Un objectif dans la plupart des photographies est de présenter une scène qui ressemble à ce qu'une personne qui avait été là à ce moment aurait vu. Même lorsqu'elle travaille intentionnellement en dehors de cela, la vision humaine est la référence de facto.
Il semble donc utile de savoir comment l'œil se compare à notre technologie de caméra. Laissant de côté les problèmes de psychologie, de reconnaissance des motifs et de perception des couleurs autant que possible (car c'est une question distincte!), Comment l'œil humain se compare-t-il à un appareil photo et un objectif modernes?
Quelle est la résolution efficace? Champ de vision? Ouverture maximale (et minimale)? Équivalence ISO? Plage dynamique? Avons-nous quelque chose qui équivaut à la vitesse d'obturation?
Quelles structures sont directement analogues aux parties d'une caméra et d'un objectif (la pupille et l'iris, par exemple), et quelles caractéristiques sont uniquement humaines (ou trouvées dans les caméras mais pas dans la biologie)?
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Réponses:
L'œil humain est vraiment nul par rapport aux objectifs d'appareil photo modernes.
Le système visuel humain , en revanche, surpasse de loin tout système de caméra moderne (objectif, capteur, firmware).
L'œil humain n'est pointu qu'au centre. En fait, elle n'est nette que dans un très, très petit endroit connu sous le nom de fovéa , qui est un point dont le diamètre est inférieur à un pour cent de notre angle de vue total. Nous avons donc une sérieuse douceur dans les coins.
Cependant, le cerveau humain est capable de corriger cela. Il demande à l'œil de faire des mouvements très rapides tout autour d'une scène afin que la partie pointue du milieu fléchisse. Le cerveau a alors une stabilisation d'image dans le corps assez impressionnante, car il prend tous ces mouvements rapides et les assemble pour faire une scène nette - enfin, au moins tous les bits sur lesquels l'œil a atterri pendant qu'il dardent seront nets.
L'œil humain est assez sensible à la lumière, mais à faible luminosité, aucune information sur les couleurs n'est disponible. De plus, la partie pointue au centre (la fovéa) est moins sensible à la lumière.
Techniquement, c'est parce que l'œil a des photosites séparés appelés cônes pour les trois couleurs (rouge, vert, bleu), et un autre type différent de photosite appelé tiges qui ne capture que le noir et blanc, mais est beaucoup plus efficace.
Le cerveau assemble tous ces éléments pour créer une excellente image pleine couleur pendant la journée, mais même lorsqu'il fait vraiment très sombre, il arrive une image douce et incolore créée par toutes les tiges.
L'œil n'a qu'un élément de lentille et il produit une aberration chromatique terrible sous la forme de franges violettes.
En fait, cette frange est tout dans les très courtes longueurs d'onde de la lumière. Le système visuel humain est le moins sensible à ces bleus et violettes. En plus de cela, il est capable de corriger cette frange qui existe de plusieurs façons. D'abord, parce que le système de vision humaine n'est pointu qu'au milieu, et c'est là qu'il y a le moins d'aberration chromatique. Et deuxièmement, parce que notre résolution de couleur est (en dehors de la fovéa) bien inférieure à notre résolution de luminosité, et le cerveau n'a pas tendance à utiliser le bleu pour déterminer la luminosité.
Nous pouvons voir en trois dimensions. C'est en partie parce que nous avons deux yeux et que le cerveau peut faire des calculs étonnants concernant la convergence entre eux. Mais c'est aussi plus avancé que ça; en plus de «l'effet 3D» que vous obtenez de la vision stéréo, le cerveau peut également reconstruire des scènes en trois dimensions même en regardant une photo bidimensionnelle de la scène. C'est parce qu'il comprend des indices tels que l'occlusion, les ombres, les indices de perspective et de taille et les utilise tous pour assembler la scène comme un espace 3D. Lorsque nous regardons une photo d'un long couloir, nous pouvons voir que le couloir s'éloigne de nous même si nous n'avons pas de vision stéréo, car le cerveau comprend la perspective.
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(Avec beaucoup d'aide de l'article Wikipedia )
Nos yeux sont un système à 2 lentilles, le premier étant notre œil extérieur et le second étant une lentille juste à l'intérieur de notre œil. Nos yeux ont une focale fixe, d'environ 22-24 mm. Nous avons une résolution significativement plus élevée près du centre que sur les bords. La résolution varie considérablement en fonction de l'endroit dans l'image que vous regardez, mais elle est d'environ 1,2 minute d'arc / paire de lignes dans la région centrale. Nous avons environ 6-7 millions de capteurs, nous avons donc 6-7 mégapixels, mais ils sont quelque peu différents. Le motif des détecteurs de couleurs n'est pas très uniforme, il existe différentes capacités de détection des couleurs au centre par rapport à la vision périphérique. Le champ de vision est à environ 90 degrés du centre.
Un point intéressant est que l'œil humain ne forme jamais un "instantané" complet, mais plutôt un système continu. Il peut être très difficile de le dire, car notre cerveau est très bon pour le corriger, mais notre système est plus une approche de la photographie qui fuit, quelque peu mais pas exactement semblable à un caméscope numérique.
La lentille "Normal" est généralement choisie pour représenter la zone principale de concentration humaine, expliquant ainsi leurs différences.
Les caméras ont différents types de capteurs, mais ils sont généralement répartis de manière assez uniforme autour du capteur. Le capteur est toujours plat (le capteur humain est incurvé), ce qui peut entraîner des distorsions de bord. La résolution est difficile à obtenir dans le même format que la vision humaine et dépend quelque peu de la lentille, mais on peut affirmer sans risque que l'œil humain a plus de résolution au centre de sa mise au point, mais moins dans les zones périphériques.
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Pixiq a un article très intéressant sur le sujet, qui vient de sortir il y a quelques jours: http://web.archive.org/web/20130102112517/http://www.pixiq.com/article/eyes-vs-cameras
Ils parlent de l'équivalence ISO, de la mise au point, de l'ouverture, de la vitesse d'obturation, etc ... C'est sujet à discussion, mais c'est quand même intéressant à lire.
L'œil lui-même est une bonne pièce de technologie, mais le cerveau fait une grande partie du travail d'assemblage des pièces. Par exemple, nous pouvons percevoir une très grande plage dynamique, mais cela est principalement dû au fait que le cerveau assemble les différentes régions sans que nous nous en rendions compte. Idem pour la résolution, l'œil a une bonne résolution au centre, mais est vraiment sous-performant partout ailleurs. Le cerveau rassemble les détails pour nous. De même pour les couleurs, nous ne percevons que les couleurs au centre, mais le cerveau nous trompe en mettant en cache les informations de couleur lorsqu'elles sortent du champ central.
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Permettez-moi de vous poser une question: quels sont le débit et la profondeur de bits d'un disque vinyle?
Les caméras sont des appareils conçus pour reproduire le plus fidèlement possible l'image projetée sur leur CCD. L'œil humain est un appareil évolué dont le but est simplement d'améliorer la survie. Il est assez complexe et se comporte souvent de manière contre-intuitive. Ils ont très peu de similitudes:
Les photorécepteurs de la rétine
L'œil lui-même n'est pas remarquable. Nous avons des millions de photorécepteurs, mais ils fournissent des entrées redondantes (et ambiguës en même temps!) À notre cerveau. Les photorécepteurs à tige sont très sensibles à la lumière (en particulier du côté bleuâtre du spectre) et peuvent détecter un seul photon. Dans l'obscurité, ils fonctionnent assez bien dans un mode appelé vision scotopique. À mesure qu'il s'éclaircit, comme au crépuscule, les cellules du cône commencent à se réveiller. Les cellules coniques nécessitent environ 100 photons au minimum pour détecter la lumière. À cette luminosité, les bâtonnets et les cônes sont actifs, dans un mode appelé vision mésopique. Les cellules de tige fournissent actuellement une petite quantité d'informations sur les couleurs. À mesure qu'il s'éclaircit, les cellules des bâtonnets saturent et ne peuvent plus fonctionner comme des détecteurs de lumière. C'est ce qu'on appelle la vision photopique, et seules les cellules coniques fonctionneront.
Les matériaux biologiques sont étonnamment réfléchissants. Si rien n'était fait, la lumière qui passe à travers nos photorécepteurs et frappe l'arrière de l'œil se refléterait sous un certain angle, créant une image déformée. Ceci est résolu par la couche finale de cellules dans la rétine qui absorbent la lumière à l'aide de mélanine. Chez les animaux qui nécessitent une grande vision nocturne, cette couche est délibérément réfléchissante, de sorte que les photons qui manquent les photorécepteurs ont une chance de les frapper sur le chemin du retour. C'est pourquoi les chats ont des rétines réfléchissantes!
Une autre différence entre une caméra et l'œil est l'emplacement des capteurs. Dans un appareil photo, ils sont situés immédiatement sur le chemin de la lumière. Dans l'œil, tout est en arrière. Les circuits rétiniens sont entre la lumière et les photorécepteurs, donc les photons doivent traverser une couche de toutes sortes de cellules et de vaisseaux sanguins, avant de finalement toucher une tige ou un cône. Cela peut déformer légèrement la lumière. Heureusement, nos yeux se calibrent automatiquement, donc nous ne sommes pas coincés à regarder un monde avec des vaisseaux sanguins rouge vif qui vont et viennent!
Le centre de l'œil est l'endroit où se déroule toute la réception haute résolution, la périphérie devenant progressivement de moins en moins sensible aux détails et de plus en plus daltonien (bien que plus sensible aux petites quantités de lumière et de mouvement). Notre cerveau y fait face en déplaçant rapidement nos yeux de manière très sophistiquée pour nous permettre d'obtenir le maximum de détails du monde. Une caméra est en fait similaire, mais plutôt que d'utiliser un muscle, elle échantillonne tour à tour chaque récepteur CCD selon un schéma de balayage rapide. Ce balayage est de loin, beaucoup plus rapide que notre mouvement saccadé, mais il est également limité à un seul pixel à la fois. L'œil humain est plus lent (et le balayage n'est pas progressif et exhaustif), mais il peut en absorber beaucoup plus à la fois.
Prétraitement effectué dans la rétine
La rétine elle-même fait en fait beaucoup de prétraitement. La disposition physique des cellules est conçue pour traiter et extraire les informations les plus pertinentes.
Alors que chaque pixel d'une caméra a un mappage 1: 1 du pixel numérique stocké (pour une image sans perte au moins), les bâtonnets et les cônes de notre rétine se comportent différemment. Un seul "pixel" est en fait un anneau de photorécepteurs appelé champ récepteur. Pour comprendre cela, une compréhension de base des circuits de la rétine est requise:
Les principaux composants sont les photorécepteurs, chacun se connectant à une seule cellule bipolaire, qui à son tour se connecte à un ganglion qui atteint le cerveau par le nerf optique. Une cellule ganglionnaire reçoit l'entrée de plusieurs cellules bipolaires, dans un anneau appelé champ récepteur centre-surround. Le centre si l'anneau et l'entourage de l'anneau se comportent comme des opposés. La lumière activant le centre excite la cellule ganglionnaire, tandis que la lumière activant l'entourage l' inhibe (un champ excentré au centre). Il existe également des cellules ganglionnaires pour lesquelles cela est inversé (décentré, sur-surround).
Cette technique améliore considérablement la détection des bords et le contraste, sacrifiant l'acuité dans le processus. Cependant, le chevauchement entre les champs récepteurs (un seul photorécepteur peut agir comme entrée pour plusieurs cellules ganglionnaires) permet au cerveau d'extrapoler ce qu'il voit. Cela signifie que les informations se dirigeant vers le cerveau sont déjà très codées, au point qu'une interface cerveau-ordinateur se connectant directement au nerf optique est incapable de produire quoi que ce soit que nous puissions reconnaître. Il est codé de cette façon parce que, comme d'autres l'ont mentionné, notre cerveau offre des capacités de post-traitement incroyables. Comme ce n'est pas directement lié à l'œil, je ne vais pas trop les développer. L'essentiel est que le cerveau détecte les lignes individuelles (bords), puis leurs longueurs, puis leur direction de mouvement, chacune dans des zones ultérieures plus profondes du cortex,flux ventral et flux dorsal , qui servent à traiter la couleur et le mouvement à haute résolution, respectivement.
La fovea centralis est le centre de l'œil et, comme d'autres l'ont souligné, c'est de là que vient la majeure partie de notre acuité. Il ne contient que des cellules coniques et, contrairement au reste de la rétine, il a une correspondance 1: 1 avec ce que nous voyons. Un photorécepteur à cône unique se connecte à une seule cellule bipolaire qui se connecte à une seule cellule ganglionnaire.
Les spécifications de l'œil
L'œil n'est pas conçu pour être un appareil photo, il n'y a donc aucun moyen de répondre à bon nombre de ces questions d'une manière qui vous plaira.
Dans un appareil photo, la précision est assez uniforme. La périphérie est tout aussi bonne que le centre, il est donc logique de mesurer une caméra par la résolution absolue. L'œil d'autre part n'est pas seulement un rectangle, mais différentes parties de l'œil voient avec une précision différente. Au lieu de mesurer la résolution, les yeux sont le plus souvent mesurés en VA . Une VA 20/20 est moyenne. Une VA de 20/200 vous rend légalement aveugle. Une autre mesure est LogMAR , mais elle est moins courante.
En tenant compte des deux yeux, nous avons un champ de vision horizontal de 210 degrés et un champ de vision vertical de 150 degrés. 115 degrés dans le plan horizontal sont capables de vision binoculaire. Cependant, seulement 6 degrés nous offre une vision haute résolution.
Typiquement, la pupille mesure 4 mm de diamètre. Sa plage maximale est de 2 mm ( f / 8,3 ) à 8 mm ( f / 2,1 ). Contrairement à un appareil photo, nous ne pouvons pas contrôler manuellement l'ouverture pour régler des choses comme l'exposition. Un petit ganglion derrière l'œil, le ganglion ciliaire, ajuste automatiquement la pupille en fonction de la lumière ambiante.
Vous ne pouvez pas mesurer directement cela, car nous avons deux types de photorécepteurs, chacun avec une sensibilité différente. Au minimum, nous sommes capables de détecter un seul photon (bien que cela ne garantisse pas qu'un photon frappant notre rétine frappera une cellule de tige). De plus, nous ne gagnons rien en regardant quelque chose pendant 10 secondes, donc une exposition supplémentaire signifie peu pour nous. Par conséquent, l'ISO n'est pas une bonne mesure à cet effet.
Une estimation approximative des astrophotographes semble être de 500 à 1000 ISO, avec une ISO de la lumière du jour aussi faible que 1. Mais encore une fois, ce n'est pas une bonne mesure à appliquer à l'œil.
La plage dynamique de l'œil lui - même est dynamique, car différents facteurs entrent en jeu pour la vision scotopique, mésopique et photopique. Cela semble être bien exploré dans Comment la plage dynamique de l'œil humain se compare-t-elle à celle des appareils photo numériques? .
L'œil humain ressemble plus à une caméra vidéo. Il prend tout à la fois, le traite et l'envoie au cerveau. L'équivalent le plus proche de la vitesse d'obturation (ou FPS) est le CFF , ou Critical Fusion Frequency, également appelé Flicker Fusion Rate. Ceci est défini comme le point de transition où une lumière intermittente de fréquence temporelle croissante se mélange en une seule lumière solide. Le CFF est plus élevé dans notre périphérie (c'est pourquoi vous ne pouvez parfois voir le scintillement des vieilles ampoules fluorescentes que si vous les regardez indirectement), et il est plus élevé lorsqu'il est lumineux. En lumière vive, notre système visuel a un CFF d'environ 60. Dans l'obscurité, il peut descendre jusqu'à 10.
Ce n'est pas toute l'histoire cependant, car une grande partie de cela est causée par la persistance visuelle dans le cerveau. L'œil lui-même a un CFF plus élevé (même si je ne trouve pas de source pour le moment, je semble me souvenir qu'il est de l'ordre de 100), mais notre cerveau brouille les choses ensemble pour diminuer la charge de traitement et pour nous donner plus de temps pour analyser un stimulus transitoire.
Essayer de comparer un appareil photo et l'œil
Les yeux et les caméras ont des objectifs complètement différents, même s'ils semblent faire superficiellement la même chose. Les caméras sont délibérément construites autour d'hypothèses qui facilitent certains types de mesure, alors qu'aucun plan de ce type n'est intervenu pour l'évolution de l'œil.
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