Przetwarzanie danych osobowych

Nasza witryna korzysta z plików cookies

Wykorzystujemy pliki cookie do spersonalizowania treści i reklam, aby oferować funkcje społecznościowe i analizować ruch w naszej witrynie, a także do prawidłowego działania i wygodniejszej obsługi. Informacje o tym, jak korzystasz z naszej witryny, udostępniamy partnerom społecznościowym, reklamowym i analitycznym. Partnerzy mogą połączyć te informacje z innymi danymi otrzymanymi od Ciebie lub uzyskanymi podczas korzystania z ich usług i innych witryn.

Masz możliwość zmiany preferencji dotyczących ciasteczek w swojej przeglądarce internetowej. Jeśli więc nie wyrażasz zgody na zapisywanie przez nas plików cookies w twoim urządzeniu zmień ustawienia swojej przeglądarki, lub opuść naszą witrynę.

Jeżeli nie zmienisz tych ustawień i będziesz nadal korzystał z naszej witryny, będziemy przetwarzać Twoje dane zgodnie z naszą Polityką Prywatności. W dokumencie tym znajdziesz też więcej informacji na temat ustawień przeglądarki i sposobu przetwarzania twoich danych przez naszych partnerów społecznościowych, reklamowych i analitycznych.

Zgodę na wykorzystywanie przez nas plików cookies możesz cofnąć w dowolnym momencie.

Optyczne.pl

Partnerzy






Artykuły

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć
29 października 2015

1. Nasz narząd wzroku

Budowa oka

Oko to narząd receptorowy umożliwiający widzenie. W najprostszym przypadku chodzi o zdolność wykrywania pewnego zakresu promieniowania elektromagnetycznego. To jednak nie wszystko, bowiem oczy są w stanie dostarczyć informacje o kierunku padania światła, jego intensywności oraz kształtach obiektów.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - R E K L A M A - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku
Po lewej schemat budowy ludzkiego oka: 1 – źrenica, 2 – soczewka, 3 – nerw wzrokowy i plamka ślepa, 4 – siatkówka i plamka żółta. Po prawej zdjęcie dna oka z zaznaczonymi obszarami ślepej i żółtej plamki. Źródło: Wikimedia Commons

W wyniku ewolucji człowiek został obdarzony narządem, który określamy jako oko proste. Ten organ o kształcie kuli o średnicy około 25 mm zbudowany jest z soczewki ze zmienną i regulowaną ogniskową, tęczówki (przysłony) regulującej średnicę otworu (źrenicy), przez którą wpada światło, oraz światłoczułej siatkówki w głębi oka. Przylegające od tylnej strony siatkówki komórki zawierają czarny pigment (ta część oka nazywana jest naczyniówką, biegną tam także naczynia krwionośne) i absorbują nadmiar światła, a także zapobiegają zacieraniu konturów tworzonego obrazu przez odbijanie światła wewnątrz oka. W połączeniu nerwu wzrokowego z gałką oczną znajduje się tak zwana plamka ślepa, na której nie ma fotoreceptorów. Wnętrze oka wypełnia przezroczysta ciecz zwana ciałem szklistym.

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku

Przedstawiona na diagramie powyżej siatkówka, czyli nasz materiał światłoczuły, ma bardzo skomplikowaną budowę. Światło (oznaczone niebieskimi strzałkami), przechodząc przez wszystkie warstwy (od lewej do prawej) dociera do fotoreceptorów – pręcików i czopków. W nich, pod wpływem padającego na nie światła dochodzi do chemicznej transformacji specjalnego białka, które aktywuje przesłanie sygnału do komórek dwubiegunowych i horyzontalnych (środkowa żółta warstwa). Dalej jest on przewodzony do komórek amakrynowych i zwojowych (neuronów), które przekazują informację do mózgu poprzez nerw wzrokowy – jako ciekawostkę warto wspomnieć o tym, że komórki zwojowe zamieniają sygnał będący potencjałem na serię impulsów.

Porównując powyższy schemat z budową sensora światłoczułego, odnajdujemy zbieżność z konstrukcjami FSI, gdzie światło musi przejść przez obwody elektroniczne, by dotrzeć do fotodiody. Wiemy, że dużo efektywnej działają matryce BSI, czyli o odwróconej strukturze. Czy natura nie mogła czegoś takiego stworzyć? Okazuje się, że taką „siatkówkę BSI”, czyli odwrotnie ustawione fotoreceptory, mają bezkręgowce. Błąd ewolucji? Nie wiadomo. Jest wiele hipotez tłumaczących ten stan rzeczy: głównie odtwarzanie błon dyskowych, ale też ochrona przed nadmiernym ciepłem czy niszczącym działaniem światła.

W budowie gałki ocznej warto wyróżnić dwa obszary – plamkę żółtą oraz miejsce, w którym zbiegają się nerwy, tzw. tarczę nerwu wzrokowego. Pierwszy, o wielkości około 5.5 mm, to znajdujące się w centrum siatkówki (w osi optycznej soczewki) miejsce, w środku którego, w niewielkim zagłębieniu, postrzegany obraz jest najostrzejszy. Drugi obszar, zwany plamką ślepą, nie posiada receptorów, więc nie bierze udziału w procesie widzenia.

Jak działają czopki i pręciki

Pigment absorbujący światło znajduje się w dyskach tworzących stos w zewnętrznej części fotoreceptora prostopadle do kierunku padania światła (na diagramie powyżej od lewej strony). W pręcikach takich warstw jest kilkaset podczas gdy w czopkach ten filtr tworzony jest przez pofałdowanie membrany, w której osadzone są cząsteczki pigmentu.

Podczas absorpcji światła molekuły pigmentu zmieniają formę z wygiętej na prostą, czasami nawet ulegają rozpadowi. Proces ten nazywamy oślepieniem fotopigmentu. Cząsteczki pigmentu w dyskach są przez organizm wymieniane co około 2 tygodnie.

Czopki zawierają specyficzne białka receptorowe (rodopsyna, inaczej purpura wzrokowa, która zbudowana jest z retinalu i opsyny), absorbujące światło w różnych zakresach długości fali. Umożliwiają one widzenie kolorów przy dobrym oświetleniu (tzw. widzenie fotopowe), a ich wrażliwość pogarsza się przy zbyt intensywnym świetle (czopki ulegają „przesyceniu”). Na siatkówce oka znajduje się ich około 4.5 mln. Ich rozłożenie jest nieregularne, większe skupienie odnajdziemy w centrum. Charakteryzują się one niewielką czułością, co jednak rekompensowane jest szybką reakcją na światło bezpośrednio na nie padające.

Pręciki, których nazwa nawiązuje do kolumnowej budowy, umożliwiają monochromatyczne widzenie przy słabym oświetleniu (pozwalają na widzenie skotopowe). Na siatkówce oka ludzkiego znajduje się ich około 90 mln. Dzięki dużo większej zawartości pigmentu są one kilkaset razy bardziej czułe na światło (w tym rozproszone, pokazane na obrazku powyżej w postaci zakrzywionej niebieskiej strzałki) od czopków (wystarczy nawet 1 foton by wzbudzić ten fotoreceptor), choć reagują wolniej. Pracują w grupach, tzn. sygnały z wielu pręcików są zbierane i wzmacniane w pojedynczych komórkach nerwowych, co powoduje mniejszą rozdzielczość widzianego obrazu. W procesie ewolucji pręciki wyspecjalizowały się jednak w wykrywaniu poruszających się obiektów.

Komórki amakrynowe (33 typy) oraz zwojowe (12 typów), przesyłają dalej informacje, z których tworzy się w mózgu obraz świata. Choć ich rola nie jest jeszcze dokładnie poznana uznaje się, że każdą grupę tych komórek można traktować jako specyficzny filtr biorący udział w analizie takich cech obrazu jak kontur, cień, tekstura, oświetlona powierzchnia. Odpowiadają one także za detekcję ruchu, adaptację do jasności, a dzięki połączeniom informacji z wielu pręcików kontrolują też wysoką czułość widzenia skotopowego. Regulują również naszą dobową aktywność.

Percepcja koloru

Czopki ludzkiego oka możemy podzielić na 3 rodzaje, z których każdy ma inną charakterystykę widmową, zależną od budowy cząsteczek opsyn (pary proteinowo-retinalowej):

  • erythrolabe (D) – reagująca z największą czułością na promieniowanie wywołujące wrażenie czerwieni,
  • chlorolabe (Ś) – odpowiedzialna za wrażenie zieleni,
  • cyanolabe (K) – najbardziej czuła na promieniowanie wywołujące wrażenie barwy niebieskiej.
Czopki K są najmniej liczne na całej siatkówce, okazuje się też, że w centralnej części żółtej plamki ich nie ma. Dodatkowo zakres ich widma jest ograniczony refrakcją oka (czyli załamywaniem światła przechodzącego przez wszystkie struktury układu optycznego oka, zwłaszcza rogówkę, soczewkę i ciało szkliste), które skuteczne odcina światło o wysokiej częstotliwości (dla długości mniejszych od 380 nm). Osoby cierpiące na afakię (wrodzony brak lub chirurgiczne usunięcie soczewki) postrzegają światło z zakresu nadfioletu jako białawy niebieski lub białawy fiolet.

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku

Na wykresie przedstawiona jest też charakterystyka dla pręcików (Pr), które swoje maksimum czułości mają w okolicach 500 nm; jest to światło zielone.

Te trzy rodzaje czopków wpłynęły na opracowanie modelu kolorów RGB, stosowanego m.in. w skanerach, aparatach fotograficznych, monitorach komputerowych i telewizji. Przedstawione charakterystyki spektralne to tzw. przestrzeń LMS. Jednak na potrzeby standaryzacyjne została skonstruowana pod kątem postrzegania barw przez ludzkie oko specjalna paleta barw – CIE XYZ, gdzie w sposób jednoznaczny dowolny kolor opisuje się we współrzędnych trójchromatycznych X, Y, Z, przy czym współrzędne te zależne są od względnych sprawności wizualnych czopków.

W istocie nie jest tak, że czopki czułe na światło czerwone tylko takie rejestrują. Wykresy nie są punktowe, a tworzą krzywe, które swoje maksima osiągają w konkretnych punktach. W rzeczywistości odbierane zakresy widm odpowiadają kolorom żółto-zielonym, zielonym oraz niebiesko-fioletowym. Dlatego też, by uniknąć nieścisłości, oznacza się je literami L, M oraz S (z ang. long, medium, short wave) – w polskiej literaturze D, Ś, K (długie, średnie, krótkie fale). Nakładanie się na siebie wykresów wskazuje, że wprost z siatkówki oka nie można określić koloru – ten proces następuje w mózgu przez skomplikowaną analizę informacji z czopków.

Istotną rolę pełnią komórki horyzontalne, które połączone są z wieloma czopkami i pręcikami. Ich funkcją jest odpowiednie „mieszanie” sygnałów z fotoreceptorów i przekazywanie dalej w postaci 3 odrębnych parametrów:

  • Luminancja – będąca sumą informacji z pręcików i 3 typów czopków,
  • B-Y – różnica między niebieskim i żółtym, który to jest sumą czerwonego i zielonego (Y = R + G),
  • G-R – różnica między zielonym i czerwonym.

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku

W ten sposób utworzony sygnał można rozpatrywać jako jasność i dwuwymiarowe współrzędne chromatyczne, gdzie w jednej osi mamy przejście od żółtego do niebieskiego, a w drugiej od zielonego do czerwonego. Osoby interesujące się elektroniką, które wiedzą w jaki sposób transmitowany jest sygnał telewizyjny dostrzegą zbieżność, szczególnie ze standardami PAL/SECAM (transmisja luminacji Y, oraz dwóch sygnałów U oraz V).

Gdy na to pozwala jakość źródła światła, wzrok człowieka adaptuje się do niego efektywnie niwelując jego wpływ. W procesie percepcji kolorów w mózgu stosowany jest także mechanizm uśredniania koloru wobec tego, na którym jest skupiony wzrok. Ta normalizacja dokonywana jest niezależnie dla jasności i obu sygnałów chromatycznych. Kolory różnych widocznych obiektów są korygowane względem tak wytworzonej informacji średniej.

Poniżej prezentujemy przykłady normalizacji, jaka dokonuje się w mózgu względem różnych typów oświetlenia.

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku

Dla widma ciągłego (np. światło słoneczne lub żarówka z włóknem wolframowym) ludzki wzrok potrafi się dość skutecznie adaptować do różnych temperatur barwnych. Algorytmy balansu bieli w aparatach fotograficznych dla oświetleń z dominantą niebieską czy czerwoną (cień lub światło żarowe) z reguły słabo sobie radzą – pozyskane zdjęcia wyglądają inaczej niż zachowane w naszej pamięci obrazy.

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku

Dla widma nieciągłego (np. światło rtęciowe czy sodowe lamp ulicznych) ludzki wzrok nie potrafi się zaadoptować tak by zniwelować kolorystykę oświetlenia. Dlatego niektóre kolory nie są widoczne, a inne mocno zdeformowane. Warto przypomnieć, że dla aparatów fotograficznych takie oświetlenie też jest sporym wyzwaniem.

Adaptacja do warunków oświetleniowych

Z doświadczenia wiemy, że wchodząc ze słonecznej ulicy do ciemnego pomieszczenia (np. kina czy pubu), przez chwilę niewiele widzimy. A wychodząc z niego na zewnątrz, jesteśmy w pierwszym momencie oślepieni. To wynik adaptacji oka.

Monitor dla fotografa - część II : patrzeć i widzieć - Nasz narząd wzroku

W wypadku przyzwyczajenia do ciemności nie wystarczy tylko mocniej otworzyć źrenice. Ten proces to także powolne zwiększanie ilości rodopsyn w pręcikach i czopkach siatkówki – dostosowanie wzroku do bardzo słabego oświetlenia tak, by wyłapywać pojedyncze fotony. Jak widać na wykresie powyżej, podczas gdy pełen proces adaptacji pręcików trwa około 30 minut, czopkom wystarczy trzykrotnie mniej czasu.



Poprzedni rozdział