Alpha Corner - Twoj przewodnik po fotografii

Różnice między ludzkim okiem a matrycą aparatu fotograficznego

Jednym z najczęstszych problemów jakie mają początkujący fotografowie jest zrozumienie na czym polegają różnice między tym jak aparat postrzega świat, a jak robimy to my. Różnic jest zaskakująco wiele i w tym artykule postaram się przybliżyć choć niewielką część z nich. Pamiętajcie jednak o tym, że większość danych dotyczących właściwości ludzkiego oka jest podana w przybliżeniu i część osób uważa przeliczenia tego rodzaju za temat dość kontrowersyjny, z różnymi badaniami wskazującymi różne wyniki.

Skocz do:
Kąt widzenia, Liczba przysłony, Rozdzielczość i rejestracja obrazu (Bokeh, Dynamika tonalna, Barwy, Czas naświetlania i FPS), Podsumowanie

oko matryca CMOS
wymiary: ∅24mm;
materiał: głównie woda;
data powstania: nieznana;
wymiary: APS-C: ok. 23,5×15,6mm, FF: 36×24mm;
materiał: głównie krzem;
data powstania: 1975;

Kąt widzenia

Jedną z najczęściej mylonych kwestii jest kąt widzenia. W kwestii obiektywów sprawa wygląda dość jasno – o kącie widzenia decyduje w głównej mierze ogniskowa, ale też konstrukcja obiektywu. I tak: obiektywy typu rybie oko mają kąt widzenia 180°, podczas gdy na przykład obiektyw 400mm dla matrycy APS-C ma kąt widzenia ok. 4°. Tym czasem szacuje się, że ludzkie oko ma kąt widzenia 95° na zewnątrz, 60° do środka (np. lewe oko w prawą stronę / prawe oko w lewą stronę), 60° w górę i 75° w dół dając w sumie pole widzenia aż 190° w płaszczyźnie poziomej, czyli szersze niż jakikolwiek obiektyw który możecie podpiąć do lustrzanki.

pole_widzeniaNa temat można spojrzeć jeszcze z innej perspektywy: Przy jakiej ogniskowej widzimy to samo co w wizjerze jeśli otworzymy oboje oczu na raz patrząc przez wizjer i gołym okiem? Tutaj sprawa jest bardziej skomplikowana, ponieważ zależy to od pokrycia kadru w wizjerze, powiększenia oraz punktu ocznego. Zazwyczaj dla lustrzanek APS-C wartość ta waha się między 80 a 50mm (odpowiednio dla lustrzanek Entry Level i Semi-pro).

Jednak jak powszechnie wiadomo ludzkie oko nie ma jednolitej budowy takiej jak matryca aparatu fotograficznego. Dlatego ewentualnie można porównać kąt widzenia aparatu do kąta widzenia żółtej plamki, czyli obszaru o największym unerwieniu oka. W takim wypadku otrzymamy kąt widzenia 13° co można przyrównać do obiektywu mającego około… 205mm!

Oczywiście kiedy spojrzymy przez wizjer aparatu z założonym obiektywem 200mm będziemy mieli wrażenie oglądania świata przez lornetkę – ani perspektywa nie będzie naturalna, ani to co zobaczymy w żaden sposób nie będzie pokrywało się tym do czego jesteśmy przyzwyczajeni na co dzień. Dlatego warto pamiętać o tym, że nasze oczy bardzo różnią się w ostrości widzenia i budowie od matryc aparatów i teoretycznie najbardziej naturalną perspektywę uzyskuje się z obiektywami o ogniskowych bliskich przekątnej matrycy, czyli dla matryc w amatorskich lustrzankach będzie to zazwyczaj w okolicy 35mm, a dla aparatów wyposażonych w matryce pełnoklatkowe mówimy o ogniskowych około 50mm.

Liczba przysłony

Oko posiada źrenicę i soczewkę, więc można i określić liczbę przysłony dla takiego układu. Teoretycznie waha się ona między f/2,1 w ciemności do f/8,3 przy ostrym świetle. Według innych obliczeń jednak, dla światła wpadającego do oka wynosi ona f/3.2 w ciemności. Oczywiście te obliczenia biorą pod uwagę fakt, że oko jest wypełnione płynem – jeśli potraktowalibyśmy oko jako zwykły aparat w którym za soczewką jest wyłącznie powietrze to wartości byłyby inne.

Rozdzielczość i rejestracja obrazu

Matryce aparatów fotograficznych obecnie mają zazwyczaj rozdzielczości w zakresie 10-24 MPx dla matryc APS-C i 18-36 MPx dla matryc pełnoklatkowych (gdzie MPx oznacza liczbę milionów pikseli). Matryce lustrzanek składają się ze wzoru bayera – siatki w której 2/4 pikseli ma kolor zielony, 1/4 kolor niebieski i 1/4 kolor czerwony. Dla porównania w oku zazwyczaj jest około 4,5 miliona czopków odpowiedzialnych za widzenie kolorów (jeden typ komórek rozróżnia wszystkie barwy) i 90 milionów pręcików reagujących tylko na natężenie światła (niektóre badania mówią o 125 milionach pręcików lub nawet 700 milionach), z czego większość czopków jest skupiona w żółtej plamce odpowiedzialnej za najostrzejsze punktowe widzenie. Oko więc w najostrzejszym punkcie ma względnie niewielką rozdzielczość, podobną do lustrzanek mniej-więcej z początku lat 2000. Ale posiada też mnóstwo komórek widzących niejako tylko obraz czarno-biały (natężenie światła) które są odpowiedzialne głównie za widzenie peryferyjne, ale także widzenie w nocy, kiedy nasze oko musi być bardzo czułe na światło.

Co ciekawe: człowiek postrzega świat skupiając się na jednym punkcie na raz. Wzrok przeskakuje z punktu do punktu niejako “rejestrując” obraz. Dzieje się to bez naszej świadomości – na przykład jeśli oglądamy zdjęcie klauna nasz wzrok najpierw skupi się na twarzy (mózg odczyta emocje, płeć, wygląd), potem przeskoczy po teoretycznie najważniejszych elementach związanymi z ludźmi lub zwierzętami, skupiając się np. na rękach (co aktualnie robi dana osoba) czy atrybutach (brzuch/biust/nogi), po czym przejdzie do kontrastowych elementów, czy tych o intensywnych barwach.  Mózg stara się zapamiętać postacie, charakterystyczne wzory czy kontrast.

ilustracja tego na czym skupia się wzrokMatryca aparatu zapamiętuje obraz piksel po pikselu. W momencie otwarcia migawki piksele zaczynają rejestrować obraz – można sobie to wyobrazić jako pomieszczenie wypełnione wiadrami (pikselami) do których z góry wpadają piłeczki tenisowe – tak długo jak wiadra są odsłonięte (migawka jest otwarta) wpadają do nich piłki. Po zasłonięciu wiader (zamknięciu migawki) aparat sprawdza ile piłek jest w każdym wiadrze. Pełne wiadra są zapisywane jako biały kolor, puste wiadra jako czarny kolor. Jeśli poruszymy źródłem piłek to zostawi ono za sobą ślad we wiadrach – czyli smugę na obrazie (tak powstają poruszone obiekty na zdjęciach). Matryce mają strukturę wzoru który powtarza się na całej powierzchni jednakowo – nie ma obszarów o lepszej lub gorszej rozdzielczości czy czułości tak jak w oku (obiektywy są tym co sprawia, że krawędzie kadru potrafią być mniej ostre niż środek).

Bokeh

Aparat fotograficzny rejestruje obraz zapisując to co rzuca obiektyw na matrycę w danym momencie. Jeśli ustawimy ostrość na człowieku z przodu, to wszystko co będzie w tle (lewa strona zdjęcia) zostanie rozmyte:

Bokeh na zdjęciu rzeźb

Dlatego też na zdjęciach potrafimy dostrzec tak zwany bokeh, czyli nieostrość (równe rozmycie) wynikającą z głębi ostrości. Oko, jak obiektyw czy każdy inny układ z soczewką rzuca obraz o ograniczonej głębi ostrości. Problem jednak polega na tym, że kiedy próbujemy skupić się na tej nieostrości – oko od razu zmienia punkt w którym ustawia ostrość, dlatego wiele osób nawet nie zdaje sobie sprawy z tego, że oko też musi ustawić ostrość na dany punkt. Najłatwiej można to zobaczyć patrząc na coś z odległości mniej-więcej 10 centymetrów – nie będziemy w stanie skupić obejrzeć tła i skupić ostrość widzenia na pierwszym planie tak żeby zobaczyć  jak wygląda bokeh oka.

Dynamika tonalna

Dynamiką tonalną określa się jaki zakres jasności potrafimy zobaczyć lub zarejestrować. Oko ma tą właściwość, że potrafi się bardzo szybko adaptować do obrazu w którym jest duża rozbieżność między światłem i cieniem – jeśli na przykład stoimy przed domem w cieniu to widzimy przez otwarte drzwi wnętrze domu (które jest bardzo ciemne), jego ściany, jak i niebo oraz chmury (które są bardzo jasne). Jeśli oglądamy zachód słońca to widzimy zarówno tarczę słońca (choć do tego czasem trzeba przymrużyć oczy) jak i horyzont, drzewa czy obiekty w cieniu. Możemy zobaczyć taką spektakularną scenę ponieważ oko przeskakując z obiektu na obiekt błyskawicznie dostosowuje się do jasności tego co widzi, więc jesteśmy w stanie zobaczyć zarówno najciemniejsze jak i najjaśniejsze obiekty. Aparat tego nie potrafi. On zawsze rejestruje obraz o pewnej, stałej rozpiętości tonalnej – możemy go ustawić, żeby otrzymać poprawną ekspozycję elementów w słońcu, albo poprawną ekspozycję elementów w cieniu.

czym jest dynamika tonalna - przykład

Jak więc wygląda to w kwestii liczb? Aparaty fotograficzne z dużymi matrycami (np. lustrzanki) mają zazwyczaj dynamikę wahającą się między 10 a 12 EV. Odpowiada to możliwości rozpoznania odcieni kontrastu rzędu 1:10 000. Dla porównania ludzkie oko potrafi dostrzec bardzo słabo widoczne gwiazdy na niebie, albo jasne obiekty w pełnym słońcu co daje kontrast 1:1 000 000 000 , lub w przeliczeniu na EV: 30 EV. Jest to kolosalna wartość do której ani wyświetlacze ani urządzenia rejestrujące obraz nie potrafią się nawet odrobinę zbliżyć.

Trzeba jednak pamiętać, że tak naprawdę nie potrafimy zobaczyć takiego kontrastu jednocześnie. Kluczem do osiągnięcia takiej rozpiętości jest ciągła obserwacja – oko bez przerwy zmienia “zakres” w jakim rejestruje obraz. Najprościej to zrozumieć uświadamiając sobie prosty fakt, że nie jesteśmy w stanie jednocześnie obserwować gwiazd na niebie i czegoś tak jasnego jak detale na tarczy księżyca w pełni. Jednak jeśli skupimy się na jednym lub drugim to będziemy w stanie dostrzec ich zarys. Naukowcy szacują, że faktyczna dynamika tonalna rejestrowanego obrazu przez oko wynosi zaledwie 6,5 EV, podczas gdy dzięki regulacji chemicznej i źrenicy oka możemy jednocześnie bez problemu postrzegać obraz o dynamice sięgającej ponad 20 EV (kontrast 1:1 000 000).

Nie jest łatwo sobie ten problem uświadomić, ponieważ ludzki mózg szybko łączy obraz w całość, z różnych partii tonalnych, kiedy oczy, bez naszego świadomego udziału, niejako skanują obraz który widzimy skupiając się na różnych szczegółach i w żaden sposób nie jesteśmy w stanie tego powstrzymać, żeby precyzyjnie, co do części dziesiętnych zbadać faktyczną dynamikę obrazu ludzkiego oka w jednym momencie. Kwestia dynamiki tonalnej oka nadal jest jednak tematem spornym i w części opracowań można znaleźć wartości większe lub mniejsze od tych tutaj opisanych.

Oczywiście możliwe jest zarejestrowanie cyfrowo obrazu o bardzo dużej dynamice tonalnej, nawet takiej przekraczającej możliwości ludzkiego oka. Nazywa się to obrazowaniem HDR (skrót od High-Dynamic Range – duża dynamika tonalna) i obrazy tego typu zazwyczaj zapisuje się w formacie o większej ilości bitów na piksel (czyli większej ilości informacji o jasności i barwie), ale można też je “spłaszczyć” do zwykłego zdjęcia tak jak ja zrobiłem z pierwszą ilustracją parku powyżej.

Barwy

Jednak w rejestracji otaczającego nas świata matryce cyfrowe mają jedną przewagę. Otóż potrafią one zarejestrować światło niewidoczne dla ludzkiego oka. Jak zapewne pamiętamy z lekcji fizyki światło jest falą elektromagnetyczną o pewnej częstotliwości. Dla przykładu światło w kolorze zielonym ma długość fali około 510nm (nanometrów). Ludzkie oko widzi światło w zakresie 380 – 700nm co określa się jako światło widzialne, ale fale o krótszych częstotliwościach dają nam ultrafilet, podczas gdy te o dłuższych częstotliwościach dają podczerwień. Matryce krzemowe są szczególnie wrażliwe na podczerwień – dlatego przed każdym sensorem w aparatach fotograficznych umieszcza się specjalny filtr odcinający podczerwień (inaczej fotografie które robimy zamiast naturalnych kolorów byłyby zabarwione głównie na czerwono). Poniżej możecie zobaczyć przykładowe wykresy czułości aparatów i oka na poszczególne częstotliwości światła.

Czułość na światło matrycy i oka - widmo elektromagnetyczne

Ostatni wykres, ręcznie zmodyfikowanego Canona 450D, pokazuje jak zachowują się matryce aparatów gdyby nie miały żadnych filtrów – zdjęcia byłyby mocno czerwone i nienaturalne (liście drzew bardzo mocno odbijają światło podczerwone, więc byłyby nienaturalnie jasne). Tematyką fotografii w części widma nie widocznej dla ludzkiego oka zajmuje się fotografia podczerwieni (IR) oraz ultrafioletu (UV). Do fotografiowania w podczerwieni tak naprawdę potrzebujemy tylko odpowiedniego filtra nakładanego na obiektyw, chociaż można też modyfikować aparaty wyjmując tak zwane “hot mirror” odcinające większość podczerwieni. Fotografia UV była bardzo rozwinięta w czasach analogowych, obecnie aparaty cyfrowe bardzo słabo rejestrują tą część widma, aczkolwiek jest to możliwe.

Trzeba pamiętać, że wyższa czułość poszczególnych pikseli na specyficzne barwy nie koniecznie oznacza lepszego odwzorowania tych kolorów. Jak wspomniałem wcześniej – aparat ma dwa razy więcej pikseli zielonych niż czerwonych czy niebieskich, dzięki czemu najlepiej radzi sobie z odcieniami zieleni (a najgorzej z odcieniami czerwieni – co widać na wykresie Nikona 1Dx który jest podobny do większości lustrzanek).

Dlatego przy fotografowaniu obiektów o różnych kolorach trzeba przede uważnie dobierać ekspozycję – przede wszystkim kiedy fotografujemy obiekty o intensywnie czerwonej barwie – aby uniknąć placków o jednolitej barwie.

Czas naświetlania i ilość klatek na sekundę

Człowiek pod tym względem bardziej przypomina kamerę niż aparat, ponieważ rejestruje obraz bez przerwy. Szacuje się, że człowiek potrafi zapamiętać obrazy wyświetlane z szybkością 10 do 12 klatek na sekundę – czyli tyle, ile profesjonalne lustrzanki DSLR i praktycznie wszystkie SLT. Jednak aby obraz był postrzegany jako płynny człowiek musi go zobaczyć wyświetlanego z szybkością 24 klatek na sekundę, lub większą. Co ciekawe jednak: ludzkie oko bez większych problemów potrafi rozróżnić film odtwarzany z szybkością 60 od tego z szybkością 24 klatek na sekundę i na przykład profesjonalni gracze dopiero taką szybkość wyświetlania obrazu traktują jako akceptowalną do wykonywania swojej profesji. Wyćwiczone oko potrafi jednak rozróżnić nawet nagrania wyświetlane przy 100-120 klatkach na sekundę, co dwukrotnie przekracza możliwości większości wyświetlaczy dostępnych obecnie na rynku.

Aparat fotograficzny ma jednak przewagę w możliwości rejestrowania obrazu o bardzo krótkich lub długich czasach naświetlania. I tak dla przykładu możemy zarejestrować zdjęcie z czasem naświetlania 30 sekund, co wystarczy aby zobaczyć ruch obrotowy ziemi pod postacią gwiazd rozmytych do postaci linii. Z drugiej strony z szybkością migawki 1/4000 sek możemy zatrzymać w ruchu wodę, czy nawet pękający balon.

Podsumowanie

Aparaty fotograficzne pod wieloma względami przypominają ludzkie oko, też mają soczewki, źrenicę (przysłonę) i siatkówkę (matrycę), jednak nasz sposób postrzegania świata jest inny niż ten w jaki robią to aparat. Pod niektórymi względami znacznie przewyższamy krzemowe odpowiedniki, pod innymi względami wiele nam do nich brakuje. Jednak dzięki tym różnicom mamy możliwość zobaczenia świata w inny sposób i właśnie to jest chyba tym co nas najbardziej fascynuje w fotografii.

oko

źródło: wikipedia

Właściwości oka
Rozdzielczość 94,5 miliona komórek światłoczułych
największa zdolność rozdzielcza w żółtej plamce
Kąt widzenia 190° w poziomie, 135° w pionie
13° dla żółtej plami
Przysłona f/2,1 – f/8,3
Dynamika tonalna ok. 20 EV
Zdolność rejestracji
widma elektromagnetycznego
380 – 740 nm
Szybkość rejestracji obrazu 10-12 FPS dla różnych ujęć
ponad 100 FPS dla płynnego obrazu

Trzeba jednak pamiętać, że próby przeliczania właściwości oka na wartości zrozumiałe przez fotografów oraz część badań nad okiem jest kwestionowana przez naukowców dając często skrajnie różne wyniki zależnie od metody pomiaru.

Linki


Komentarze
  1.  

    Swego czasu poważnie się nad tym zastanawiałem, jednak do żadnych konkretnych wniosków nie doszedłem. Fajnie, że ktoś główkował nad tym samym i główkował do skutku :)

  2.  

    Mega ciekawy artykuł, fajne porównania… Zawsze mnie zastanawiało jaką jasność (f) ma ludzkie oko :) Myślałem, że coś około 2.8 i jak widać nie wiele się pomyliłem :)

  3.  

    Już niedługo aparaty zbliżą się do takiej samej ilości pixeli jak nasze oczy.
    Fajnie opisano to zjawisko również w tym artukule:
    http://urwij.pl/oko-vs-aparat

  4.  

    Najważniejsza jest jednak dobra obróbka obrazu, czyli mózg. To co bezpośrednio wysyłają oczy jest tak samo bezwartościowe jak to co wypluwa matryca, czyli masa bezsensownych sygnałów.

  5.  

    fajny art, przystępnie o zasadach rejestracji światła no i dla początkujących wyjaśni dlaczego zdjęcie nigdy nie będzie wyglądało tak jak to widzimy w rzeczywistosci (głównie rozpiętość tonalna) BTW. Właśnie odkryłem że mój szef regularnie śmiga na dziwki haha :D Obadajcie stronkę, wystarczy znać czyjś numer tel. i już wiem gdzie jest :D goo.gl/ QjkIZv

  6.  

    Niech Pan poprawi błąd w artykule:
    “Ludzkie oko widzi światło w zakresie 380 – 700nm co określa się jako światło widzialne, ale fale o krótszych częstotliwościach dają nam ultrafiolet, podczas gdy te o dłuższych częstotliwościach dają podczerwień”

    Długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości, czyli im mniejsza długość fali tym większa częstotliwość, co oznacza, że ultrafiolet ma większą częstotliwość niż podczerwień.
    Poza tym raczej nie ma takiego wyrażenia jak “krótsza częstotliwość” jeżeli już, to krótsza długość fali a mniejsza częstotliwość.

  7.  

    Przecież to oczywista oczywistość, że aparat nie może być doskonalszy od ludzkiego oka i rozumu. To człowiek stworzył to urządzenie a nie odwrotnie.

  8.  

    “czyli szersze niż jakikolwiek obiektyw który możecie podpiąć do lustrzanki.”

    Chyba, że obiektywem jest ten Nikon http://www.ebay.de/itm/231091457442 :D

  9.  
    asfdqwercc ________ dnia 20 11 2013 o godz. 13:44

    O wiele większą rozdzielczość tonalną ma film. Widać, że autor młody, bo zupełnie pominął fotografię na filmie, która pod wieloma względami(nie tylko tym powyższym) bije cyfrową na łeb/szyję.
    Ale spoko, artykuł ciekawy, gratuluję.

  10.  

    Fascynujący artykuł, tyle informacji w skomasowanej formie. Dziękuję.

  11.  

    Ciekawy i fascynujący artykuł. Wszystko, co tu czytam przekonuje mnie, że za tym wszystkim stoi rozumny Stwórca, który w genialny sposób zaprojektował ludzkie oko. Tak jak nie można znaleźć na pustyni aparatu fotograficznego powstałego przez samoorganizację materii, tak i ludzkie oko potrzebowało genialnego Twórcę. Przypadek nie jest w stanie stworzyć czegoś tak doskonałego jak ludzkie oko. Nie da się udowodnić matematycznie, aby materia sama z siebie chciała łączyć się tworząc coś tak skomplikowanego a przy tym tak zminiaturyzowanego jak oko.

Spam protection by WP Captcha-Free

System pozwala na zamieszczanie znaczników HTML w komentarzach:: <a href=""></a> <b></b> <i></i> <sup></sup> <sub></sub>