2011年9月25日星期日

视网膜的分辨率

视力visual acuity,缩写是VA,在医生写的病历上会看到“VA: OD 1.0, OS 0.8”类似的文字,翻译一下,就是"视力:右眼1.0,左眼0.8",OD是拉丁文oculus dexter的缩写,OS=oculus sinister,双眼的话,写成OU,是oculi uterque

视力的定义,是根据视角,外界物体的两端在观察眼“内节点”处所形成的夹角。[注1] 人眼要能够分辨出这两个端点,那么入射光必须刺激两个两个细胞,而且这两个视锥细胞之间至少还有一个不受刺激感光细胞,类似101这样的信号才算是分辨,如果是110,或者是011,则会当作一个更大的光点,而不是两个。所以人眼的分辨率一部分是由感光细胞的密度决定的。人眼有两类感光细胞,视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞更细小密集,视杆细胞肥硕一些。视锥细胞大约有630万-680万个,感受强光和色觉,完成的是精细视觉,主要分布在“黄斑中心凹”,这一个不足直径1.5mm的范围内,我们人类看东西的时候,使用这一部分去看,在黄斑中心凹之内,人眼能够分辨出来的视角是1分,也就是1/60度。出了中心凹的范围,视锥细胞数量迅速下降,以视杆细胞为主,它们的数量达到1.1-1.25亿个,但是相对而言密度要稀疏很多,而且它们以感受暗视觉和运动为主。有兴趣的话,可以测试一下,单眼眼睛盯住一个目标,用余光去感受东西,是很模糊的,看不清楚字的。

我们在说视网膜的分辨率的时候,是以最小分辨视角作为单位的。如果是描述相机的CCD分辨率,可以是多少百万甚至千万的像素,那是在说在给定面积的CCD上有多少枚感光元件,要计算CCD的视角,那么需要知道相机的节点位置,计算出相机节点到CCD的距离y,和每两个感光元件中心之间的间距x,那么相机的分辨角=arctan(2x/y)。又或者我们在描述显示器的分辨率的时候,说的是多少DPI,dot per inch, 每英寸有多少点。例如说iPhone4的显示器有326dpi,是说每英寸上有326个点,也就是说每两点之间的距离是25.4mm/326=0.0779mm。如果要知道屏幕上相间隔的两点对应的视角,那么必须要知道屏幕距离眼睛的节点有多远,对于常人而言,大约是330mm,那么所对应的视角就是arctan(2*25.4/326/330)/Pi*180*60=1.62分,对于一个正常视力的眼睛,是可以区分iPhone4上间隔1点的两个点的,而如果是两个相邻的点,对应的视角则=0.812,已经小于正常人眼的视角了。至于台式机和笔记本电脑的液晶屏幕,多数只有72dpi~150dpi,惨不忍睹啊。

如果视网膜没有疾病,那么视网膜上能够分辨的最小视角就是1分,但我们的视力其实各不相同,是因为外界物体还要通过眼睛前面的“屈光介质”折射以后,才能在视网膜表面成像。如我以前所述,人眼的这一部分功能其实是很惨的,人眼有两个透镜:角膜和晶状体,如果平行光能够聚焦到视网膜表面上,那还算不错的,不过通过高三的训练,应该至少有80%以上的人已经做不到这一点了。外界的一个光点,通过近视/远视/散光的眼睛的角膜、晶状体到达视网膜的时候,已经不再是一个光点,而是一个光斑了,叫做PSF(点扩散函数)。这时候要让视网膜区分出两个光斑,可就需要更大的数据量了,仅仅三个视锥细胞就不够了。

外界物体通过角膜、晶状体的折射,到达视网膜,经过视锥/视杆细胞的“采样”,还要有很多后续的数据处理,在视网膜处理过的数据经过视神经到达大脑,有些数据在到达皮层之前就直接交给一些神经核团去处理,比如感知光强调节瞳孔什么的,主要的数据交给皮层处理。不得不承认的是,视觉在数据处理这一层面远远超过了人类目前的技术,在几个平方厘米之内的视网膜之内以极低的能耗就实时完成了类似DCT编码压缩、二维滤波、Roberts算子边缘检测等等之类的事情。

Posted via email from goldengrape's posterous

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