Lidské oko jako „objektiv a senzor“
Lidské oko – anatomie 1/5 iris – duhovka pupil – zornice, zřítelnice (vstupní pupila) sclera - bělima
Oko, pohled zvenku [1] Duhovka – hladké svalstvo s kruhovým otvorem uprostřed, mění velikost vstupního otvoru - clona. Barevné pigmenty zamezují průniky světla okolo (modré – nejméně, hnědá a černá nejvíce). Zornice – vstupní otvor o průměru 2 – 6 mm Bělima – tuhá vazivová blána (tloušťka – 0,3 – 2 mm). Upnutí okohybných svalů, zrakového nervu. Žlutá barva – příměs tuku.
Lidské oko – anatomie 2/5 iris – duhovka pupil – zornice, zřítelnice (vstupní pupila) sclera – bělima
cornea – rohovka lens – oční čočka conjuctiva – spojivka vitreous - sklivec
Anatomie lidského oka [1] rohovka – bez nervů, nepodmíněný reflex (dotek), sklíčko u hodinek Deformace – astigmatismus, dvojité vidění čočka – tloušťka 4 mm, vypuklo - vypuklá spojivka – slizničná blána, kryje bělima sklivec- vyplňuje většinu vnitřního prostoru oční koule, rosolovitá průhledná hmota
Lidské oko – anatomie 3/5 iris – duhovka pupil – zornice, zřítelnice (vstupní pupila) sclera – bělima cornea – rohovka lens – oční čočka conjuctiva – spojivka vitreous – sklivec
ciliary body – řasnaté tělísko retina – sítnice choroid - cévnatka Vertikální řez lidským okem [1] řasnaté tělísko – paprsčitě uspořádaný sval z hladké svaloviny na něž je tenkými vlákny zavěšena čočka (stahy svalstva mění zakřivení svalstva- akomodace čočky). sítnice – jemná několika vrstevná blána silná asi 0,2 – 0,4 mm. Smyslovými buňkami sítnice jsou tyčinky a čípky. cévnatka + živnatka (uvea) obsahuje velké množství cév a pigmentových buněk – hnědočervená, v zadní části je tvořena cévnatkou (choroidea). V předu přechází v řasnaté tělísko
Lidské oko – anatomie 3/5 iris – duhovka pupil – zornice, zřítelnice (vstupní pupila) sclera – bělima cornea – rohovka lens – oční čočka conjuctiva – spojivka vitreous – sklivec ciliary body – řasnaté tělísko retina – sítnice choroid - cévnatka
fovea - jamka v oblasti žluté skvrny macula lutea - žlutá skvrna optic nerve – optický nerv slepá skvrna Horizontální řez lidským okem [1]
Lidské oko – anatomie 3/5 Sítnice lidského oka [1]
Oko jako „fotoaparát“ Objektiv – dva členy (rohovka, čočka) Clona – duhovka Senzor – sítnice Sítnice Velikost –kruh 42 mm2 (kinofilm!) Pixely - asi 130 miliony tyčinek (rods) 7 miliony čípků (cones) Ekvivalent – 137 Megapixelů!
Lidské oko jako fotoaparát [2] Čípky – méně citlivé, barevné vidění Tyčinky – citlivější, ČB vidění
Sítnice lidského oka Žlutá skvrna (fovea) je místo na sítnici o průměru cca 0,2-0,5 mm. Leží v ose oka, místo nejostřejšího vidění. Mozek je využívá k ostření. Rozlišení: asi 150 000 čípků/mm2 tj. asi 10 000 dpi! Nejsou v ní skoro žádné tyčinky. Sítnice lidského oka [1] Žlutá skvrna slouží k ostrému a barevnému dennímu vidění. Každý čípek ve žluté skvrně má svůj vlastní optický nerv (vlákno) - vysoké rozlišení.
Spektrální propustnost oka [3]
Detektory na sítnici Hustota detektorů na sítnici [2] Slepá skvrna - napojení zrak. nervu Hustota tyčinek - max. 5 – 6 mm od centra - cca 160 000 tyčinek/mm2 - citlivost na pohyb a změny jasu
Jeden opt. nerv napojení více tyčinek – tj. menší prostorové rozlišení x vyšší citlivost. 1 milion nervů, v průměru 130 světlocitlivých buněk na jedno vlákno – tj. komprese!
Spektrální citlivost čípků
3 druhy čípků Relativní spektrální citlivost [2]
Světlocitlivá buňka
Čípky
Tyčinky
Dominantní umístění
Žlutá skvrna
Periferní část sítnice
Účel
Citlivost
Špička [nm]
Jasová a barevná detekce
Červená
564
Jasová a barevná detekce
Zelená
533
Barevná detekce
Modrá
437
Zelená-modrá
498
Periferní a noční vidění
Spektrální citlivost lidského oka [5]
Optická mohutnost oka Oční koule (bulbus oculi) - sagitální průměr je okolo 24–25 mm transversální průměr je asi 24 mm. Nitrooční tlak 2 až 3 kPa – zelený zákal Akomodace je změna vyklenutí čočky, a tedy její optické mohutnosti. - oko: ohnisková vzdálenost 0,017 m a optická mohutnost 58,8 D Optická mohutnost rohovky je 42 D, čočky 18 D a kapalin (komorové vody, sklivce) 2–3 D Blízký bod je oku nejbližší bod v předmětovém prostoru (střední hodnota cca 20 cm), který oko vidí ostře při maximální akomodaci. Rozlišovací schopnost oka (rozlišení dvou blízkých bodů) 1’, někdy až 1’’ (tj. 10 – 12 čar/mm pro vzdálenost 25 cm)
Zorné pole lidského oka • Sítnice oka je zakřivená (rozdíl oproti klasickému filmu) • Mozek zpracovává tři obrazy najednou (různé zorné úhly) • periferní vidění může mít zorný úhel kolem 170º • normální vidění se schopností rozlišovat detaily má úhel cca 45º • mimořádná rozlišovací schopnost (koncetrace) zorný úhel cca 1º
Pro 35mm SLR je tedy normální objektiv okolo 50mm [2].
Vady lidského oka [6] Myopie (krátkozrakost) obraz před sítnicí korekce rozptylka
Hypermetropie (dalekozrakost) obraz za sítnicí korekce spojka Astigmatismus nepravidelný tvar oční rohovky obraz v některém směru rozmazaný korekce válcovou čočkou
Aberace vyššího řádu [6] odchylky a nepravidelnosti optického systému oka (koma, sférická aberace, sekundární astigmatismus, trefoil a kvadrufoil). Korekce – obtížná až nemožná Zdroj zrakových obtíží (horší vidění za tmy, za šera, dvojité vidění, duchy apod.). Tvar deformace vlnoplochy (Zernikovy polynomy)
Vady lidského oka [6] Presbyopie (Vetchozrakost) Ztráta pružnosti oční čočky s věkem Korekce – brýle obecně zelený zákal (glaukom) Vyšší nitrooční tlak Zrakový nerv je velmi citlivý na změnu nitroočního tlaku! Může vést k zániku vláken zrakového nervu a zmenšení zorného pole oka. Pokročilé stádium – tunelové (trubicové) vidění.
Fechnerův – Weberův zákon Oko – úrovňové charakteristiky
Intenzita smyslového vjemu (sluch, zrak) závisí logaritmicky na podnětu
∆L ∆S = C L
L S = C ' log L0
∆S
∆L
L C
- rozdíl smyslových vjemů - rozdíl fyzikální veličiny (JND) - fyzikální veličina - konstanta
Fechnerův – Weberův zákon Oko – úrovňové charakteristiky
rozsah osvětlení - 100mlx až 100 klx tj. 9 řádů (minimum 2 kvanta na receptor) jasová dynamika scény – detaily až 1:30000 – tj. 15 EV (200 úrovní) nízké úrovně jasu 1:10, denní osvětlení 1:10000 (tj. zachytitelný kontrast) jasové rozlišení (JND) 2% (tj. ∆L = 0,02 ) L
adaptační mechanismy: otevírání zornice - dia 2 až 8 mm, organizace receptorů na sítnici, chemické a morfologické změny (koncentrace pigmentu) až 40 minut dynamicky: 1:10 - skotopické, 1:1000 - fotopické
Fechnerův – Weberův zákon Počet rozlišitelných gradačních stupňů potřebujeme znát pro stanovení potřebného poměru signál/šum, resp. hloubky bitového rozlišení.
L max ) min L m = 1+ log(1 + C ' ) log(
C’= ∆Lprahový/L je prahový poměrný kontrast. Pro C’ = 0,02 a Lmax/Lmin = 50 vyjde m = 170
Časová rozlišovací schopnost zraku Ferry – Porterův zákon „Kritický kmitočet blikání“ (cca 50 Hz)
fkritické = 30,26 + 12,6 log L
[ Hz ]
Talbotův zákon Platí pro
f > fkritické
T
1 L = ∫ L ′(t )dt T 0
L - jas [cd/m2]
Lidské oko – další zdroje [1] - http://www.stlukeseye.com/Anatomy.asp [2] - http://www.fotoroman.cz/techniques2/light_eye_camera.htm [3] - http://webvision.med.utah.edu/ [4] - http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/V/Vision.html [5] - Anthony E. Siegman, Lasers, Stanford University, 1986. [6] - http://www.lexum.cz/ocni-vady.php [7] – Ladarvision Custom Cornea
