mendeteksi cahaya. Pada kecerahan ini, kedua sel batang dan sel kerucut aktif, dalam mode yang disebut penglihatan mesopik. Sel batang memberikan sejumlah kecil informasi warna pada saat ini. Karena semakin cerah, sel batang jenuh, dan tidak bisa lagi berfungsi sebagai pendeteksi cahaya. Ini disebut penglihatan photopic, dan hanya sel kerucut yang akan berfungsi.

Bahan-bahan biologis secara mengejutkan bersifat reflektif. Jika tidak ada yang dilakukan, cahaya yang melewati fotoreseptor dan bagian belakang mata akan memantulkan dari sudut tertentu, menciptakan gambar yang terdistorsi. Ini dipecahkan oleh lapisan sel terakhir di retina yang menyerap cahaya menggunakan melanin. Pada hewan yang membutuhkan penglihatan malam yang bagus, lapisan ini sengaja dipantulkan, sehingga foton yang melewatkan fotoreseptor memiliki kesempatan untuk mengenai mereka saat kembali. Inilah sebabnya kucing memiliki retina reflektif!

Perbedaan lain antara kamera dan mata adalah di mana sensor berada. Di kamera, mereka berada langsung di jalur cahaya. Di mata, semuanya mundur. Sirkuit retina berada di antara cahaya dan fotoreseptor, sehingga foton harus melewati lapisan segala macam sel, dan pembuluh darah, sebelum akhirnya mengenai batang atau kerucut. Ini dapat sedikit mendistorsi cahaya. Untungnya, mata kita secara otomatis mengkalibrasi diri mereka sendiri, jadi kita tidak terjebak menatap dunia dengan pembuluh darah merah cerah yang bolak-balik!

Pusat mata adalah tempat semua penerimaan resolusi tinggi terjadi, dengan pinggiran semakin tidak sensitif terhadap detail dan semakin banyak buta warna (meskipun lebih sensitif terhadap sejumlah kecil cahaya dan gerakan). Otak kita berurusan dengan ini dengan menggerakkan mata kita dengan cepat dalam pola yang sangat canggih untuk memungkinkan kita mendapatkan detail maksimal dari dunia. Sebuah kamera sebenarnya mirip, tetapi alih-alih menggunakan otot, kamera mengambil sampel masing-masing reseptor CCD dengan pola pemindaian cepat. Pemindaian ini jauh, jauh lebih cepat daripada gerakan saccadic kami, tetapi juga terbatas hanya satu piksel pada satu waktu. Mata manusia lebih lambat (dan pemindaian tidak progresif dan lengkap), tetapi dapat mengambil lebih banyak sekaligus.

Preprocessing dilakukan di retina

Retina itu sendiri sebenarnya cukup banyak preprocessing. Tata letak fisik sel dirancang untuk memproses dan mengekstrak informasi yang paling relevan.

Sementara setiap piksel dalam kamera memiliki pemetaan 1: 1 piksel digital yang disimpan (setidaknya untuk gambar tanpa kehilangan), batang dan kerucut di retina kami berperilaku berbeda. Satu "piksel" sebenarnya adalah cincin fotoreseptor yang disebut bidang reseptif. Untuk memahami hal ini, diperlukan pemahaman dasar tentang sirkuit retina:

Komponen utama adalah fotoreseptor, yang masing-masing terhubung ke sel bipolar tunggal, yang pada gilirannya terhubung ke ganglion yang menjangkau melalui saraf optik ke otak. Sel ganglion menerima input dari banyak sel bipolar, dalam cincin yang disebut bidang reseptif pusat-surround. Pusat jika cincin dan sekeliling cincin berperilaku berlawanan. Cahaya yang mengaktifkan pusat merangsang sel ganglion, sedangkan cahaya yang mengaktifkan sekitarnya menghambatnya (bidang di tengah, di luar lingkungan). Ada juga sel-sel ganglion di mana ini dibalik (off-center, on-surround).

Teknik ini secara tajam meningkatkan deteksi tepi dan kontras, mengorbankan ketajaman dalam proses. Namun tumpang tindih antara bidang reseptif (satu fotoreseptor dapat bertindak sebagai input ke beberapa sel ganglion) memungkinkan otak untuk memperkirakan apa yang dilihatnya. Ini berarti bahwa informasi yang menuju ke otak sudah sangat dikodekan, ke titik di mana antarmuka otak-komputer yang terhubung langsung ke saraf optik tidak dapat menghasilkan apa pun yang dapat kita kenali. Ini dikodekan dengan cara ini karena, seperti yang telah disebutkan orang lain, otak kita memberikan kemampuan pasca-pemrosesan yang luar biasa. Karena ini tidak berhubungan langsung dengan mata, saya tidak akan menguraikan banyak tentang mereka. Dasar-dasarnya adalah bahwa otak mendeteksi garis-garis individu (ujung-ujungnya), kemudian panjangnya, kemudian arah gerakannya, masing-masing di daerah korteks yang lebih dalam,aliran ventral dan aliran punggung , yang masing-masing berfungsi untuk memproses warna dan gerakan beresolusi tinggi.

The centralis fovea adalah pusat dari mata dan, seperti orang lain telah menunjukkan, adalah di mana sebagian dari ketajaman kita berasal dari. Ini hanya berisi sel kerucut, dan, tidak seperti retina lainnya, memang memiliki pemetaan 1: 1 untuk apa yang kita lihat. Fotoreseptor kerucut tunggal terhubung ke sel bipolar tunggal yang terhubung ke sel ganglion tunggal.

Spesifikasi mata

Mata tidak dirancang untuk menjadi kamera, jadi tidak ada cara untuk menjawab banyak pertanyaan ini dengan cara yang Anda sukai.

Apa resolusi yang efektif?

Dalam sebuah kamera, ada akurasi yang agak seragam. Pinggiran sama baiknya dengan bagian tengah, jadi masuk akal untuk mengukur kamera dengan resolusi absolut. Mata di sisi lain tidak hanya bukan persegi panjang, tetapi bagian mata yang berbeda melihat dengan akurasi yang berbeda. Alih-alih mengukur resolusi, mata paling sering diukur dalam VA . A 20/20 VA rata-rata. A 20/200 VA membuat Anda buta secara hukum. Pengukuran lain adalah LogMAR , tetapi kurang umum.

Bidang pandang?

Saat memperhitungkan kedua mata, kami memiliki bidang pandang horizontal 210 derajat, dan bidang pandang vertikal 150 derajat. 115 derajat di bidang horizontal mampu penglihatan teropong. Namun, hanya 6 derajat yang memberi kami visi resolusi tinggi.

Bukaan maksimum (dan minimum)?

Biasanya, diameter muridnya 4 mm. Kisaran maksimumnya adalah 2 mm ( f / 8.3 ) hingga 8 mm ( f / 2.1 ). Tidak seperti kamera, kami tidak dapat mengontrol apertur secara manual untuk menyesuaikan hal-hal seperti pencahayaan. Ganglion kecil di belakang mata, ganglion silia, secara otomatis menyesuaikan pupil berdasarkan cahaya sekitar.

Kesetaraan ISO?

Anda tidak dapat langsung mengukur ini, karena kami memiliki dua jenis fotoreseptor, masing-masing dengan sensitivitas yang berbeda. Minimal, kami dapat mendeteksi satu foton (meskipun itu tidak menjamin bahwa foton yang mengenai retina kami akan mengenai sel batang). Selain itu, kami tidak mendapatkan apa pun dengan menatap sesuatu selama 10 detik, jadi paparan ekstra tidak berarti banyak bagi kami. Akibatnya, ISO bukanlah ukuran yang baik untuk tujuan ini.

Perkiraan rata-rata dari para astrofotografer tampaknya adalah 500-1000 ISO, dengan ISO siang hari menjadi serendah 1. Tetapi sekali lagi, ini bukan pengukuran yang baik untuk diterapkan pada mata.

Rentang dinamis?

Rentang dinamis mata itu sendiri adalah dinamis, karena berbagai faktor berperan untuk penglihatan skotopik, mesopik, dan photopic. Ini sepertinya dieksplorasi dengan baik dalam Bagaimana rentang dinamis mata manusia dibandingkan dengan kamera digital? .

Apakah kita memiliki sesuatu yang setara dengan kecepatan rana?

Mata manusia lebih seperti kamera video. Ia mengambil semuanya sekaligus, memprosesnya, dan mengirimkannya ke otak. Setara terdekat yang harus dimiliki dengan kecepatan rana (atau FPS) adalah CFF , atau Frekuensi Critical Fusion, juga disebut Flicker Fusion Rate. Ini didefinisikan sebagai titik transisi di mana cahaya intermiten yang meningkatkan frekuensi temporal berpadu menjadi satu, cahaya solid. CFF lebih tinggi di pinggiran kami (itulah sebabnya Anda kadang-kadang dapat melihat kerlip lampu neon lama hanya jika Anda melihatnya secara tidak langsung), dan itu lebih tinggi ketika terang. Dalam cahaya terang, sistem visual kami memiliki CFF sekitar 60. Dalam kegelapan, ia bisa mencapai 10.

Ini bukan keseluruhan cerita, karena banyak dari ini disebabkan oleh kegigihan visual di otak. Mata itu sendiri memiliki CFF yang lebih tinggi (sementara saya tidak dapat menemukan sumber sekarang, saya sepertinya mengingatnya berada pada urutan besarnya 100), tetapi otak kita mengaburkan semuanya untuk mengurangi beban pemrosesan dan memberi kita lebih banyak waktu untuk menganalisis stimulus sementara.

Mencoba membandingkan kamera dan mata

Mata dan kamera memiliki tujuan yang sama sekali berbeda, bahkan jika mereka secara dangkal melakukan hal yang sama. Kamera sengaja dibangun berdasarkan asumsi yang membuat jenis pengukuran tertentu mudah, sedangkan tidak ada rencana seperti itu yang berperan untuk evolusi mata.