Каковы пределы человеческого зрения?

28 Июля 2015 в 12:00, Илья Хель 12 257 просмотров 51

Глаза

От наблюдения далеких галактик за световые годы от нас до восприятия невидимых цветов, Адам Хэдхейзи на BBC объясняет, почему ваши глаза могут делать невероятные вещи. Взгляните вокруг. Что вы видите? Все эти цвета, стены, окна, все кажется очевидным, как будто так и должно быть здесь. Мысль о том, что мы все это видим благодаря частицам света — фотонам — которые отскакивают от этих объектов и попадают нам в глаза, кажется невероятной.

Эта фотонная бомбардировка всасывается примерно 126 миллионами светочувствительных клеток. Различные направления и энергии фотонов транслируются в наш мозг в разных формах, цветах, яркости, наполняя образами наш многоцветный мир.

Наше замечательное зрение, очевидно, обладает рядом ограничений. Мы не можем видеть радиоволны, исходящие от наших электронных устройств, не можем разглядеть бактерий под носом. Но с достижениями физики и биологии мы можем определить фундаментальные ограничения естественного зрения. «Все, что вы можете различить, имеет порог, самый низкий уровень, выше и ниже которого вы видеть не можете», — говорит Майкл Лэнди, профессор неврологии Нью-Йоркского университета.

Палочки

Начнем рассматривать эти визуальные пороги сквозь призму — простите за каламбур — что многие ассоциируют со зрением в первую очередь: цвет.

Почему мы видим фиолетовый, а не коричневый, зависит от энергии, или длины волн, фотонов, падающих на сетчатку глаза, расположенную в задней части наших глазных яблок. Там находится два типа фоторецепторов, палочки и колбочки. Колбочки отвечают за цвет, а палочки позволяют нам видеть оттенки серого в условиях низкой освещенности, например, ночью. Опсины, или пигментные молекулы, в клетках сетчатки поглощают электромагнитную энергию падающих фотонов, генерируя электрический импульс. Этот сигнал идет через зрительный нерв к мозгу, где и рождается сознательное восприятие цветов и изображений.

У нас есть три типа колбочек и соответствующих опсинов, каждый из которых чувствителен к фотонам определенной длины волны. Эти колбочки обозначаются буквами S, M и L (короткие, средние и длинные волны соответственно). Короткие волны мы воспринимаем синими, длинные — красными. Длины волн между ними и их комбинации превращаются в полную радугу. «Весь свет, который мы видим, кроме созданного искусственно с помощью призм или хитроумных устройств вроде лазеров, представляет собой смесь разных длин волн, — говорит Лэнди».

Из всех возможных длин волн фотона наши колбочки обнаруживают небольшую полосу от 380 до 720 нанометров — то, что мы называем видимым спектром. За пределами нашего спектра восприятия есть инфракрасный и радиоспектр, у последнего диапазон волн составляет от миллиметра до километра длиной.

Глаза

Над нашим видимым спектром, на более высоких энергиях и коротких длинах волн, мы находим ультрафиолетовый спектр, потом рентгеновские лучи и на вершине — гамма-лучевой спектр, длины волн которого достигают одной триллионной метра.

Хотя большинство из нас ограничены видимым спектром, люди с афакией (отсутствием хрусталика) могут видеть в ультрафиолетовом спектре. Афакия, как правило, создается вследствие оперативного удаления катаракты или врожденных дефектов. Обычно хрусталик блокирует ультрафиолетовый свет, поэтому без него люди могут видеть за пределами видимого спектра и воспринимать длины волн до 300 нанометров в голубоватом оттенке.

Исследование 2014 года показало, что, условно говоря, все мы можем видеть инфракрасные фотоны. Если два инфракрасных фотона случайно попадают в клетку сетчатки почти одновременно, их энергия объединяется, конвертируя их длину волны из невидимой (например, 1000 нанометров) в видимую 500-нанометровую (холодный зеленый цвет для большинства глаз).

Сколько цветов мы можем видеть?

Здоровый человеческий глаз имеет три типа колбочек, каждый из которых может различать порядка 100 разных цветовых оттенков, поэтому большинство исследователей сходятся во мнении, что наши глаза в общем могут различить примерно миллион оттенков. Тем не менее восприятие цвета — это довольно субъективная способность, которая варьируется от человека к человеку, поэтому определить точные цифры довольно сложно.

«Довольно трудно переложить это на цифры, — говорит Кимберли Джеймисон, научный сотрудник Калифорнийского университета в Ирвине. — То, что видит один человек, может быть лишь частью цветов, которые видит другой человек».

Глаза

Джеймисон знает, о чем говорит, поскольку работает с «тетрахроматами» — людьми, обладающими «сверхчеловеческим» зрением. Эти редкие индивиды, в основном женщины, обладают генетической мутацией, которая подарила им дополнительные четвертые колбочки. Грубо говоря, благодаря четвертому набору колбочек, тетрахроматы могут разглядеть 100 миллионов цветов. (Люди с цветовой слепотой, дихроматы, имеют только два вида колбочек и видят примерно 10 000 цветов).

Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?

Для того чтобы цветное зрение работало, колбочкам, как правило, нужно намного больше света, чем их коллегам-палочкам. Поэтому в условиях низкой освещенности цвет «гаснет», поскольку на передний план выходят монохроматические палочки.

В идеальных лабораторных условиях и в местах сетчатки, где палочки по большей части отсутствуют, колбочки могут быть активированы лишь горсткой фотонов. И все же палочки лучше справляются в условиях рассеянного света. Как показали эксперименты 40-х годов, одного кванта света достаточно, чтобы привлечь наше внимание. «Люди могут реагировать на один фотон, — говорит Брайан Уонделл, профессор психологии и электротехники в Стэнфорде. — Нет никакого смысла в еще большей чувствительности».

Пределы

В 1941 году исследователи Колумбийского университета усадили людей в темную комнату и дали их глазам приспособиться. Палочкам потребовалось несколько минут, чтобы достичь полной чувствительности — вот почему у нас возникают проблемы со зрением, когда внезапно гаснет свет.

Затем ученые зажгли сине-зеленый свет перед лицами испытуемых. На уровне, превышающем статистическую случайность, участники смогли зафиксировать свет, когда первые 54 фотона достигли их глаз.

После компенсации потери фотонов через всасывание другими компонентами глаза, ученые обнаружили, что уже пять фотонов активируют пять отдельных палочек, которые дают ощущение света участникам.

Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?

Этот факт может вас удивить: нет никакого внутреннего ограничения мельчайшей или самой далекой вещи, которую мы можем увидеть. Пока объекты любого размера, на любом расстоянии передают фотоны клеткам сетчатки, мы можем их видеть.

«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, — говорит Лэнди. — Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».

К примеру, расхожее мнение гласит, что темной ясной ночью мы можем разглядеть огонек свечи с расстояния 48 километров. На практике, конечно, наши глаза будут просто купаться в фотонах, поэтому блуждающие кванты света с больших расстояний просто потеряются в этой мешанине. «Когда вы увеличиваете интенсивность фона, количество света, которое вам необходимо, чтобы что-то разглядеть, увеличивается», — говорит Лэнди.

Звезды

Ночное небо с темным фоном, усеянным звездами, являет собой поразительный пример дальности нашего зрения. Звезды огромны; многие из тех, что мы видим в ночном небе, составляют миллионы километров в диаметре. Но даже ближайшие звезды находятся минимум в 24 триллионах километров от нас, а потому настолько малы для нашего глаза, что их не разберешь. И все же мы их видим как мощные излучающие точки света, поскольку фотоны пересекают космические расстояния и попадают в наши глаза.

Все отдельные звезды, которые мы видим в ночном небе, находятся в нашей галактике — Млечный Путь. Самый далекий объект, который мы можем разглядеть невооруженным глазом, находится за пределами нашей галактики: это галактика Андромеды, расположенная в 2,5 миллионах световых лет от нас. (Хотя это спорно, некоторые индивиды заявляют, что могут разглядеть галактику Треугольника в чрезвычайно темном ночном небе, а она находится в трех миллионах световых лет от нас, только придется поверить им на слово).

Триллион звезд в галактике Андромеды, учитывая расстояние до нее, расплываются в смутный светящийся клочок неба. И все же ее размеры колоссальны. С точки зрения видимого размера, даже будучи в квинтиллионах километрах от нас, эта галактика в шесть раз шире полной Луны. Однако наших глаз достигает так мало фотонов, что этот небесный монстр почти незаметен.

Насколько острым может быть зрение?

Почему мы не различаем отдельных звезд в галактике Андромеды? Пределы нашего визуального разрешения, или остроты зрения, накладывают свои ограничения. Острота зрения — это возможность различать такие детали, как точки или линии, отдельно друг от друга, чтобы те не сливались воедино. Таким образом, можно считать пределы зрения числом «точек», которые мы можем различить.

Острота

Границы остроты зрения устанавливают несколько факторов, например, расстояния между колбочками и палочками, упакованными в сетчатке. Также важна оптика самого глазного яблока, которое, как мы уже говорили, предотвращает проникновение всех возможных фотонов к светочувствительным клеткам.

Теоретически, как показали исследования, лучшее, что мы можем разглядеть, это примерно 120 пикселей на градус дуги, единицу углового измерения. Можете представить это как черно-белую шахматную доску 60 на 60 клеток, которая умещается на ногте вытянутой руки. «Это самый четкий паттерн, который вы можете разглядеть», — говорит Лэнди.

Проверка зрения, вроде таблицы с мелкими буквами, руководствуется теми же принципами. Эти же пределы остроты объясняют, почему мы не может различить и сосредоточиться на одной тусклой биологической клетке шириной в несколько микрометров.

Но не списывайте себя со счетов. Миллион цветов, одиночные фотоны, галактические миры за квантиллионы километров от нас — не так уж и плохо для пузырька желе в наших глазницах, подключенных к 1,4-килограммовой губке в наших черепах.

Каковы пределы человеческого зрения?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

51 комментарий

  1. Баха

    главное что у нас нет ограничения в пикселях

    • designer_andrew

      Есть, просто очень высокое разрешение. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • CSKA

      Главное изображение не кубится!

      • Uglik

        Тут всё дело в "программном обеспечении". ;)
        Количество светочувствительных рецепторов ограничено, но мозг обрабатывая поступающую дробную информацию от рецепторов создаёт цельную картинку, без разбиения на пиксели (и в добавок переворачивает её вверх ногами).

        • SuperStarSieve

          И Пинг вроде хороший, и фпс. Вертикальная синхронизация, кстати, выключена походу. По крайней мере, у некоторых. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

          • BATOU

            Да. Еще перегруз шины возникает в системе если плагин LSD включить - тогда фпс к черту летит, столкновение с объектами неизбежно, да и выпады из окна. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

            • SuperStarSieve

              Главное, чтобы синий экран не выскочил. А так, в крайнем случае, вызываешь диспетчер задач, и там все выгружают за какое-то кол-во времени. Вообще, ОС надо обновлять там, пакеты данных новые получать в интернете или так называемых "библиотеках". Кстати, в зависимости от материнки, возможен апгрейд оперативки, но в современном мире всё равно сколько бы ГБ не установил, процессы забивают ОП под завязку. ;) (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

            • SuperStarSieve

              А при перегреве нельзя забывать про водяное охлаждение. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

          • Sommer

            Пинг гавно, 100-200мс реакция

          • Sommer

            пинг плохой, 250 мс в среднем реакция у человека

    • NoiselessX

      (мнение врача) Физическое восприятие ограничено 5 мегапикселями. Клеток в действительности больше, как писал JOHNEAGLE, но они сгруппированы по 5-20 клеток с общим 1 нейроном для лучшего восприятия слабого света.

  2. caduceus

    Другой интересный вопрос - как убедиться, что мы видим цвета примерно одинаковыми ( не учитывая дальтоников). То есть например, кто-то видит небо так, как другой видит красный цвет. Но при этом он, разумеется, называет его голубым, потому что все с детства говорят ему, что это красный. Вот и как это проверить? (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Atey

      Вспомните фишку с платьем, из-за которого полинтернета устроили ярый холивар. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

    • Alexx

      Правильный вопрос, и ответ на него - никак. Люди цвета видят по-разному.
      Вот, например, картинка https://media.licdn.com/mpr/mpr/jc/AAEAAQAAAAAAAAJWAAAAJDIyN2JkM2EzLTVhMGEtNDQ1MC04MzRhLWMxYWM2NzdmODg5MA.png
      Цитата:
      "Менее 20 цветов: Вы – дихромат. То есть у вас только две цветочувствительные колбочки в глазу. 25% людей попадают в эту категорию. «Но не стоит переживать. Вы находитесь в хорошей компании – собаки тоже дихроматы!» – шутит Диана Дервал. Она также отмечает, что люди этого типа имеют тенденцию носить черную, бежевую и синюю одежду.

      От 20 до 32 цветов: Вы – трихромат. У вас есть три вида колбочек в глазу. Вы можете различать многие оттенки в фиолетовой, синей, зеленой и красной областях спектра.

      От 32 до 39 цветов: Вы являетесь тетрахроматом. Профессор Дервал говорит, что у таких людей работает четыре вида колбочек. Их гамма еще более богатая. Но их раздражает желтый и, скорее всего, они не будут носить одежду этого цвета. "

      Странно, но я вижу 38-39 цветов.

      • Alexx

        з.ы.: удалите перед ссылкой http://hi-news.ru/goto/ , глючный движок комментариев сам эту чушь подставляет.

      • BATOU

        Тетрахромат тоже.
        Вижу 39 цветов. 4 пары оттенков я не могу различить (вижу как один цвет): по одной фиолетовой, синей, зеленой и желтой паре. Всего я так понимаю заложено 43 цвета в картинку.

        Желты не очень люблю, да.
        Любопытная ссылка, спасибо. (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

        • tarkit

          а теперь лезем все дружненько на зарубежные сайтики и читаем про этот тестик - все это лажа для накрутки)

      • EPIC

        41 вижу
        Никогда не сомневался в своем зрении (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

        • Uglik

          Это уже ваша фантазия, 41 там нет. Проверьте пипеткой в фотошопе, если не верите. ;)
          Здесь только 39 цветов. Так что у вас с восприятием явно что-то не то, как собственно и у всех тех кто увидел больше 39 цветов.
          И ещё одно - тетрахромата этот тест не выявит просто потому что его составляли трихроматы. Но забавно, потому что показывает то насколько по разному мы видим мир.

      • vinstlow

        во первых цветопередача у всех мониторов разная, во вторых зависит от угла просмотра.

      • Sagittarius A*

        Я 38 (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

      • designer_andrew

        Тут многое от монитора зависит. На айпаде вижу 39, а на стареньком мониторе поменьше различаю :) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Баха

      я тоже долго размышлял над данной темой. и понял что каждый человек воспринимает по своему, это касается не только цветов, но и запахов и осязания. для стандартизации отражающего света необходимо просто измерять длину спектра и сверять как часы, а для источника цвета просто прибегать к RGB кодировке. хотя с мониторами надо учитывать множество нюансов

    • Андрей Барабаш

      И я об этом думал. Скорее всего, каждый воспринимает этот мир по-своему (и цвета, и звуки, и запахи, и всё остальное) (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  3. Alexx

    Вот ещё прикольный тест http://www.xrite.com/online-color-test-challenge
    У меня вышло 12 очков (чем меньше - тем лучше). Он сложнее, и, думаю, сильнее зависит от качества монитора.

    • tarkit

      есть хороший тест там квадратики, нужно различить квадрат другого цвета и их все больше и больше и все это на время. вот там реально интересные тест.

      А вообще цветовосприятие у людей в принципе одинаковое, есть лишь небольшие различия в постобработке уже непосредственно мозгом. И тут в завязке с особенностями строения глаза вступает психология, как с тем злополучным платьем. Мозг дорисовывает картинку что бы вы быстрее увидели изображение и иногда он(мозг) делает это с косяками, вот и получается что кто то на белом листе бумаги видит серые вкрапления ее(бумаги) составляющих, а кто то не может их заметить из за того что мозг просто решил что вам нужно смотреть на белый лист бумаги.

    • vinstlow

      11 )

    • Эрг Ноор

      43, по ходу дальтоник.

    • Foxx

      4 причем на дремовеньком мониторе acer al1916w. Тут еще зависит не только от качества монитора и прочего, а и от тренировки зрения. Мне довольно часто приходится работать с фотошопом, где иногда "на глаз" приходится подбирать оттенки, может быть поэтому результат такой.

      P.s. Забавно, что когда отобразился полный порядок свою ошибку явно увидел))

  4. Sagittarius A*

    Моя мечта повысить себе зрение до предела возможностей, потому что знаю, что острота зрения в 1,0 не является ограничением....
    Эх мечты...(( (отправлено из Android приложения Hi-News.ru)

  5. Skulblako

    Отличный заголовок!

    Однако то, что он имеет только косвенное и очень отдаленное отношение, где описываемое является только одним из множеств тем, которые так же можно написать под этим заголовком - печалит.

    Другими словами:
    Название темы имеет много значений. Под этой темой можно говорить про совсем разные аспекты зрения. Если хорошо написанный заголовок - тот, который четко дает понимание о тексте и раскрывает его, то этот заголовок весьма отстойный.

    Я рассчитывал совсем на другое, прочитав заголовок. И конечно же, тему читать я не стал, просмотрел подзаголовки.

  6. SuperStarSieve

    С искусственными глазами можно будет воспринимать еще больше оттенков, чем могут тетрахроматы. Установим 5,6,10 колбочек, и делов! (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.