Вступний курс комп’ютерної графіки
Системи відображення графічної інформації впливають на зоровий апарат людини, тому необхідно враховувати як фізичні, і психофізіологічні особливості зору.
0.2.1 Пристрій ока
На рис. 0.2.1 показаний поперечний розмір очного яблука людини. Світло потрапляє в око через рогівку і фокусується кришталиком на внутрішній шар ока, який називають сітківкою. Сітківка перетворює світло на імпульси в нервових волокнах і складається з трьох шарів клітин. Дивно те, що світлочутливі клітини, відомі як колбочки та палички, формують шар клітин у задній частині сітківки. Таким чином, світло має спочатку пройти два шари клітин, перш ніж воно впливає на колбочки та палички. Причини для такого зворотного пристрою сітківки не повністю зрозумілі, але одне з пояснень полягає в тому, що розташування світлочутливих клітин в задній частині сітківки дозволяє будь-якому паразитному непоглиненого світла потрапити на клітини, що знаходяться безпосередньо за сітківкою, які містять чорний пігмент - меланін. Клітини, що містять меланін, також допомагають хімічно відновлювати світлочутливий візуальний пігмент у колбочках та паличках після того, як вони були відбілені на світлі.
Цікаво відзначити, що природа створила цілу низку конструкцій ока. При цьому очі у всіх хребетних схожі на очі людини, а очі у безхребетних або складні (фасеткові) як у комах, або недорозвинені у вигляді світлових плям. Тільки у восьминогів очі влаштовані як у хребетних, але світлочутливі клітини знаходяться безпосередньо на внутрішній поверхні очного яблука, а не як у нас позаду інших шарів, що займаються попередньою обробкою зображення. Тому, можливо,особливого сенсу у зворотному розташуванні клітин у сітківці немає. А це просто один із експериментів природи.
Отже, внутрішній шар сітківки ока містить два типи світлочутливих рецепторів, що займають область з розчином близько 170° щодо зорової осі:
@ 100 млн. паличок (довгі та тонкі рецептори нічного зору), @ 6.5 млн. колб (короткі та товсті рецептори денного зору).
Інформація від рецепторів передається в мозок по зоровому нерву, що містить близько 800 тисяч волокон.
Колбочки та палички містять зорові пігменти. Зорові пігменти дуже схожі на будь-які інші пігменти, що вони поглинають світло і ступінь поглинання залежить від довжини хвилі. Важлива властивість зорових пігментів полягає в тому, що коли зоровий пігмент поглинає фотон світла, змінюється форма молекули і в той же час відбувається перевипромінювання світла. Пігмент у своїй змінився, змінена молекула поглинає світло менш добре ніж раніше, тобто. як часто кажуть, "відбілюється". Зміна форми молекули та перевипромінювання енергії деяким, поки що не цілком зрозумілим чином, ініціюють світлочутливу клітину до видачі сигналу.
Інформація від світлочутливих рецепторів (колб і паличок) передається іншим типам клітин, які з'єднані між собою. Спеціальні клітини передають інформацію у зоровий нерв. Отже волокно зорового нерва обслуговує кілька світлочутливих рецепторів, тобто. деяка попередня обробка зображення виконується безпосередньо в оці, який по суті є висунутою вперед частиною мозку.
Область сітківки, в якій волокна зорового нерва збираються разом і виходять з ока, позбавлена світлочутливих рецепторів і називається сліпимплямою.
Райдужна оболонка (див. рис. 0.2.1) діє як діафрагма, змінюючи кількість світла, що проходить у око. Діаметр зіниці змінюється від
2 мм (при яскравому світлі) до
8 мм (при малій освітленості).
За сітківкою знаходиться судинна оболонка, яка містить капіляри, які постачають око кров'ю.
Зовнішня оболонка ока - склера, складається з щільних волокон.
0.2.2 Чутливість ока
При яскравому світлі чутливість паличок мала, але при низьких рівнях освітленості їхня чутливість зростає і забезпечує нашу здатність бачити при тьмяному світлі. Палички містять пігмент із максимальною чутливістю на довжині хвилі близько 510 нм (точкова лінія на рис. 0.2.2), у зеленій частині спектру. Пігмент паличок часто називається зоровим пурпуром через його колір. Максимальна щільність паличок посідає область з розчином близько 20° щодо осі.
Колбочок існує три типи, що відрізняються фоточутливим пігментом. Колбочки зазвичай називають "синіми", "зеленими" та "червоними" відповідно до найменування кольору, для якого вони оптимально чутливі. Згадані три пігменти мають максимальні поглинання приблизно на 430, 530 та 560 нм. Цим довжинам хвиль відповідає не синій, зелений та червоний кольори, а фіолетовий, синьо-зелений та жовто-зелений. Більш логічним було б використання термінології корото-, середньо-, довгохвильові колбочки.
Максимальна щільність колб досягається в області з розчином близько 8 ° × 6 ° щодо осі, званої жовтою плямою. У центрі цієї області (ямці) до кожної колби підходить окреме волокно зорового нерва. Це область максимальної гостроти зору.
Сумарна крива спектральної чутливості ока для яскравого випадкуосвітлення, тобто. кольорового зору, показано на рис. 0.2.2 суцільною лінією.
З цих графіків видно чому "вночі всі кішки сірки". Справді, наприклад, відгук на червоний колір (l = 700 мкм) за низьких рівнів освітлення (точкова крива на рис. 0.2.2) практично дорівнює нулю. Тому червоний колір уночі виглядатиме чорним.
В силу того, що коефіцієнт заломлення в райдужці та кришталику зростає зі збільшенням частоти світла, око не позбавлене хроматичної аберації. Тобто. якщо зображення сфокусовано на одній із частот, то інших частотах зображення расфокуировано. Кришталик оптимально фокусує на сітківці світло із довжиною хвилі близько 560 нм. Оскільки піки чутливості середньо-хвильових колб (530 і 560 нм, відповідно) близькі один до одного, тому зображення для цих колб можуть бути одночасно сфокусованими. Зображення ж для короткохвильових паличок буде розмитим. Так ступінь фокусування різна, то не потрібно однаковою роздільною здатністю ока для різних типів колб. В оці людини на одну короткохвильову колбочку припадає 20 середньо- та 40 довгохвильових. У зв'язку з цим зрозуміло, чому ширина смуги пропускання для "холодних", короткохвильових кольорів у телебаченні може бути обрана значно меншою без суб'єктивно помітної втрати вірності відтворення.