Разрешение человеческого глаза

Гонка разрешений экранов уже не имеет смысла

Флагманские смартфоны и современные Ultra HD-телевизоры уже превзошли возможности человеческого зрения. Гонка разрешений, которая только набирает обороты, уже не имеет никакого смысла. На этой точке зрения сходится большинство отраслевых экспертов.

«В новых 4К-телевизорах обычный человек не сможет увидеть разницу «, — сказал Раймонд Сонериа (Raymond Soneira), глава фирмы DisplayMate, занимающейся тестированием экранов. В 2010 году Стив Джобс представил iPhone 4 с экраном Retina. Данный дисплей был не просто очень хорошим, он обладал такой плотностью пикселей, что человеческий глаз не мог их различить и, соответственно, дальнейшее увеличение данного параметра стало бессмысленным.

В новых смартфонах Apple данный показатель был сохранен — 326 ppi, однако в новых Android-флагманах вроде HTC One и LG G2 плотность пикселей уже превысила показатель в 400 ppi. Что касается телевизоров, то сейчас активно продвигается новый формат 4К. Он предлагает в 4 раза большее разрешение, чем «обычные» Full HD-телевизоры. При этом Full HD на том расстоянии, на котором обычно зрители смотрят телевизор, можно считать чем-то вроде Retina — человеческий глаз уже не различает отдельные пиксели. Другими словами, увидеть разницу между 4К и Full HD можно только с близкого расстояния, при обычном использовании разница будет просто не видна.

«Существует некоторый предел плотности, за которым вы не сможете сделать изображение лучше из-за ограниченности вашего глаза», — сказал Дон Худ (Don Hood), профессор офтальмологии в Колумбийском университете. Если вытянуть руку перед собой и взглянуть на ноготь указательного пальца, то обычный человек не сможет различить 120 чередующихся черно-белых полос на ногте. Попытка различить пиксели на экране смартфона с разрешением 1136×640 или телевизора с 1920 x 1080 будет аналогичной задачей. Это физический предел человеческого зрения.

На практике люди не смогли бы различить отдельные пиксели, даже если бы их размер был в два раза больше. Уже сейчас можно заметить интересную тенденцию — люди, покупающие дорогие 4К-телевизоры, ставят диван и кресла поближе к экрану, чтобы разница с предыдущим телевизором «бросалась в глаза», ведь на том же расстоянии, что и раньше, разница будет незаметна.

Таким образом, увеличение разрешения экрана — это скорее маркетинг, чем реально нужная пользователю вещь. Причем, как показывает практика, за 4К в телевизорах и 2К на смартфонах люди действительно готовы переплачивать, причем серьезно. Более того, они готовы даже терпеть такие серьезные недостатки, как отсутствие подходящего контента и серьезное увеличение энергопотребления.

Невооружённый глаз

Невооружённый глаз

Невооружённый глаз — образное выражение, относящееся к зрительному восприятию человека, не использующего вспомогательное оборудование, такое как телескоп, микроскоп, увеличительное стекло, очки, монокль, линзы или бинокль, и имеющему нормальное зрение. Люди с ослабленным зрением невооружённым глазом видят меньше и вынуждены «вооружать глаз» очками или линзами.

Термин обычно используется в астрономии для указания на астрономические явления, которые доступны для наблюдения неограниченному кругу лиц, такие как соединения, прохождение комет или метеорные ливни. Традиционные практические знания о небе и различные тесты подтверждают огромное разнообразие явлений, которые можно наблюдать невооружённым глазом.

Свойства глаза

Точность человеческого глаза:

  • Быстрая автоматическая фокусировка на расстояниях от 10 см (молодые люди) — 50 см (большинство людей от 50 лет и старше) до бесконечности.
  • Угловое разрешение: 1—2′ (около 0,02°—0,03°), что соответствует 30—60 см на 1 км расстояния
  • Угол обзора: одновременное зрительное восприятие пространства 130° × 160°
  • Слабые звезды до +6 звёздной величины
  • Фотометрия (яркость) до ±10 % или 1 % от интенсивности — с колебаниями от ночного к дневному 1 : 10 000 000 000
  • Симметрия 10—20″ (5—10 см на 1 км) — см. измерения Тихо Браге и древних египтян
  • Поинтервальная оценка (например, по плану на бумаге) до 3—5 %.
  • Неосознанное распознавание движения (сигнальная система и рефлексы)
  • Оценка скорости в пределах 5—10 %.
  • Рефлекторная стабилизация изображения

Зрительное восприятие позволяет человеку получить много информации об окружающей среде:

  • расстояние и трёхмерное положение предметов и людей,
  • скорость
  • линия вертикали и угол наклона предметов к ней
  • яркость и цвет, их изменения по времени и направлению
  • другие свойства предметов.

Невооружённый глаз в астрономии

Обычно невооружённым глазом можно увидеть звезды, имеющие величину до +6m; угловое разрешение невооружённого глаза — около 1′, однако некоторые люди обладают более острым зрением.

Теоретически на чистом ночном небе человеческий глаз способен увидеть до 2500 звёзд до 6-й звёздной величины, однако на практике атмосферное поглощение и пыль как правило уменьшают это число до 1500—2000. Жители крупных городов практически лишены возможности наблюдать звезды невооруженным глазом, Число видимых звезд центре крупного города уменьшается до нескольких сотен, а в некоторых случаев до десятков. Происходит это из-за эффекта, названного световым загрязнением, когда свет ночного города, рассеиваясь в заполненных газами и дымом нижних слоях атмосферы, создает помеху для наблюдателя. Кроме того, яркое уличное освещение напрямую воздействует на глаза человека, что, ввиду их физиологии, не позволяет разглядеть более слабые источники света на небе.

Цвет можно различить лишь у ярких звёзд и планет. Кроме того, можно различить некоторые звёздные скопления, такие как Плеяды, h/χ Персея, M13 в созвездии Геркулеса, галактику Туманность Андромеды и Туманность Ориона. Вот пять планет, видимые невооружённым глазом с Земли: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В идеальных атмосферных условиях так же можно теоретически разглядеть Уран, звёздная величина которого колеблется от +5,6m до +5,9m, что на пределе чувствительности человеческого глаза. Уран уникален тем, что это первая планета, которая была открыта с использованием технологии (телескопа), а не с помощью невооружённого глаза. Имеются неподтверждённые свидетельства того, что астрономы древности (в частности, астрономы инков) могли наблюдать Уран и Галилеевы спутники Юпитера до изобретения телескопа.

В Южном полушарии Земли невооружённым глазом видны спутники нашей галактики Большое и Малое Магеллановы Облака, а также шаровые скопления ω Центавра и 47 Тукана.

Метеорные потоки наблюдать невооружённым глазом лучше, чем в бинокль — Персеиды (10—12 августа) или Геминиды в декабре. Другие популярные для наблюдения объекты: около 100 искусственных спутников за ночь, Международная космическая станция и Млечный Путь.

Геодезия и навигация

В Северном полушарии Полярная звезда с помощью угломера даёт возможность наблюдателю определить широту с точностью до 1 градуса.

Жители Вавилона, народ майя и древние египтяне измеряли часовое и календарное время с помощью невооружённого глаза, определяя:

  • длину года и месяца с точностью до 1 минуты (0.001 %)
  • 24 часа в сутках и день весеннего равноденствия
  • периоды обращения планет (астрономы майя) с точностью до 5—10 минут для Марса и Венеры.

Мелкие объекты и карты

При наблюдении мелких объектов без увеличительного стекла или микроскопа обычное расстояние до объекта 20—25 см. С этого расстояния можно чётко увидеть точку размером 0.05 мм. Для различения объектов друг от друга их размер должен составлять (0.1 — 0.3 мм). Последний размер обычно используется для нанесения мелких деталей на карты и технические планы.

>astro-talks

Разрешение глаза

Первое приближение

Разрешение глаза (надо полагать, сферического и в вакууме) не вдаваясь особенно в детали обычно полагают равным 1 угловой минуте. То есть глаз некого абстрактного наблюдателя в столь-же абстрактных условиях может заподозрить двойственность двух светящихся точек, если угловое расстояние dφmin между ними не меньше этой самой угловой минуты. Предел накладываемый на линейное расстояние dlmin между светящимися точками, которые еще могут быть видны раздельно зависит от расстояния L от глаза до этих точек: dlmin = L*dφmin (для dφmin выраженного в радианах, напомню, что 1 угл. минута = 1/60 градуса = 1/3438 радиан).

Расстояние, метры dlmin, мм
0.25 0.07
0.5 0.15
0.75 0.22
1 0.29
2 0.58
5 1.45
10 2.9
25 7.3
50 14.5
100 29
200 58
500 145
1000 290

Если расстояние между светящимися точками будет меньше, то глаз не сможет заподозрить изображение в двойственности. Примерно таков-же предел на разрешение равномерной решетки прямых параллельных светлых штрихов (светлых линий) на совершенно черном фоне. Если расстояние между соседними светлыми штрихами (или черными промежутками между ними) будет меньше 1 угловой минуты, то глаз не заподозрит штриховки и ему будет виден просто равномерный серый фон.
Надеюсь понятно, что имеется ввиду человек с нормальным зрением — с «единичкой» по офтальмологической таблице (после коррекции, если она требуется).

Подход к теме разрешения номер «два», имени Д.Д.Максутова

В своей книге «Астрономическая оптика», Д.Д.Максутов указал на тот очевидный факт, что предел разрешения глаза при его работе совместно с оптическим прибором (телескоп, микроскоп), существенно зависит от диаметра световых пучков (апертуры), которые строят изображение на сетчатке глаза. Апертура глаза не может быть больше, чем позволяет раскрытие его радужной оболочки — зрачка. Зрачок наблюдателя в зависимости от освещенности меняется примерно в диапазоне 1.5-8 мм (с возрастом диапазон изменения уменьшается). Кроме того, входная апертура глаза не может быть больше диаметра выходного зрачка оптического прибора, совместно с которым работает глаз.
Из этих двух ограничений работает то, которое ограничивает апертуру наиболее сильным образом.
Например, при ночных наблюдениях зрачок глаза раскрывается до 6-8 мм. Если производятся наблюдения в телескоп с апертурой 100 мм и установленным увеличением 150х, то выходной зрачок составит 100/150 = 0.67 мм — этот размер и будет в этом случае ограничивать входную апертуру глаза наблюдателя.
Наоборот, ярким солнечным днем диаметр зрачка глаза 2-3 мм и при наблюдениях в бинокль 7х50 (выходной зрачок 50/7 = 7.1 мм) уже именно зрачок глаза будет ограничивать его входную апертуру до указанных 2-3 мм (в зависимости от яркости объекта наблюдений и времени световой адаптации).
Максутов произвел измерение предела разрешения своих глаз и обнаружил, что он, во-первых, сильно не дотягивает до общепринятой величины в 1 угловую минуту; а, во-вторых, зависит от входной апертуры. У него получилась примерно такая табличка зависимости предела разрешения от диаметра входной апертуры глаза.

Диаметр зрачка, мм Предел разрешения, угл. сек. то-же, угл. минуты
0.6 225 3.8
0.7 198 3.3
0.8 178 3.0
0.9 162 2.7
1.0 149 2.5
1.1 141 2.4
1.2 135 2.3
1.3 131 2.2
1.4 129 2.15
1.5 128 2.1
1.6 129 2.1
1.7 130 2.2
1.8 132 2.2
2.0 137 2.3
2.2 143 2.4
2.5 152 2.5
3.0 167 2.8
3.5 184 3.1
4.0 199 3.3
4.5 213 3.6
5.0 223 3.7

Эти величины особенно наглядно представляются графически:
Из чего следуют несколько очевидных выводов:

  • Ярким солнечным днем (когда зрачок сжимается до 1.5 мм) наше зрение достигает наивысшего предела разрешения, а при недостатке освещенности (пасмурно, при обычном искусственном освещении, в сумерки и тем более ночью) зрение сильно не добирает по детализации (особенно у пожилых с оптикой глаза накопившей всевозможные возрастные дефекты).
  • Глаза Д.Д.Максутова или сильно не дотягивают до нормального зрения, или общепринятый предел разрешения глаз в 1 угловую минуту — сильно преувеличен против реального.
  • Предел разрешения и ход кривой его изменения должны довольно сильно колебаться от наблюдателя к наблюдателю
  • Наивысшее угловое разрешение в 2.1 угловую минуту достигается у Максутова при входной апертуре около 1.5 мм. При меньших диаметрах стремительно нарастают дифракционные эффекты размывающие изображение, при больших — ухудшается качество изображения из-за дефектов глазной оптики и сред.
  • При выходном зрачке 0.7 мм и менее качество изображения уже более чем на 90% определяется чистой дифракцией и дальнейшее уменьшение выходного зрачка и повышение увеличения оптического прибора (с целью преодолеть дискретность сетчатки и оптические аберрации) становится бессмысленным.

Ну и в дополнение — график возрастных изменений способности зрачка глаза к темновой адаптации
по работе http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20506961″ onclick=»window.open(this.href);return false;
Графики показывают, что диаметр адаптированного к темноте зрачка с возрастом имеет тенденцию к уменьшению. Если в молодости диаметр зрачка вполне может превышать 8 мм, то в пожилом возрасте может быть меньше 5 мм. Так-же стоит отметить вариации максимального диаметра зрачка у разных наблюдателей даже и одного возраста. Эти вариации могут превышать возрастные изменения — например, у меня адаптированный зрачок на 1 мм больше, чем среднее значение для моего возраста на этом графике.
Но некоторый осадочек остался: можно-ли полагать факт основанный на измерении параметров зрения одного, пусть даже и очень уважаемого оптика делать вывод о глазах всех прочих наблюдателей? И потом,.. может и он не заметил какие-то важные для наблюдений параметры? Да и кроме предела разрешения есть ведь и другие характеристики качества картинки.

На основе ЧКХ оптики глаза

В 60-х и 70-х резко возросла мощность расчетных средств, что позволило рассчитывать более тонкие характеристики качества, чем предел разрешения. В частности заслуженный приоритет в оценке качества изображающей оптики получила частотно-контрастная характеристика (ЧКХ или MTF), которая описывает оптический прибор как фильтр пространственных частот — то насколько оптика уменьшает контраст разных по частоте синусоидальных гармоник в представлении частотного спектра изображаемого объекта. Обычно оптические приборы в силу своей ограниченной апертуры и из-за остаточных аберраций сильнее снижают контраст передачи высоких пространственных частот — тех которые ответственны за реконструкцию в плоскости изображения мелких деталей (и наиболее информационно насыщены), в то время как низкие (менее информационно насыщенные) пространственные частоты строят наиболее грубые перепады яркостей (освещенности) на изображении. Расчет ЧКХ требует значительных вычислительных средств, но дает более полную картину свойств изображающего оптического прибора, позволяет реконструировать вид изображения.
Глаз главный потребитель изображений, которые строят всевозможные оптические приборы, генерируют разнообразные графические средства (экраны мониторов, телевизора, мобильных устройств), в печатной индустрии. Поэтому, его оптические свойства особенно интересно было представить в виде ЧКХ, причем не как результат расчета и моделирования, а прямого измерения. С разной степенью достоверности такие измерения производились с конца 60-х.
Вот результаты одного из таких измерений. Ниже мы видим семейство графиков ЧКХ оптики глаза для разных диаметров входных зрачков 2, 2.8, 3.8, 5.8 мм.
Из этих графиков мы видим:

  • Коэффициенты передачи контраста, как и ожидалось, падают до значений 0.1-0.2 при плотности линий периодических структур 50 на градус (что соответствует шпальной мире с расстояниями между светлыми штрихами 1.2 угловых минут).
  • На низких частотах (они ответственны за общее впечатление о контрасте изображения) в выигрыше малые входные апертуры — графики передачи контраста идут тем выше, чем меньше диаметр зрачка.
  • На высоких частотах (они ответственны за предельное разрешение) зрачок с диаметром 2.8 мм начинает уже превосходить в передаче контраста меньший размер. Более того, даже и зрачок с диаметром 3.8 мм похоже сравнялся бы с 2 мм зрачком, получи мы результаты для частоты 60 линий на градус. То есть, похоже, оптимальный размер зрачка по всем частотам несколько больше 2 мм.

С учетом контрастной чувствительности зрения

Однако, кроме оптических свойств глаза, важным фактором в восприятии изображения является структура сетчатки. Фоторецепторы плотно посеяны в центральной ее части и их плотность быстро падает в периферических зонах. В итоге, контраст низких пространственных частот оказывается невостребованным и зрение наиболее легко воспринимает контрасты на частотах порядка 7-8 линий на градус — период решетки светлых линий около 8 угловых минут. То есть телескопическая оптика должна быть наиболее бережна к передаче контраста именно на этих частотах. Аберрационные пятна должны быть меньшего размера: 6-7′ и даже меньше. Кроме того, увеличения при наблюдениях следует подбирать таким образом, чтобы сюжетно важные частоты располагались возможно ближе к этим 7-8 линиям на градус.

А как-же ночью?

Проблема в том, что недостаток яркости изображения «вырубает» самую плотно заселенную фоторецептарами центральную часть сетчатки (колбочки почти не чувствительны к малым уровням яркостей). Из-за этого предел разрешения сильно страдает при ночных наблюдениях дипскай-объектов невысокой яркости.
Многочисленные исследования показывают, что в условиях яркостей типичных для наблюдений диффузных дипскай-объектов кривая контрастной чувствительности сильно смещается влево (в сторону низких частот). См. к примеруhttp://webvision.med.utah.edu/imageswv/KallSpat24.jpg» onclick=»window.open(this.href);return false; Предел разрешения составляет 3-5 линий на градус (период порядка 15 угловых минут), а частота оптимального разрешения становится менее одной линии на градус (структуры размером порядка градуса).
Из этого следует вывод, что при наблюдениях диффузных дипскай-объектов следует применять увеличения, при которых их существенно-важные структуры занимают размер более градуса… А вот степень аберрационной коррекции изображения по полю в отличие от дневных наблюдений или наблюдений ярких объектов уже не столь существенна — аберрационные пятна вполне могут достигать десятков угловых минут почти безо всякого вреда для передачи структуры диффузного изображения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *