Зрение: прошлое, настоящее и будущее

Описание

↑ Зрение человека

Происхождение и эволюцию зрительной системы человека можно проследить, изучая зрительные системы примитивных животных. Еще задолго до появления человека зрение уже достигло высокого совершенства, так что данные о какой-либо прогрессивной эволюции зрительной системы человека отсутствуют. Поддавшись искушению, можно даже попытаться найти свидетельства некоторого регресса, ибо в последнее время выживание человека в меньшей степени зависит от его зрения. В любом случае на протяжении нескольких столетий чувствительность зрительной системы человека была, есть и останется постоянной. Эта чувствительность характеризуется квантовой эффективностью примерно от 10% при низких яркостях до нескольких процентов — при высоких. Интервал уровней яркости, при которых работает глаз, простирается до 10^-10 ламб на абсолютном пороге чувствительности до порядка 1 ламб при ярком солнечном освещении; таким образом, полный интервал изменения яркостей составляет 10 порядков.

↑ Фотографическое зрение

История фотографии на основе галогенидов серебра насчитывает несколько более ста лет. Однако лишь в течение последних десятилетий удалось достаточно надежно измерить чувствительность этого процесса. Эти измерения основывались на сравнении отношений сигнал/шум для проявленного изображения и для фотонов, создающих экспозицию. Согласно полученным данным, чувствительность фотографической пленки остается постоянной и соответствует квантовой эффективности около 1%, что сравнимо с чувствительностью человеческого глаза при высоких освещенностях.

Фоточувствительность можно широко варьировать главным образом за счет изменения размеров зерен, при этом собственно чувствительность (то есть коэффициент использования фотонов) меняется чрезвычайно мало и сохраняется примерно равной 1%. Большие зерна позволяют регистрировать изображения при меньших освещенностях, но с соответственно меньшими значениями отношения сигнал/ шум.

Маловероятно, чтобы чувствительность фотопленки на основе галогенидов серебра сколько-нибудь заметно возросла (например, более чем вдвое) в будущем. Это утверждение частично основано на том, что на протяжении последних десятилетий чувствительность фотопленки сравнительно мало изменилась. Как показали недавно проведенные измерения чувствительности отдельных зерен, их квантовая эффективность достигает 10—20%. Это означает, что чувствительность реальных эмульсий в десять раз меньше собственной чувствительности отдельных зерен. Подобное различие является, по-видимому, фундаментальным свойством систем, использующих галогениды серебра, и любых других систем, в которых проявление отдельных зерен происходит по принципу «все или ничего».

Эмульсия, состоящая из зерен одинакового размера, обладала бы также недопустимо высоким значением коэффициента контрастности. Превращение- черного в белое на такой пленке происходило бы -в узком интервале интенсивностей света. Следовательно, для получения требуемых значений коэффициента контрастности, близких к 1, необходим некоторой разброс зерен по размерам и чувствительности. Такое распределение неизбежно ведет к неполному использованию фотонов и десятикратному уменьшению чувствительности реальной эмульсии по сравнению б чувствительностью отдельных зерен. (
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Шоу дает несколько более оптимистическую оценку, согласно которой в последние десять лет чувствительность возросла втрое и примерно во столько же раз возрастет в следующем десятилетии. Он также показал, что значительного увеличения чувствительности можно добиться, если изготовлять эмульсию, все зерна которой имеют одинаковые размеры и чувствительность, причем для проявления каждого зерна достаточно лишь 2—3 эффективных фотонов. В таком случае необходимая широта фотопленки может быть достигнута за счет статистического разброса в числе падающих фотонов, а не за счет разброса зерен по величине и чувствительности.

Существует один режим работы пленки, в котором при проявлении зерен сохраняется принцип «все или ничего» и тем не менее достигается высокая чувствительность. Однако его осуществление представляется маловероятным. В этом режиме зерно должно было бы становиться проявляемым под действием одного фотона. При этом не обязательно, чтобы использовались все фотоны; необходимо лишь соблюдение условия: проявление зерна есть результат воздействия одного фотона, а не двух или более. В этом случае эмульсия действует как счетчик фотонов, для которого отношение сигнал/шум в проявленной картине весьма близко к таковому для эффективных фотонов; такая эмульсия продолжает работать при произвольно низких освещенностях.

Мы подчеркнули здесь, какие фундаментальные трудности возникают на пути увеличения чувствительности фотографической пленки выше 1%. Важно отметить, что квантовая эффективность в 1 % — это уже значительное технологическое достижение. Фотографический процесс представляет собой пример весьма сложной области применения физики твердого тела, разработанной в значительной степени еще до создания современной теории твердого тела. Мы, вероятно, лучше сможем осознать масштабы этого достижения, если вообразим, что фотографического процесса сейчас не существует и что мы предлагаем кому-либо изобрести, открыть или разработать такой процесс.

При этом выдвигаются следующие требования к материалу. Он должен состоять из частиц микронных размеров (состоящих примерно из 1010 молекул), причем в результате поглощения всего лишь нескольких фотонов 1010 молекул из «прозрачных» должны превратиться в «непрозрачные». Эти частицы в течение года и более должны быть устойчивы к тепловому воздействию окружающей среды и сохраняться в не проявляемом состоянии. Более того, эффект образования центров проявления под действием нескольких фотонов должен обладать сравнимой стабильностью. Можно уверенно сказать, что вряд ли возникло бы особое желание вложить силы и средства в такой проект. В фотографии, как и во многих других областях материаловедения и технологии, первые существенные шаги были сделаны случайно.

↑ Электронное зрение

История электронных зрительных систем начинается по существу с первых дней появления телевидения, то есть с 20-х годов. Требуемая для передачи яркость быстро снизилась от величины, соответствующей яркому солнечному дню, до величины ниже той, что дает полная луна; это означало изменение яркости в 10⁶ раз.

Современные телевизионные передающие трубки, включая суперортиконы, суперортиконы с усилителем изображения, видиконы и видиконы с усилителем изображения, работают с квантовой эффективностью в пределах 10—100%. Ожидается, что тех же характеристик достигнут более сложные и более компактные самосканирующиеся твердотельные датчики изображений. Итак, электронное зрение по чувствительности превзошло зрение человека в 10—100 раз, а фотографический процесс — в 100 раз.

Многоступенчатые усилители изображения с коэффициентом усиления, приближающимся к 10⁶, которые разрабатываются параллельно с телевизионными передающими трубками, представляют собой электронную зрительную систему с квантовой эффективностью 10% (определяемой первым фотокатодом), способную работать даже при свете звездного неба. Комбинация таких усилителей изображения с любыми другими зрительными системами превращает последние в систему с той же 10%-ной квантовой эффективностью.

Развитие электронных систем в будущем приведет, вероятно, к тому, Что столь же высокими показателями будут обладать системы изображения (рис. 77), чрезвычайно компактные, портативные, дешевые и потребляющие малую мощность; об этом свидетельствуют определенные успехи, достигнутые в создании твердотельных датчиков изображения.

Обратимся теперь к важному вопросу разработки зрительных систем, значительно превосходящих по квантовой эффективности человеческий глаз.

↑ Необходимость повышения квантовой эффективности

Фотографические и телевизионные системы представляют собой суррогаты человеческого глаза. Поэтому может показаться достаточным, чтобы по чувствительности. они соответствовали человеческому глазу. Однако существуют фундаментальные причины, в силу которых даже при обычном использовании этих систем весьма желательно, чтобы по квантовой эффективности они превосходили глаз.

Когда мы смотрим на окружающие нас предметы, то нам кажется, что все они — как близкие, так и далекие, — находятся в фокусе. Это объясняется не необычайно большой глубиной резкости человеческого глаза, а тем, что глаз быстро и почти бессознательно перефокусируется на интересующие нас объекты. Когда мы смотрим на близкие предметы, мы лишь смутно отдаем себе отчет в существовании далеких, и наоборот. Поскольку фокусировка глаза следует за нашим вниманием, то наше чувство реальности заключается в том, что все они одновременно находятся в фокусе. Чтобы камера могла передать такое ощущение реальности, и близкие, и далекие предметы должны именно одновременно находиться в фокусе, поскольку оператор не знает, какая часть передаваемой картины привлечет внимание зрителя. Иначе говоря, для создания того же ощущения реальности от камеры требуется значительно большая глубина резкости, чем от глаза зрителя. Эта глубина достигается уменьшением относительного отверстия линз, в результате существенно падает число используемых фотонов. Поэтому, чтобы передать ощущение реальности, когда- «все в фокусе», камера при той же освещенности должна непременно превосходить по чувствительности глаз человека.

Существует и вторая важная причина, в силу которой камера должна превышать по чувствительности глаз. Как известно, яркость изображений, особенно в телевизионных системах, часто превышает яркость передаваемых картин. Телевизионная система действует как усилитель света, и, например, при передаче футбольных матчей поздней осенью коэффициент ее усиления часто достигает 100. В этих условиях зритель бессознательно предъявляет к передающей камере более высокие требования, чем к своей собственной зрительной системе.

Когда наблюдатель смотрит на слабо освещенную сцену, он видит картину, свободную от шумов. Это происходит потому, что коэффициент усиления его зрительной системы автоматически понижается до уровня, при котором фотонный шум оказывается на пороге видимости. Чтобы камера могла передавать свободное от шумов изображение той же слабо освещенной сцены и обеспечивать яркость изображения, в 100 раз превышающую яркость сцены, она должна обладать чувствительностью, в 100 раз большей, чем чувствительность глаза. (Мы предполагаем, что камера по меньшей мере не уступает глазу по глубине резкости.) Во всех приводимых нами рассуждениях присутствуют определенные психологические тонкости. Наблюдатель, смотрящий непосредственно на слабо освещенную сцену, видит картину худшего качества, чем он видел бы при больших интенсивностях света. Однако отсюда он не делает вывода о том, что его собственная зрительная система не в порядке. Скорее ему кажется, что он видит «все, что есть», и худшее качество картины является естественным следствием слабой освещенности.

Если теперь наблюдатель смотрит на картину того же качества, но воспроизводимую при яркости, в 100 раз превышающей яркость исходной сцены, то разрешающая способность его зрительной системы возрастает и «говорит» ему, что он должен быть в состоянии видеть больше деталей, чем ему предоставлено. Действительно, поскольку качество картины ограничено фотонным шумом, точнее, фотонным шумом в камере, то зритель видит сам шум и делает вывод, что в картине и передающей ее камере имеются дефекты. Опыт «подсказывает» ему, что низ« кое качество восприятия слабо освещенных картин — вещь реальная и естественная, тогда как то же качество, обнаруживаемое при высоких освещенностях, создается искусственно и свидетельствует о неисправности системы. Такого суждения не возникает, если чувствительность камеры настолько превышает чувствительность человеческого глаза, что камера обеспечивает свободное от шумов яркое изображение слабо освещенной сцены.

Нет необходимости подчеркивать достоинства свободного от шумов изображения. Передача большего количества информации есть лишь одно — хотя и существенное — из достигаемых при этом преимуществ. Второе преимущество заключается в том, что отсутствие шумов играет огромную роль в формировании ощущения трехмерности передаваемой картины. Как мы уже говорили, глаз склонен считать все, что он видит, реальным и трехмерным, если только нет «ключей», которые вынуждают его принять двумерную интерпретацию. Примерами такого «ключа» служат рама, граница картины, а также фактура ткани или страницы, на которых находится изображение. Шум играет роль своего рода фактуры и разрушает иллюзию трехмерности, за которую обычно «ухватывается» глаз. Справедливость этого утверждения легко проверить. Если сначала посмотреть на искаженную шумом картину на экране телевизора, а затем «превратить» ее в картину, свободную от шумов, глядя на нее через маленькое отверстие, которое ослабляет свет, попадающий в глаз, то происходящее при этом превращение двумерной картины в трехмерную вы-глядит весьма впечатляюще, во всяком случае, таково мнение автора этой книги.

Последнее обстоятельство, определяющее серьезные требования к чувствительности камеры, связано с тем, что в окружающем нас мире мы редко видим черные объекты. Когда наше внимание переключается, например, на темный угол комнаты, коэффициент усиления сетчатки возрастает столь быстро, что мы едва отдаем себе отчет в том, что это произошло.

В результате малый коэффициент контрастности достигается динамически. Того же результата в телевидении или кино добиваются путем «устранения» темных углов сцены благодаря использованию высокого уровня фонового освещения. Помимо фона, существует несколько основных источников света, выделяющих определенные части сцены. Таким образом, малый коэффициент контрастности достигается освещением, а не камерой.

Любитель при домашних киносъемках вряд ли будет так же заботиться об освещении, как профессионал в киностудии. Скорее, камере придется «приспосабливаться» к широкому интервалу освещенностей и воспроизводить темные углы как свободный от шумов уровень серого. Камера должна обладать большим динамическим диапазоном и высокой чувствительностью для .того, чтобы передавать свободные от шумов градации малой освещенности.

Итак, чувствительность камеры должна значительно превосходить чувствительность глаза. Далее, как мы установили, квантовая эффективность фотографического процесса с использованием галогенидов серебра еще долго будет оставаться на уровне нескольких процентов, что довольно близко к эффективности глаза, в то время как чувствительность электронных систем, а именно телевизионных передающих трубок, уже превышает зрительную чувствительность и, вероятно, достигнет предела, соответствующего квантовой эффективности 100%. Уже сейчас явно наблюдается тенденция к замене обычной фотографической камеры электронными устройствами, и в дальнейшем развитие пойдет в направление создания дешевых, компактных электронных камер с высокой чувствительностью. Не исключено, что эта тенденция: еще более усилится благодаря потенциальным возможностям использования таких систем для создания регистрирующих сред, допускающих многократное использование и немедленное проявление.

---

Статья из книги: Зрение человека и электронное зрение | Роуз А.