Одних только глаз недостаточно, чтобы человек смог видеть. Глаза – это оптический инструмент, который регистрирует электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и передает эти стимулы в мозг. Именно благодаря мозгу на основе полученных стимулов мы видим изображение.
Устройство современных фотоаппаратов имеет много общего с устройством человеческого глаза. Роговица – это передняя линза объектива. Радужная оболочка – это диафрагма. Хрусталик – это группа линз объектива, фокусирующая изображение на сенсоре, а сетчатка – это сенсор. А вот мозг – это электроника камеры, именно она занимается обработкой сигналов с сетчатки, т.е. сенсора.
За счет изменения формы хрусталика происходит фокусировка зрения на конкретном расстоянии от глаза. Эту способность глаза называют аккомодацией. За счет аккомодации мозг может определять расстояние до объектов. Имеется ввиду, что мозг не определяет расстояние в метрах или других величинах (это уже следующая мозговая деятельность), а фиксирует дальше или ближе расположены объекты относительно наблюдателя. Благодаря аккомодации возникает эффект глубины резко изображаемого пространства, когда часть изображения выглядит резким, а часть размытым.
Экспериментальным путем установлено, что расстояние, на котором глаз меньше всего напрягается при рассматривании изображений (т.е. глазные мышцы находятся в относительно расслабленном состоянии) равняется 25-30 см. Запомните эти цифры, мы о них вспомним, когда будем обсуждать расчеты глубины резко изображаемого пространства.
Свет через хрусталик попадает на сетчатку глаза. Сетчатка содержит клетки-рецепторы: палочки (около 120 млн) и колбочки (около 7 млн). Палочки особо чувствительны к яркости света, тогда как колбочки восприимчивы к цвету (т.е. различают цветовые тона, их оттенки и насыщенность) и мелким деталям.
Колбочки исторически возникли благодаря мутации палочек, в результате чего, человек получил дополнительные функции (цвет и детали).
Большая часть сетчатки покрыта палочками вперемешку с небольшим количеством колбочек и только небольшой участок сетчатки содержит большую концентрацию колбочек. В этой области сетчатки, где проходит зрительная ось глаза, размещается желтое пятно (или макула), в центре которого имеется небольшое углубление, называемое центральной ямкой (или фовеа). Здесь в большом количестве размещаются колбочки. Центральная ямка имеет размер всего в полмиллиметра и фиксирует угол обзора в 2-3 градуса при общем угле в 130 градусов (по горизонтали 150, по вертикали 110). Для общего развития, стоит запомнить, что фокусное расстояние глаза равно 22 мм.
Колбочки в свою очередь делятся на три вида: L-колбочки, реагирующие на длинноволновый свет; M-колбочки, реагирующие на средневолновый свет; S-колбочки, реагирующие на коротковолновый свет и способные определять насыщенность света. При этом S-колбочки практически отсутствуют в центральной ямке. Поскольку человек обладает этими тремя видами колбочек, его зрительную систему называют трихроматической. При достаточном освещении в сетчатке палочки «замирают» и всю работу выполняют колбочки. При этом информация от различных видов колбочек пересчитывается глазом в информацию, схожую с цветовой моделью Lab, где L-яркость, а a и b – хроматическая составляющая. При недостаточном освещении «замирают» колбочки и в работу включаются палочки, которые не способны передавать высокие пространственные частоты, в отличии от колбочек и не могут определять хроматическую информацию.
Таким образом, центральная ямка отвечает за остроту зрения, поэтому можно и нужно говорить о том, что при рассматривании изображения, человек в конкретный момент времени четко и ясно видит лишь небольшую область. Все остальное фиксирует периферическое зрение и воспринимается не детализированным (размытым). Но глаза находятся в постоянном движении и благодаря тому, что центральная ямка буквально за мгновения успевает просканировать отдельные области, интересующие наше зрение, в представлении человека возникает нормальное резкое изображение. То, что центральная ямка не просканировала, наше сознание дополняет информацией, которая на самом деле выдумывается.
То есть, итоговое изображение, которое рождается в человеческом мозге, лишь частично состоит из информации, которая получена нашими глазами. Многое конструируется нашим сознанием. При этом могут возникать ошибки. Мозг может ошибаться в своих предположениях и в результате можно столкнуться с различными явлениями оптических иллюзий, природа которых находится в нашем «внутреннем компьютере».
Благодаря периферическому зрению человек видит во условиях недостаточного освещения. В таких условиях колбочки практически не работаю, поэтому во тьме человек не способен хорошо различать детали и цвет.
На следующей диаграмме показано падение остроты зрения человеческого глаза от центральной ямки. Можно увидеть, что нормальное зрение обеспечивается только в области желтого пятна и примерно равно 60 градусов.
Рассматривая 10 дюймовое изображение (25 см по диагонали) с расстояния 25 см, угол обзора составляет около 50 градусов. Объектив 50 мм наиболее близко передает этот угол обзора (50 мм имеет угол обзора 47 градусов) и поэтому считается «нормальным».
Здоровый человек обладает бинокулярным зрением. За счет этого расширяется угол обзора зрения (до 190 градусов). Благодаря бинокулярному зрению мы можем легче воспринимать глубину сцены, объемные объекты и определять расстояние до них. Однако бинокулярное зрение никак не помогает и даже мешает рассматривать изображения на бумаге или экране монитора. Есть даже рекомендации для просмотра фотографий: закройте один глаз и рассматривайте фотографию через отверстие (можно просто кисть руки сложить в своеобразный объектив) и тогда изображение станет более объемным.
Глаз определяет расстояние до объектов посредством «измерения» угла обзора и имея представления о том какой размер у объекта или сопоставляя его неизвестный размер с рядом находящимися объектами. Это очень важное замечание. Зачастую на фотографии невозможно понять масштабы съемки, например, горы и прочие ландшафты, а также архитектурные съемки. Но достаточно поместить в кадр знакомый объект (дерево, человек, автомобиль, дом и т.п.), как масштаб становится понятным.