Почему мы не можем видеть при слабом освещении, если смотрим достаточно долго?

Для простоты давайте действительно сведем это к чему-то вроде фотографии.

Апертура камеры может оставаться открытой бесконечно долго, позволяя пластине (или тому, что принимает и записывает свет) со временем «собирать и сохранять эффект фотонов», если хотите так выразиться. Это позволяет камере делать изображения, недоступные нашим глазам, например, «звездные следы».

Сетчатка не похожа на фотопластинку или фотосайты (или пиксели) цифрового сенсора. Он не может «собирать и сохранять», как это делает камера. Существует «частота обновления», если хотите, которая запрещает сбор и сохранение света, что не относится к камерам, потому что камерам все равно, что что-то поблизости подкрадывается к ним и представляет опасность для их жизни. Неспособность быстро обнаруживать изменения — это то, что крайне неудобно для выживания.

Именно временная выборка с длинными выдержками действительно делает возможной магию цифровой астрофотографии. Истинная сила цифрового датчика заключается в его способности интегрировать или собирать фотоны за гораздо более длительные периоды времени, чем глаз. Вот почему мы можем записывать детали на длинных выдержках, которые невидимы глазу даже через большой телескоп.

_{Как работают цифровые камеры}

Простой ответ заключается в том, что глаз так не устроен.

Глаз имеет гораздо больше «пикселей», чем «связей» с мозгом и отправляет «предварительно обработанное» изображение. Более того, глаз постоянно двигается и сканирует «область зрения», а тело и голова якобы тоже двигаются (вольно или нет — полностью застыть никто не может), поэтому более длительное накопление данных приведет к большому размытию.

А основная цель глаза - замечать опасность - что-то меняющееся, или движущуюся жертву - так как мы, люди, не ночные животные, мы созданы/оптимизированы для работы в активном режиме на свету, пассивном и спящем в темноте. Поскольку в любом случае существует реальная потребность во сне, нет веских причин для разработки вторичной системы ночного видения, что означает полное дублирование основной системы зрения с совершенно другим режимом работы (длительный сбор данных), который будет использоваться только в очень небольшом разделении. времени - когда хищник найдет нас ночью спящими и мы переживем первую атаку.

Таким образом, только основная система была немного изменена с помощью других типов пикселей, более чувствительных к свету, но менее чувствительных к цвету, что позволяет нам работать относительно прошлой ночью и с очень раннего утра, когда доступно только разделение света. По цене цвета и деталей. Но это гораздо дешевле, чем в основном неиспользуемая вторичная система. И охватывает больше времени, чем мы обычно используем для переезда.

Различия на уровне фоторецепторов были рассмотрены другими. На механические ограничения зрительной системы вскоре намекнули @gilhad et al. , но на мой взгляд заслуживают большего внимания.

Во-первых, в темноте мы не можем сфокусироваться на объекте, и наши глаза будут двигаться. И даже когда мы фокусируемся на определенной точке, всегда происходит движение глаз за счет тремора, дрейфа и микросаккад . Микросаккады — это непроизвольные небольшие движения глаз (рис. 1), которым в последнее время уделяется довольно много внимания. Подсчитано, что они происходят 1–2 раза в секунду и могут достигать амплитуды до 1 градуса поля зрения (Martinez-Conde et al ., 2013) и длятся около 15 мс (Cui et al ., 2009) . Считается, что эти движения препятствуют адаптации на уровне сетчатки и предотвращают выцветание изображения. Следовательно, изображения на сетчаткепостоянно механически обновляются . Мозг, в свою очередь, стабилизирует изображение, корректируя изображение на уровне восприятия посредством глазодвигательной обратной связи (Martinez-Conde et al ., 2013) .

^{Рис. 1. Микросаккады, зарегистрированные айтрекером. Источник: Martinez-Conde et al . (2013)}

В то время как камера должна быть зафиксирована на треноге, чтобы обеспечить передержку, наши глаза не могут быть зафиксированы в той же степени , даже если мы пытаемся. Следовательно, объединение экспозиций, как указано в вопросе, невозможно и приводит к размытию изображения. Вместо этого изображения на сетчатке постоянно обновляются, и когда условия освещения слишком тусклые, мы не можем интегрировать вход фотонов во временную область.

Обратите внимание, однако, что фоторецепторы в некоторой степени интегрируют входные фотоны, учитывая, что более высокая яркость приводит к более яркому восприятию. Однако это работает только порядка миллисекунд и не позволяет использовать длительные экспозиции, необходимые для получения изображений, подобных показанному в отличном ответе @anongoodnurse.

<sub>Ссылки
- Cui et al ., Vis Res (2009); 49 (2): 228–36
- Martinez-Conde et al ., Nature Reviews Neurosci (2013); 14 : 83-96</sub>

Вероятно, теоретические возможности для этого есть. Мозг удивительно хорошо справляется с обработкой сигналов и, вероятно, может осуществить такое суммирование. Однако есть предел. Вы должны держать очень-очень неподвижно, чтобы это сработало.

Сделайте один из снимков с интервальной съемкой, например, опубликованный ответ anongoodnurse. Затвор открыт довольно долго (мне ее снимок кажется выдержкой 30 минут или 1 час). Во время этой экспозиции камера остается совершенно неподвижной. Все движение, которое вы видите, является движением из-за движущихся объектов в сцене (или, если вы предпочитаете технику, звезды остаются неподвижными, а камера вращается... очень-очень-очень плавно).

У тела нет такой способности запираться. Попробуйте сделать один из этих снимков, держа камеру в руках, и вы увидите, что это особенно сложно. Теперь учтите, что ваши глаза дергаются еще больше, чем все остальное тело, и способны метаться туда-сюда. У нас есть хороший контроль над нашими глазами, но ничего близкого к тому, что вам нужно для создания эффекта, подобного эффекту штатива.

Таким образом, если бы вы попытались использовать свои глаза таким образом, почти все, что вы увидели бы, было бы вашим собственным движением. Предположительно, очень хорошо контролируемый человек мог бы чувствовать это движение и учитывать его, но у мозга мало причин, чтобы иметь эту способность в «аппаратном обеспечении».

Конечно, мы можем сфокусироваться на том, чтобы видеть с невероятной точностью, верно? Мы можем читать слова на глазковой карте с расстояния 20 шагов. Эти действия выполняются в сцене, которая позволяет визуальную обратную связь. Если слишком темно, мы не получаем достаточной визуальной обратной связи, чтобы увидеть, куда смотрят наши глаза, и компенсировать это.

Я полагаю, что вы имеете в виду явление, с помощью которого камера регулирует экспозицию света, регулируя диафрагму. Мы тоже можем это сделать, но это происходит очень быстро. Перейдите из темной комнаты в более светлую, и вы ослепнете, но этот эффект скоро пройдет, и наоборот.

Зрачок открывается в темной комнате, и в сетчатке происходит выработка зрительного пурпура или родопсина — пигмента, отвечающего за видимость при слабом освещении. Когда вы входите в ярко освещенное место, зрачок сужается, и родопсин фотообесцвечивается, при этом происходит выработка йодопсина.

https://en.wikipedia.org/wiki/Adaptation_(глаз)

^ Ознакомьтесь с разделами «Темная адаптация» и «Светлая адаптация».

(Извините, у меня нет других источников, я сделал это из школьного учебника по биологии и не могу найти)

Практически все ответы, которые фокусируются на движении глаз, вызывающем размытие (то, с чем цифровой камере не приходится иметь дело), ​​неверны. У мозга нет абсолютно никаких проблем с обработкой изображений при слабом освещении на скорости.

Все дело в том, что глаз — это не камера. Многие из теорий старой школы, которые основывались на том факте, что глаз работает как фотоаппарат, такие как постоянство зрения и т. д., оказались явно ошибочными. У глаза нет скорости затвора — информация постоянно отправляется обратно в мозг без интервальной задержки. ( https://en.wikipedia.org/wiki/Persistence_of_vision )

Это означает, что разрешение размытия и т. д. выполняется в мозгу, а не глазами. Подумайте о цифровой стабилизации изображения, которая действительно работает и работает в режиме реального времени. Тем не менее, мозг, по-видимому, работает с фрагментами входной информации со скоростью примерно 16-24 фрагмента в секунду. Почему эта скорость? Что ж, сходство мозга с компьютером, вероятно, имеет какое-то отношение к объему памяти, который мозг может хранить для необработанных глазных данных. Для фотографий с длинной выдержкой требуется много оперативной памяти для хранения необработанных данных, а затем много времени для их компиляции в одно изображение. Мозг, без сомнения, мог бы выполнить компиляцию из необработанных данных в изображение, но он, скорее всего, не может хранить более 1/24 секунды данных в «памяти», прежде чем он должен будет скомпилировать.

Что еще более важно, это значительно сократит время нашей реакции. Это важно, потому что вам не нужен организм, который хорошо видит ночью ветку, но при попытке ее схватить промахивается на 5-10 секунд.

Я бы хотел, чтобы мой компьютер был способен отправить иллюстрацию устройства человеческого глаза, в отличие от гипотетической идеи «объектива камеры», поскольку органические глаза и оптика камеры НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ПОХОЖИЕ! Большинство из вас совершали грубую ошибку, делая это в своих дискуссиях.

Глаз использует комбинацию органических оптических клеток, называемых «палочки» и «колбочки», для проявления изображения. Кроме того, на изображении, воспринимаемом глазом, имеется «мертвое пятно» из-за точки прикрепления зрительного нерва. Любое обсуждение органического зрения должно принимать во внимание эти факты.

Органические глаза ДОЛЖНЫ пройти через переменный период «темновой адаптации», чтобы также иметь возможность воспринимать изображение. Минимальный период составляет от 50 до 120 минут; и даже тогда даже кратковременное воздействие «более яркого» света сотрет всю эту адаптацию, что потребует «перезапуска часов», чтобы снова адаптировать глаз к темноте.

Существует анекдотическая история о том, что пираты носили повязки на глазах, чтобы добиться и сохранить адаптацию к темноте на одном глазу. Есть много преимуществ в том, чтобы держать один глаз адаптированным к темноте — вы переходите с ярко освещенной палубы в очень темные области под палубой корабля жертвы. Это тот случай, когда возможность снять нашивку и сразу же увидеть вражеского члена экипажа, приближающегося с саблей, была бы очень ценной!

Другой фактор заключается в том, что распределение палочек и колбочек по глазу неравномерно. Колбочки отвечают за восприятие цвета и сосредоточены в центре поля зрения. Концентрация колбочек быстро снижается, уходя наружу.

Плотность палочек в одном и том же глазу быстро увеличивается, выходя примерно с пяти градусов от мертвой точки до максимума примерно в 25 градусов от мертвой точки. Палочки отвечают за наше периферийное зрение, нашу «чувствительность» даже к, казалось бы, микроскопическим движениям, И НАШЕ НОЧНОЕ ЗРЕНИЕ.

Из-за отсутствия палочек в центре поля зрения наших глаз мы не можем видеть ничего прямо перед собой в условиях низкой освещенности!

Для того, чтобы максимальное количество палочек воздействовало на «предмет интереса» в нашем поле зрения, мы должны использовать наше периферийное зрение и «обмануть» одну сторону нашего поля зрения примерно на 25 градусов. Это все равно, что смотреть на входную дверь в центре здания, глядя «прямо» в середину левого или правого фасада.

Также можно было бы обнаружить движение гораздо легче, чем точную форму, глядя таким образом. Постоянно «смотря в одну сторону» и изменяя наше местоположение, чтобы изменить фон, проницательный лесоруб (например, коренной американец или деревенщина!) вполне может быть в состоянии не только обнаружить енота на верхушке дуба, но и разглядеть форму опоссума, смотрящего на него с нижней конечности!

У многих животных, гораздо лучше способных действовать ночью, глаза не только лучше снабжены палочками, но и на самом деле намного больше наших! Мы бы видели не хуже любой совы, если бы только родились с глазами диаметром с «гигантский» грейпфрут!

Кроме того, наблюдая за совой и точно подражая ей, покачивая головой, качаясь из стороны в сторону и глядя вперед, мы естественным образом улучшили бы периферическую чувствительность и способность «глядеть в одну сторону» для получения более четких изображений этих животных. интересующие нас объекты!

Извините за критику, так как многие комментарии продемонстрировали отличное понимание неорганической оптики, а также большое воображение, но просто невозможно легкомысленно поменять местами принципы неорганической оптики и органической оптики.