Природа подарила людям удивительную способность видеть всю красоту окружающего мира! Человечество много веков развивалось, и в итоге научило зрению электронные устройства. И человеческий глаз, и сенсор камеры умеют воспринимать видимый свет - электромагнитное излучение с диапазоном длин волн от 380 до 780 нм.
Несмотря на кажущиеся различия, камера, установленная в смартфоне, работает по тем же принципам, что и глаз человека.
Как мы видим мир
Человек воспринимает образы окружающего мира органами зрения
Лучи видимого света (электромагнитные волны) попадают на роговицу глаза (внешнюю выпукло-вогнутую линзу) и преломляются на ней. Преломлённые лучи проходят сквозь отверстие в радужке - зрачок.
Радужка - тонкая подвижная светонепроницаемая диафрагма с отверстием - зрачком в центре.
Радужка определяет цвет глаз человека, имеет круговые и радиальные мышцы, которые сужают и расширяют зрачок, позволяя пропускать необходимое количество света на сетчатку.
Размер зрачка может изменяться в 8 раз (от 1.1 до 8 мм).
От уровня освещения (и других факторов) зависит размер зрачка. Чем больше зрачок, тем больше света попадёт на хрусталик - двояковыпуклую линзу переменной кривизны. Кривизна хрусталика меняется в зависимости от расстояния до предмета. Наконец, пройдя хрусталик, свет задействует специальные клетки в сетчатке глаза, формируя перевёрнутое изображение. Изображение "переворачивается" в мозге в нормальный вид.
Сетчатка - внутренняя оболочка глаза, содержит фоторецепторы (3 вида колбочек и 1 вид палочек), обеспечивающие восприятие и преобразование электромагнитного излучения видимого света в нервные импульсы.
Колбочки работают днём при относительно высокой освещённости. Каждая колбочка воспринимает свой диапазон цвета, поэтому днём человек видит предметы цветными.
Палочки формируют ночное, чёрно-белое зрение и позволяют видеть в темноте при очень низкой освещённости.
Посмотрим на нарисованную мной картинку. Глаз видит свет, исходящий от изображения примерно так (опустив менее важные части глаза): роговица →зрачок → хрусталик → сетчатка → мозг:
Наибольший интерес для нас представляет именно сетчатка, о ней поговорим позднее, а сначала разберёмся, как формируются изображения в фото/видеокамерах.
Как видит мир камера
Принцип действия любой камеры (телефона, фотоаппарата) схож с глазом человека: свет, исходящий от предметов, поступает через систему линз (аналоги - роговица и хрусталик) на светочувствительную фотоматрицу (аналог - сетчатка). Силой потока света управляет диафрагма (аналог - роговица с зрачком). Чем сильнее открыта диафрагма, тем больше света попадает на фотоматрицу.
Модули камер для современных смартфонов выпускают с постоянным значением числа диафрагмы, например, f/2.2 или f/1.7, а в цифровых фотоаппаратах изменять диафрагму можно.
Изображение формирует фотоматрица. Наиболее распространены КМОП-матрицы (CMOS Image Sensor).
Сетчатка глаза и фотоматрица фотокамеры
В среднем, при нормальном функционировании органов зрения, каждый человек видит предметы примерно одинаково. Сетчатка содержит 3 типа колбочек и 1 тип палочек:
- S-тип (short) - воспринимает коротковолновую часть спектра, от фиолетового до синего цвета (пик - 420-440 нм);
- M-тип (medium) видит жёлто-зелёные цвета (пик - 534-545 нм);
- L-тип (long) отвечает за длинноволновые цвета - красный и жёлтый (пик - 564-580 нм);
- палочки - отвечают за зрение в темноте (пик - 498 нм).
Палочки и колбочки создают электрические нервные импульсы, которые мозг обрабатывает и визуализирует, превращая в окружающие предметы.
Количество колбочек в глазу оценивается в диапазоне от 4.5 до 7 млн. штук, а палочек - около 90 миллионов.
Таким образом, просуммировав палочки и колбочки, "разрешение" человеческого глаза должно составлять около 100 "мегапикселей", хотя в статье [источник] говорится о 120-140 "мегапикселях".
Фотоматрицы камер смартфонов уже преодолели рубеж в 100 мегапикселей - ещё в 2020 году на рынок вышли модели с 108-мегапиксельными модулями. Интернет говорит [источник] о том, что самая большая фотоматрица имеет разрешение 3200 мегапикселей (в статье указано, что фотоматрица состоит из ста восьмидесяти девяти 16-мегапиксельных модулей, перемножив получаем число 3024; не 3200, но это не важно).
Фотоматрица состоит из миллионов фотодиодов (пикселей), накрытых светофильтрами трёх цветов: зелёным, красным и синим. Каждый светофильтр пропускает только свой цвет. Миллионы фотодиодов под действием света разных цветов формируют электрический ток, который усиливается транзисторами, обрабатывается процессором и превращается в итоговое изображение.
Скорость восприятия света
Как часто фоторецепторы "обновляют" изображение в мозгу? Согласно [источнику], человеческий мозг может максимально улавливать до 1000 изменений изображений в секунду. Видео, снятое с частотой, превышающей порог 1000 кадров в секунду, будет неотличимо от видео с частотой 1000 кадров в секунду. Человеческое зрение - штука подстраиваемая под динамичность окружающего мира. При наблюдении за движущимся объектом глаза "обновляют" картинку чаще, примерно с частотой 100-150 кадров в секунду, а при просмотре статического предмета потребности в такой частой "смене кадров" у человека нет, и мозг "обновляет изображение" реже.
Фотокамеры современных смартфонов уже умеют снимать видео с частотой до 480-960 кадров в секунду, а самая быстрая в мире камера снимает с невероятной частотой 70000 миллиардов кадров в секунду!
Чего ожидать в будущем?
Итак, возможности современных фотокамер уже практически сопоставимы с возможностями человеческих глаз - камеры могут снимать в высоком разрешении и с большой частотой кадров в секунду. Пофантазируем немного о будущем!
Во-первых, изучение работы мозга и нервной системы человека может способствовать к восстановлению зрения у людей с проблемами зрения. Представьте на минуту, что человеку смогут внедрить миниатюрную автономную камеру, фотоматрица которой будет улавливать свет и преобразовывать его в нужные для нервной системы человека электрические импульсы! Попахивает киберпанком, конечно, но польза от такой технологии, будет бесспорной.
Во-вторых, возможно расширение диапазона видимых человеку электромагнитных волн. В [источнике] сказано, что в некоторых случаях человек способен видеть часть ультрафиолетового и инфракрасного спектра... Зачем это? Сложно сказать. Например, возможность видеть в кромешной темноте, или видеть степень теплоты предметов. Думаю, вариантов использования будет много.
Не решённый момент во всём этом безумии - как передать электрические сигналы с фотоматрицы по нервной системе в мозг, чтобы мозг воспринял их должным образом.
Интересные ссылки, которые можно посмотреть на досуге:
Как устроена камера смартфона? Просто о сложном
Почему в зеркале ты красавчик, а на фото в телефоне стремный
Как видят мир люди в 15 разных состояниях
Каковы пределы человеческого зрения?
#зрение #технологии #гаджеты #технологии будущего #очки #физика #здоровье