что такое разрешающая способность глаза
Каково разрешение человеческого глаза (или сколько мегапикселей мы видим в каждый отдельный момент времени)
Очень часто фотографы, а иногда и люди из других специальностей, проявляют интерес к собственному зрению.
Вопрос, казалось бы, простой на первый взгляд… можно погуглить, и всё станет ясно. Но практически все статейки в сети дают либо «космические» числа — вроде 400-600 мегапикселей (Мп), либо это и вовсе какие-то убогие рассуждения.
Поэтому постараюсь кратко, но последовательно, чтобы никто ничего не упустил, раскрыть эту тему.
Начнём с общей структуры зрительной системы
Сетчатка состоит из трёх типов рецепторов: палочки, колбочки, фоторецепторы(ipRGC).
Нас интересуют только колбочки и палочки, так как они создают картинку.
Плотность распределения палочек и колбочек в сетчатке.
Палочки отвечают за восприятие яркости/контраста. Наибольшая плотность палочек — примерно по-середине между центральной ямкой и краем сетчатки.
Интересный факт — многие из вас замечали мерцание старых мониторов и телевизоров при взгляде на них «боковым зрением», а когда смотрите прямо, то всё отлично, было, да?)
Это происходит по причине наибольшей плотности палочек в боковой части сетчатки. Чёткость зрения там паршивая, зато чувствительность к изменению яркости — самая высокая.
Как раз эта особенность и помогала нашим предкам быстро реагировать на самые мелкие движения на периферии зрения, чтобы тигры не пооткусывали им задницы)
Итак, что мы имеем — сетчатка содержит суммарно около 130 Мп. Ура, вот и ответ!
Нет… это только начало и цифра далека от верного значения.
Вернёмся снова к центральной ямке fovea.
Колбочки в самой центральной части ямки «umbo» имеют каждая свой аксон (нервное волокно).
Т.е. эти рецепторы, можно сказать, самые приоритетные — сигнал от них почти напрямую поступает в зрительную кору мозга.
Колбочки, расположенные дальше от центра, уже собираются в группы по несколько штук — они называются «рецептивные поля».
Например, 5 колбочек соединяются с одним аксоном, и дальше сигнал идёт по зрительному нерву в кору.
На этой схеме как раз показан случай такой группировки нескольких колбочек в рецептивное поле.
Палочки, в свою очередь, собираются в группы по несколько тысяч — для них важна не резкость картинки, а яркость.
Итак, промежуточный вывод:
130 миллионов рецепторов превращаются за счёт группировки в 1 миллион нервных волокон (аксонов).
Да, всего один миллион!
В фотиках матрицы по 100500 мегапикселей, а наши глаза всё равно субъективно круче!
Сейчас и до этого доберёмся)
Значит, 130 Мп превратились в 1 Мп, и мы каждый день смотрим на мир вокруг… хорошая графика, не так ли?)
Есть пара инструментов, помогающих нам видеть мир вокруг почти постоянно почти чётким:
1.Наши глаза совершают микро- и макросаккады — что-то типа постоянных перемещений взгляда.
Макросаккады — произвольные движения глаз, когда человек рассматривает что-то. В это время происходит «буферизация» или слияние соседних изображений, поэтому мир вокруг нам кажется чётким.
Микросаккады — непроизвольные, очень быстрые и мелкие (несколько угловых минут) движения.
Они необходимы для того, чтобы рецепторы сетчатки банально успевали насинтезировать новых зрительных пигментов — иначе поле зрения просто будет серым.
Начну с примера — когда мы читаем что-то с монитора и постепенно крутим колёсико мышки для перемещения текста, то текст не смазывается… хотя должен) Это очень занятная фишка — здесь в работу подключается зрительная кора.
Она постоянно держит в буфере картинку и при резком смещении объекта/текста перед зрителем быстро смещает эту картинку и накладывает на реальное изображение.
А как же она знает, куда смещать?
Очень просто — Ваше движение пальцем по колёсику уже изучено моторной корой до миллиметров… Зрительная и моторная области работают синхронно, поэтому Вы не видите смаза.
А вот когда кто-то другой крутанёт колёсико. )
Зрительный нерв
1 Мп (от 770 тысяч до 1,6 млн пикселей — кому как повезло), дальше нервы с левого и правого глаз пересекаются в оптической хиазме — это видно на первой картинке — происходит смешение аксонов примерно по 53% с каждого глаза.
В таламусе происходит, можно сказать, первичная «ретушь» картинки — повышается контраст.
Далее сигнал из таламуса поступает в зрительную кору.
И здесь происходит невероятное количество процессов, вот основные:
В этом и заключается суть феноменологии зрения — у вас ОДНА зрительная система. Вы не можете посмотреть на свою же картинку со стороны.
Если бы человек обладал двумя зрительными системами и по желанию мог переключиться с системы 1 на систему 2 и оценить как работает первая система — тогда да, ситуация была бы печальная 🙂
Но имея одну зрительную систему ВЫ сами и являетесь этой картинкой, которую видите!
Зрительная кора сама осознаёт процесс зрения. Перечитайте это несколько раз.
При травме первичной зрительной коры человек не понимает, что он слеп — это называется анозогнозия, т.е. картинку он совершенно не видит, но при этом может нормально ходить по коридору с препятствиями(первая ссылка в списке).
Здесь я сделаю небольшое отступление и дам краткое пояснение, почему же свет, проходя через роговицу, хрусталик, стекловидное тело и все слои нейронов сетчатки не искажается так сильно, как мы предполагаем. Если сравнивать чистоту и степень аберраций, то нашему глазу далеко до хорошей оптики в современной фото-видео технике.
Всё дело в рецептивных полях — РП (имеются ввиду поля в сетчатке, ЛКТ и отделе коры V1). Одна из задач РП — увеличение микро-контраста изображения. Сетчатка получает слегка размытую картинку, а после этого в процессе нескольких этапов повышения контраста мы видим вполне детализированное изображение. Сама суть увеличения контраста состоит в сужении градиентов, как на примере ниже: 
Завершая эту, надеюсь, краткую и понятную статью, хочу напомнить — мы все имеем картинку в
1 Мп… живите с этим 🙂
Литература:
Дэвид Хьюбел — «Глаз, мозг, зрение»
Стивен Палмер — «От фотонов к феноменологии»
Баарс Б., Гейдж Н. — «Мозг, познание, разум»
Джон Николлс, А. Мартин, Б. Валлас, П. Фукс — «От нейрона к мозгу»
Майкл Газзанига — «Кто за главного?»
UPD: поступило заметное количество комментариев/вопросов про цветоощущение. Если эта тема интересна — напишите тег #цветоощущение — займусь созданием статьи.
UPD:UPD: Статья про цвет
Острота зрения и ее определение
Для того чтобы правильно распознавать и оценивать объекты окружающего мира, их необходимо выделять по цвету и яркости на фоне окружающей нас среды. Не менее важно в отдельности различить их детали.
Острота зрения считается тем более высокой, чем более мелкие детали способен воспринимать глаз. Таким образом, острота зрения (visus)- это способность глаза воспринимать точки, расположенные на минимальном расстоянии друг от друга, как раздельные.
Предположим, если испытуемый рассматривает темные точки на светлом фоне, их изображения на сетчатке – это результат возбуждения фоторецепторов. Оно существенно отличается от того возбуждения, которое вызывается у фоторецепторов окружающим фоном. Таким образом, глаз различает светлые промежутки между точками, и мозг воспринимает их раздельными. Величина промежутка между точками зависит от расстояния между ними и от расстояния от них до глаза. Это легко проверить, удаляя от глаз, к примеру, текст. Вначале перестают различаться особенно мелкие промежутки, разделяющие детали букв, затем и сами буквы становятся неразборчивыми, а под конец, строки сливаются в общий фон.
Угол зрения
Угол, под которым объект виден, характеризует взаимосвязь между удаленностью объекта от глаза и его величиной. Этот показатель определяется как угол зрения, он определяется как расстояние между крайними точками видимого предмета и узловой точкой глаза. Чем меньше угол зрения, тем выше острота зрения, то есть она обратно пропорциональна углу зрения. Острота зрения определяется по минимальному углу зрения, который позволяет воспринимать две точки предмета раздельно.
Минимальный угол зрения человеческого глаза научились определять около трехсот лет назад. В 1674 году астроном Гук установил, что при наблюдении в телескоп, минимальное расстояние между звездами, которое позволяет воспринимать их раздельно невооруженным глазом, равно 1 угловой минуте. Спустя почти 200 лет, эта величина была использована Г. Снелленом при создании своих таблиц для определения остроты зрения. При этом, угол зрения 1′, был принят за физиологическую норму.
Различительная способность глаза
Ее предел в основном зависит от анатомических размеров фоторецепторов макулы. Так, на сетчатке, угол зрения 1′ соответствует линейной величине 0,004 мм, это соответствует диаметру одной колбочки. Если расстояние меньше, изображение попадает на одну либо две колбочки по соседству, точки воспринимаются слитно. Возможность раздельно воспринимать точки существует лишь в случае, когда две возбужденные колбочки разделяет одна интактная.
Если распределение колбочек в сетчатке происходит неравномерно, ее различные участки, по остроте зрения не одинаковы. Самая высокая острота зрения человека приходится на область центральной ямки макулы и падает по мере удаления от нее. На удалении 10 °С от центральной ямки, величина остроты зрения составляет всего 0,2 и продолжает снижаться к периферии. В связи с этим, правильно говорить об остроте центрального зрения, а не вообще об остроте зрения.
В разные годы человеческой жизни, острота центрального зрения изменяется. К примеру, она довольно низкая у новорожденных. У детей форменное зрение формируется только когда устойчивая центральная фиксация устанавливается полностью. Она немного меньше 0,01 в четырехмесячном возрасте младенца, а одному году достигает 0,1-0,3 D. К норме она приходит к 5-15 годам.
Инструменты исследования остроты зрения
Величина остроты зрения определяется посредством специальных таблиц. Они включают несколько рядов, подобранных определенным образом знаков-оптотипов. Оптотипами выступают буквы, рисунки, цифры, зигзаги, полосы, и пр.
В 1862 году Г. Снеллен предложил наносить знаки таким образом, чтобы оптотип можно было увидеть под углом в 5′, но его детали определялись под углом зрения 1′. К деталям, специалисты относят ширину линий знаков-оптотипов и просветы между линиями. Чтобы обследуемые люди не угадывали буквы, все знаки, внесенные в таблицу одинаковы по узнаваемости, что удобно для работы, как с грамотными, так и с неграмотными пациентами, вне зависимости от их национальности. Существуют и таблицы Ландольта, в которых роль оптотипа выполняют кольца, незамкнутые с одной стороны, величина которых постепенно уменьшается. С отмеренного расстояния они также видны под углом 5’и имеют толщину линий, равную величине разрыва, что можно определить только под углом в 1′. Во время обследования, человек должен указать, с какой стороны кольцо имеет разрыв.
Именно таблица Ландольта с кольцами была принята на XI Международном конгрессе офтальмологов в 1909 году, как интернациональная. Теперь, именно кольца, как оптотип, включены в большинство используемых сегодня тестовых таблиц.
Принятые в Советском Союзе тестовые таблицы Сивцева, наряду оптотипами-кольцами Ландольта, включали оптотипы-буквы. Подбор букв там совсем не случаен. Он основан на расчете их величин, а также размеров углов деталей. В каждой таблице оптотипы расставлены в10-12 рядах. Каждый ряд оптотипов имеет определенный размер, который уменьшается к нижнему ряду. Прописано и расстояние, с которого, знаки в одном ряду, детально видны под углом 1′. К примеру, человек читает первый ряд с расстояния 5 метров. Но при норме глаз должен различать символы данного ряда с 50 метров.
Чтоб исследовать остроту зрения дошкольников, не знающих буквы, используют таблицы с определенными оптотипами-рисунками. Сегодня, чтобы ускорить процедуру исследования остроты зрения, стали применять проекторы, в разы упрощающие исследование. Величина угла зрения демонстрируемого оптотипа неизменна, вне зависимости от расстояния до экрана. Просто и проектор, и пациент должны быть на одинаковом расстоянии от экрана. Подобные проекторы зачастую идут в комплекте с другими устройствами диагностики зрения.
При низкой остроте зрения
Когда острота зрения низкая, к примеру, меньше 0,1, имеет смысл определять расстояние четкого видения обследуемым оптотипов 1-го ряда. С этой целью его постепенно подводят ближе к таблице либо приближают символы нужного ряда к нему, что удобнее, при использовании разрезных таблиц или специальных оптотипов Б. Л. Поляка. Вместе с тем, имеет место способ, когда для определения низкой остроты зрения экспонируют не оптотипы, а показывают пальцы руки. Для этого, их подносят к темному фону, ведь толщина пальцев примерно одинакова с шириной линий оптотипов в верхнем ряду тест-таблицы. Правда, такой способ адекватную точность исследования обеспечить не может.
Когда острота зрения человека не достигает 0,005, для описания ее, необходимо указывать, с какого расстояния, у него получается считать пальцы. К примеру, счет пальцев с 10 см. Если же человек не способен различать предметы по причине крайне низкой остроты зрения, но он чувствует свет, остроту зрения называют равной светоощущению. То есть, это единица, деленная на бесконечность.
Данный тест необходим, так как доказывает, что периферические отделы сетчатки функционируют нормально, что важно при определении показаний к хирургическому лечению, когда выявляется помутнение оптических сред.
При невозможности определения проекции света обследуемым правильно, даже с какой-то одной стороны, его зрение определяется, как светоощущение с неправильной светопроекцией. Если у человека отсутствует способность ощущать даже свет, его зрение считают равным нулю.
Порядок и методы определения остроты зрения
Для экспертной оценки нарушений функции глаза при назначении лечения, экспертизе трудоспособности, отборе в профессию, освидетельствовании военнообязанных и др., нужна единая система исследования остроты зрения, чтобы получаемые результаты были полностью соизмеримы и адекватны. Это достигается специальным освещением кабинетов и помещений, где пришедшие ожидают приема. Ведь в период ожидания глаза имеют свойство адаптироваться к уровню окружающей освещенности. Необходимо хорошо и равномерно освещать и тестовые таблицы. С этой целью их помещают в осветительный прибор с зеркальными подсветами.
Необходимая освещенность достигается применением электрической лампы в 60 Вт, которая отгораживается от человека специальным щитком. Уровень нижнего края осветителя должен находиться на всоте 1,2 метра от пола, при расстояния от проходящего обследование в пять метров.
На символы в таблицах указывают хорошо различимой указкой. Ее указатель необходимо располагать строго под экспонируемым символом, оставляя достаточный промежуток. Продолжительность экспозиции символа составляет 2-3 секунды. Первыми в процедуре определения остроты зрения показывают символы нижних строк. Их демонстрируют не подряд, а произвольно в разбивку. Такой прием ускоряет исследование, плюс исключает угадывание более мелких оптотипов по похожим очертаниям с крупными.
Если зрение человеко понижено и об этом известно заранее, начинать исследование следует с крупных знаков. Их показывают сверху вниз по 1оптотипу в строке. Так продолжается до ряда, где пациент начинает ошибаться. После этого начинают показывать символы предыдущего ряда произвольно, в разбивку. Итоговая острота зрения – ряд, в котором все знаки были названы правильно. Неверное распознавание 1 символа в рядах, соответствующих остроте зрения 0,3-0,6, и 2 символов в рядах, соответствующих 0,7-1,0 допускается. Однако в этом случае при записи остроты зрения рядом в скобках необходимо отразить, что она неполная.
У лежачих больных острота зрения определяется по специальной таблице для близи. При ее использовании расстояние от оптотипов до глаза должно составлять 33 см. В роли контроля, при этом, выступает правильное распознавание отдельных символов либо чтение самого мелкого текста. В этом случае необходимо указание расстояния, с которого исследование производилось. Определение остроты зрения у грудных детей происходит ориентировочно. Для этого взгляд малыша привлекают крупным ярким предметом (игрушкой) либо применяют объективные методы.
Строение и функционирование глаза человека
Глаза являются парным органом, правильная работа которого обеспечивает 90 % информации об окружающем мире. Этот анализатор обладает достаточно сложной анатомией. Его важная особенность – бинокулярное зрение, позволяющее воспринимать окружающий мир обоими глазами. Зрительный аппарат отличается высокой чувствительностью к различным вредным факторам и нуждается в особо бережном уходе.
Органы зрения имеют форму шара, поэтому их называют «глазными яблоками». Они расположены в углублениях черепной коробки (глазницах). Передняя поверхность каждого глаза защищена верхними и нижними веками.
Основные элементы глазного яблока:
Движение глаз обеспечивается 6 мышцами (4 прямыми и 2 косыми). Передачу оптических импульсов в головной мозг осуществляет зрительный нерв, представляющий собой сплетение тончайших волокон.
Строение и функционирование роговицы
Эта эластичная оболочка похожа по форме на выпукло-вогнутую линзу. Роговица защищает переднюю часть глаза. Она не содержит в себе кровеносных сосудов и состоит из 5 слоев.
В нормальном состоянии роговица глаза прозрачная, блестящая и гладкая, имеет высокую степень чувствительности. Диаметр роговой оболочки:
Средняя толщина центральной части – 500 микрон, периферийной – до 1 мм.
Роговица пропускает сквозь себя световые лучи, благодаря чему воспринимается трехмерное изображение. Она является главной преломляющей средой органа зрения.
Строение и функционирование радужки
Радужка, или радужная оболочка, располагается за передней камерой глаза. Она состоит из двух групп мышц.
Радужка выполняет следующие функции:
Степень пигментации радужки определяет цвет глаз, который бывает самым разнообразным. Иногда пигментные клетки распределяются в ней неравномерно, приводя к развитию гетерохромии.
Функционирование и строение зрачка
Зрачок находится в центре радужной оболочки. Он выглядит как круглое черное отверстие, способное менять свой диаметр (сужаться и расширяться). Такая функция обеспечивается двумя мышцами – сфинктером и дилататором.
Механизм работы зрачка имеет много общего с диафрагмой фотоаппарата:
Зрачок регулирует степень проникновения световых лучей внутрь глаза. Сужаясь, он минимизирует попадание света, защищает внутренние структуры от ожогов. Также зрачок способствует устранению свечения вокруг рассматриваемых объектов.
Строение и функционирование хрусталика
Хрусталик занимает заднюю глазную камеру. По форме он напоминает двояковыпуклую линзу. Его передняя поверхность более плоская, чем задняя. Толщина хрусталика составляет 4-5 мм, высота – около 9 мм.
В норме этот элемент глаза прозрачный, поскольку содержит в себе особый белок кристаллин. В органе зрения он удерживается специальными связками, которые помогают ему менять кривизну.
Хрусталик преломляет свет и направляет его в нужные области глаза. Преломляющая способность природной линзы составляет 20-22 D. Благодаря изменению ее формы человек может различать ближние и дальние объекты.
Строение и функционирование сетчатки
Сетчатка, или ретина, представляет собой высокочувствительную ткань, состоящую из нескольких слоев. Это внутренняя оболочка глаза, которая образована нейронами и кровеносными сосудами.
Сетчатка содержит в себе рецепторы двух типов – палочки и колбочки, названные так из-за своей формы. Именно они позволяют глазу различать свет.
Ретина играет важнейшую роль в обеспечении визуального восприятия. Она отвечает за центральное и периферическое зрение, способность видеть цвета и оттенки.
Стекловидное тело
Стекловидное тело выглядит как прозрачное бесцветное вещество, напоминающее гель. Данная структура имеет шарообразную форму и занимает до 2/3 глазного яблока.
Почти 99% стекловидного тела – это вода. Остаток представлен коллагеном, аминокислотами, муцином, мочевиной, калием, магнием и другими соединениями.
Стекловидное тело обеспечивает полноценное питание сетчатки и оптимальное положение хрусталика, поддерживает нормальное внутриглазное давление (ВГД). Также этот элемент защищает зрительный орган от негативного воздействия, ослабляет последствия травм.
Что такое склера и зачем она нужна
Склера является плотной непрозрачной частью наружной оболочки глаза. Она сформирована коллагеновыми волокнами, придающими ей плотность.
Склера занимает большую часть фиброзной оболочки глазного яблока. В разных участках ее толщина составляет от 0,3 мм до 1 мм.
Основные функции склеры – опора для внутренних и внешних структур зрительного органа, защита от неблагоприятных факторов, предохранение сетчатки от избыточного попадания света. Также она обеспечивает отток водянистой влаги, регулирует показатели внутриглазного давления.
Как меняется строение глаз при нарушениях зрения
Многие патологии приводят к изменениям в строении зрительного органа, обнаружить которые может опытный врач-офтальмолог:
Нарушения в структуре ретины также провоцируются общими заболеваниями – артериальной гипертензией, патологиями почек. На сетчатку негативно воздействует токсикоз, возникающий у некоторых женщин в период вынашивания ребенка.
Аномалии рефракции глаза
Оптической системе человеческого глаза присуще некоторое несовершенство:
Все вместе они создают оптическую погрешность глаза, которая получила название физиологический астигматизм. Суть его состоит в том, что лучи, исходящие из точечного источника света, собираются не в точкe, а в определенную зону на оптической оси глаза — фокусную область, в результате чего на сетчатке образуется круг. Фокусная область характеризуется диаметром и глубиной. Чем меньше диаметр фокусной области, тем четче изображение и выше острота зрения. Ее глубина зависит от ширины зрачка. Фокусная область позволяет глазу хорошо видеть на разных расстояниях даже в случае отсутствия хрусталика.
Правильный прямой астигматизм с разницей преломляющей силы в главных меридианах 0,5—0,75 дптр считается физиологическим и не вызывает субъективных жалоб.
Для нормальной жизнедеятельности человека необходимо ясное видение предметов на разном расстоянии. Способность глаза фокусировать изображение рассматриваемых предметов на сетчатке независимо от расстояния, на котором находится предмет, называется аккомодацией. Таким образом, аккомодация — это способность глаза видеть хорошо и вдаль и вблизи. В глазу человека аккомодация осуществляется за счет изменения кривизны хрусталика, следствием чего является изменение преломляющей способности глаза. В процессе аккомодации участвуют два компонента: активный — сокращение ресничной мышцы и пассивный — обусловленный эластичностью хрусталика.
Патология аккомодации (спазм, парез и паралич)
Паралич аккомодации возникает при поражении глазо-двигательного нерва вследствие заболевания, отравления, травмы или воздействия медикаментов. Перегрузка аккомодационного аппарата приводит к аккомодативной астенопии или спазму аккомодации. Аккомодативная астенопия (зрительное утомление) наблюдается при не корригированной гиперметропии, астигматизме и пресбиопии. Возникает вследствие пареза (парез аккомодации) ресничной мышцы, который сопровождается уменьшением объема аккомодации. Аккомодативная астенопия характеризуется появлением при работе на близком расстоянии болевых ощущений в области переносицы и висков, головной болью, ухудшением зрения при чтении и рассматривании предметов; иногда наблюдаются общие явления в виде тошноты и даже рвоты. Спазм аккомодации возникает в результате длительного напряжения ресничной мышцы и проявляется усилением рефракции глаза — развивается ложная эмметропия или миопия. Спазм аккомодации характеризуется снижением остроты зрения вдаль, головной болью, утомляемостью при чтении.
Пресбиопия
Способность глаза к аккомодации с возрастом ослабевает. Этот процесс начинается сразу после рождения, постепенно усиливается и ощутимо проявляется в зрелом возрасте. Ослабление способности к аккомодации связано с физиологической инволюцией хрусталика, изменению его физико-химического состава. Количество влаги в хрусталике уменьшается, он становится более плотным, (начинает формироваться в 20 лет, а к 40 годам этот процесс завершается), снижается его эластичность. К 60 годам уплотнение хрусталика практически заканчивается. Возрастное изменение аккомодации называется пресбиопией (presbyopia, от греч. presbys — старик, ops — зрение) — старческая дальнозоркость. Пресбиопия проявляется после 40 лет и характеризуется отдалением ближайшей точки ясного зрения дальше того расстояния, на котором человек работает, пишет и т.д. (дальше 33 см), и пациент начинает испытывать затруднения при работе на близком расстоянии. При рассматривании мелких предметов их приходится не приближать, а отодвигать от глаза все дальше и дальше