وضوح چشم انسان چند مگاپیکسل است؟

چشم انسان شباهت‌ها و تفاوت‌‌های متعددی با دوربین‌های عکاسی و فیلم‌برداری دارد و نمی‌توان به‌راحتی رزولوشن یا وضوح را برای آن تعریف و اثبات کرد.

احتمالا تاکنون با خود تصور کرده‌اید که چشم انسان شباهت‌های زیادی به دوربین‌ عکاسی و فیلم‌برداری دارد. عضوی از بدن که وظیفه‌ی اصلی بینایی را برعهده دارد، دریافت تصاویر و ارسال آن‌ها به پردانده‌ی اصلی یعنی مغز را انجام می‌دهد. درنگاه اول شاید این سیستم، بسیار مشابه با دوربین‌های فیلم‌برداری و عکس‌برداری به‌نظر برسد. به‌همین دلیل این سؤال برای بسیاری ایجاد شده است که رزولوشن انسان چند مگاپیکسل است. پاسخ به سؤال مذکور، آن‌چنان آسان نیست و نمی‌توان با محاسبات ساده‌ی ریاضی، عددی ثابت را برای رزولوشن چشم انسان بیان کرد. منتهی بررسی و مقایسه‌ی دو سیستم طبیعی و مصنوعی ثبت تصویر، خالی از لطف نیست.

برای پاسخ به سوالی که رزولوشن چشم انسان را جست‌وجو می‌کند، ابتدا باید تعریف مگاپیکسل و تفاوت آن را با رزولوشن دوربین درک کنیم. اگرچه ما تصور می‌کنیم که رزولوشن تصویر، عددی مثلا مانند ۱۰۸۰*۱۹۲۰ است، اما رزولوشن به فاکتورهای بسیار متعددی بستگی دارد. از میان فاکتورهای مهم می‌توان به نور، ابعاد حسگر، سوژه‌ی مورد ثبت و رمزنگاری و فاصله‌ی سوژه تا لنز اشاره کرد. درواقع، چگالی پیکسل از فاصله‌ای به بعد دیگر معنایی ندارد. درنتیجه، سؤال رزولوشن چشم انسان چند مگاپیکسل است، باید به این صورت تغییر کند: «شما برای پر کردن میدان دید خود برای باور کردن به اینکه به تصویری واقعی نگاه می‌کنید، به چند پیکسل نیاز دارید؟» اگرچه سؤال جدید هم نقاط ابهام متعددی دارد، اما برخی از اشکالات سؤال اول را برطرف می‌کند.

مقایسه‌ی دید انسان با فاکتورها و معیارهای فناورانه، ایرادهای متعددی دارد. ابتدا باید بدانیم که بینایی انسان، برخی از سوژه‌های موجود در میدان دید را نادیده می‌گیرد. به‌عنوان مثال چشم شما پس از مدتی دیگر فریم عینک را در کادر دید مشاهده نمی‌کند و به‌نوعی جزئیات آن به مغز ارسال نمی‌شود. به‌علاوه، هریک از دو چشم چپ و راست، نقطه‌ی کور دارند. در نهایت، تفاوت بزرگ دیگر در بخشی موسوم به Fovea در چشم دیده می‌شود که در بخش‌های بعدی آن را شرح می‌دهیم.

باوجود تمامی تفاوت‌های موجود، برخی دانشمندان و محققان، تلاش‌هایی برای محاسبه‌ی رزولوشن چشن انسان انجام داده‌اند. دکتر راجر ام کلارک، کارشناس باسابقه‌ی عکاسی، مقاله‌ای مفصل پیرامون محاسبه‌ی حدودی چشم انسان منتشر کرده است. مقاله با تشبیه نسبی مشخصات چشم با فاکتورهای تصویربرداری، درنهایت به عدد ۵۷۶ مگاپیکسل برای چشم انسان می‌رسد. در توضیح واضح‌تر، اگر نمایشگری با بزرگی مناسب پیدا کنید که کل میدان دید شما را پوشش دهد، باید ۵۷۶ مگاپیکسل عمق داشته باشد.

کلارک پس از محاسبه‌ی بالا، نکته‌ی جالب‌توجهی را بیان می‌کند که بار دیگر نشان‌دهنده‌ی نادرست بودن مقایسه‌‌ی مذکور است. او می‌گوید نمی‌توان عدد کشف‌شده را قطعی دانست، چون چشم انسان مانند دوربین عمل نمی‌کند. در بخشی از مقاله می‌خوانیم:

چشم انسان، با دوربین تک‌فریم عکاسی تفاوت دارد. درواقع باید آن را با دوربین فیلم‌برداری شبیه بدانیم. چشم‌ها با سرعت بسیار بالایی در زاویه‌های بسیار کوچک حرکت می‌کنند و همین حرکت، به‌مرور جزئیات گوناگون از میدان دید را در مغز می‌کشد و به‌روزرسانی می‌کند. به‌علاوه، ما دو چشم داریم و مغز، سیگنال‌های دریافت‌شده از هردو را برای افزایش بیشتر رزولوشن، ترکیب می‌کند. ما همچنین عموما چشم‌های خود را در نقاط گوناگون صحنه حرکت می‌دهیم تا اطلاعات بیشتری را دریافت کنیم. درنهایت، تصویر ثبت‌شده به‌کمک چشم در ترکیب با مغز، رزولوشنی بیش از عدد به‌دست آمده از محاسبه‌ی گیرنده‌های نوری در شبکیه‌ی چشم دارد.

برای درک بهتر توضیح بالا، باید چگونگی پردازش پیکسل‌ها در چشم انسان را بررسی کنیم.

پردازش پیکسل‌ها در چشم انسان

محاسبات نشان می‌دهد که تصاویر 8K با چهاربرابر رزولوشن 1080p افقی و عمودی و ۱۶ برابر رزولوشن کلی، احتمالا شفاف‌ترین تصاویری هستند که چشم انسان توانایی درک آن‌ها را دارد. فراموش نکنید که نام 8K از عدد حدودی تعداد پیکسل‌ها در محور افقی این تصاویر گرفته شده است. همه‌ی ما می‌دانیم که رزولوشن در مشاهده‌ی محتوای بصری و کیفیت آن اهمیت بالایی دارد. صرف‌نظر از نوع تصویری که مشاهده می‌کنید، وقتی با یک محتوای بصری با رزولوشن بسیار بالا و شفافیت بالا روبه‌رو باشید، گویی تصویر در ذهن شما به‌‌خوبی نقش می‌بندد. رخدادی که ارتباط زیادی با ساختار پردازش پیکسل‌ها در چشم دارد.

باوجود توضیحات بالا، برخی کارشناسان این ادعا را مطرح می‌کنند که آیا باتوجه به محدود بودن ابعاد چشم انسان (بخوانید ابعاد حسگر دریافت‌کننده‌ی سیگنال) آیا رزولوشن بسیار بالا هنوز هم اهمیت دارد؟ پاسخ به سؤال مذکور و پیدا کردن تأثیر یا عدم تأثیر رزولوشن بالا، در بررسی و درک یکی از پیچیده‌ترین ساختارهای سیستم بدن انسان نهفته است. ترکیب کارایی ساختار پیچیده‌ای که در چشم تا مغز قرار دارد و تجربه‌ای ذهنی برای انسان ایجاد می‌کند، هنوز هم سهم عمده‌ای از بحث و تحقیق دانشمندان را به خود اختصاص می‌دهد و پرسش‌های بی‌پاسخ متعددی دارد. درنهایت باوجود پیچیدگی سیستم، می‌توان برخی از خصوصیت‌های آن را با آزمایش‌های تجربی درک کرد.

از پیکسل به تصویر: چشم‌های ما چگونه نور را به عکس تبدیل می‌کنند؟

نور (چه نوری که به‌صورت متمرکز از پیکسل‌ها دریافت می‌شود یا جریانی از فوتون‌های ریز از دنیای سه‌بعدی فیزیکی است)، در ترکیبی پراکنده و ناخوانا به چشم انسان می‌رسد. پیش از اینکه مغز مشغول ترکیب و منظم کردن اطلاعات دریافتی شود، نور توسط ساختار داخلی چشم جذب‌شده و بازتاب داده می‌شود. این فرایند توسط لنز طبیعی چشم و دو ساختار موسوم به Humour یا زلالیه انجام می‌شود. زلالیه در تعریف ساده ماده‌ای تقریبا مایع است که با پوششی شبیه به آب، از لنز محافظت کرده و شکل کروی چشم را حفظ می‌کند.

اگر ساختار قابل رؤیت را با لنز دوربین تشبیه کنیم،‌ شبکیه حکم فیلم داخل دوربین را ایفا می‌کند. این عضو ظریف و باریک شامل سه لایه نورون است که اولین سری پردازش اطلاعات بصری را انجام می‌دهند. سلول‌های حساس به نور در شبکیه که به‌نام گیرنده‌های نوری (Photoreceptors) شناخته می‌شوند، فوتون‌ها را پس از متمرکز شدن به پشت چشم، جذب می‌کنند.

گیرنده‌ی نوری در هریک از چشم‌های انسان شامل ۱۲۰ میلیون سلول استوانه‌ای (Rods) می‌شود که با حساسیت بالایی نسبت به نور واکنش نشان می‌دهند. در کنار آن‌ها، ۶ تا ۷ میلیون سلول مخروطی حساس به رنگ نیز قرار دارد. سلول‌های استوانه‌ای بخش عمده‌ای از شبکیه را اشغال می‌کنند، اما در مرکز شبکیه بخشی وجود دارد که سلول‌های مخروطی در آن متمرکز شده‌اند. این بخش به‌نام fovea شناخته می‌شود. درنهایت توضیح این بخش، نشان‌دهنده‌ی اهمیت سلول‌های استوانه‌ای و مخروطی بود که به‌عنوان تنها سلول‌های گیرنده نور، نقشی اساسی در تبدیل داده‌های بصری به سیگنال‌های الکتروشیمیایی ایفا می‌کنند.

پس از دریافت نور، نورون‌های موجود در شبکیه می‌توانند میدان بصری را با ثبت کنتراست‌های موجود در داده‌های دریافت‌شده توسط گیرنده‌های نوری، تجزیه کنند. کنتراست‌ها یا لبه‌ها، واحد‌های اساسی کل فرایند پردازش بصری هستند. سوزانا مارتینز و استیون ماکنیک، اساتید چشم‌پزشکی و عصب‌شناسی، در کتابی به‌نام «Champions of Illusion» توضیح قابل‌توجهی برای لبه‌ها ارائه می‌کنند: «لبه را می‌توان تقاوت بین دو نقطه از فضایی مشترک دانست که می‌تواند نور یا رنگ باشد». وقتی سیگنال لبه‌ها به مغز برسد، خطوطی پیرامون شکل سوژه‌ی موجود در میدان دید در مغز ثبت می‌شود.

چشم انسان مانند دوربین برای دریافت حداکثر شفافیت ممکن از یک سوژه، باید به‌صورت مستقیم به آن خیره شود. فراموش نکنید که حتی قدرتمندترین لنزهای موجود برای دوربین‌های مدرن نیز توانایی ثبت حداکثر جزئیات را در کل دامنه‌ی لنز ندارند. چشم انسان نیز حداکثر جزئیات و دقت را تنها در میدان مقابل fovea مشاهده می‌کند که سهم کوچکی از میدان دید را تشکیل می‌دهد. ماکنیک می‌‌گوید تنها ۰/۱ درصد از میدان دید شما در هر لحظه، توانایی دریافت حداکثر جزئیات تصویر را دارد و سایر داده‌های دریافت‌شده، ترکیبی از توهم‌های بصری هستند.

هر بار که شما به سوژه‌ای خیره می‌شوید، مثلا به صفحه‌ی ساعت خود نگاه می‌کنید، سایر جهان حاضر در میدان دید به منظره‌ای مات تبدیل می‌شود؛ اما انسان این فرایند مات یا بلوری شدن را متوجه نمی‌شود. دلیل رخداد مذکور را باید در مهندسی عالی موجود در کورتکس بینایی مغز جست‌وجو کرد. هربار که نمایی از یک اتاق را در برابر خود می‌بینیم، مغز نه‌تنها آن‌چه‌ که در برابر چشمان قرار دارد، بلکه ترکیبی از تصاویر دریافت‌شده از حرکت جهشی اخیر چشم را هم ثبت می‌کند. تصاویر ثبت‌شده در کنار حافظه‌ی بصری شما، مدلی ذهنی از فضای پیرامون را ایجاد می‌کند که در هر لحظه نیز به‌روزرسانی می‌شود. درنهایت با اینکه تنها درصد کوچکی از میدان دید در حالت فوکوس قرار دارد، اما تمامی میدان را با شفافیتی برابر مشاهده می‌کنید.

حرکت نورون‌های عصبی برای تشکیل تصویری شفاف از کل میدان دید، وابستگی زیادی به توانایی چشم در هدایت قدرت تمرکز در هر جهت دارد. چشم‌هایی که دقتی پایین‌تر از ایده‌آل دارند، به‌کمک لنزهای خارجی، قدرت را افزایش می‌دهند. به‌عنوان مثال، لنزهای تماسی مانند دوربین‌های کامپکت عمل می‌کنند و حرکتی همگام با مرکز بینایی دارند. درمقابل، عینک‌های طبی، به‌صورت ایستا عمل کرده  وسهم عمده‌ای از میدان دید را پوشش می‌دهند و بزرگ‌نمایی برابری را در همه‌ی زوایا ایجاد می‌کنند.

آیا ما توانایی مشاهده‌ی جزئیات 8K را داریم؟

دقت بینایی (یا همان فاکتوری که در محاسبه‌ی ضعیف بودن چشم اندازه‌‌گیری می‌شود) را می‌توان رزولوشن چشم انسان دانست. اضافه کردن عینک یا لنز طبی تماسی با هدف افزایش قدرت فوکوس چشم، تاحدودی شبیه به افزایش رزولوشن نمایشگر است.

رزولوشن بالاتر علاوه بر پیکسل‌های بیشتر (یعنی داده‌های نوری بیشتر) به‌معنای پیکسل‌های کوچک‌تر نیز هست. چون رزولوشن فاکتوری برای اندازه‌گیری گسترش داده در سطحی مشخص است. با درنظرگرفتن تعداد ثابتی پیکسل، میدان دید بزرگ‌تر یا نمایشگر بزرگ‌تر، به‌معنای کاهش رزولوشن خواهد بود، چون داده‌ها در سطح بزرگ‌تری گسترده می‌شوند. از آنجایی که حداکثر توانایی چشم انسان در درک کردن جزئیات، به فاصله‌ی پیکسل‌ها (و نه تعداد آن‌ها) بستگی دارد، نمی‌توان ادعا کرد که 8K فراتر از توان درک جزئیات بیننده است.

باوجود توضیحات بالا، مزیت‌های 8K تنها محدود به افزایش ابعاد نمایشگر نمی‌شود. متخصصان فناوری می‌گویند در رزولوشن 8K، شاهد نمایش لبه‌‌های تصاویر با کیفیتی نرم‌تر و واقعی‌تر نیز هستیم که اهمیت زیادی در درک عمیق در چشم کاربر دارند. برخی حتی ادعا می‌کنند که در رزولوشن 8K، تصاویر به‌قدری شارپ هستند که شبیه به عکس‌های متحرک به‌نظر می‌رسند. به‌علاوه، وقتی حتی از فاصله‌ی نزدیک به نمایشگر 8K نگاه می‌کنید، نمی‌توانید پیکسل‌های آن را از هم تشخیص دهید.

فاکتور و اصطلاح دیگری که در تحلیل ساختار بینایی انسان مطرح می‌شود، دقت بیش‌ازحد یا Hyperacuity نام دارد. فاکتور مذکور، یکی از سؤال‌های بی‌پاسخ دیگر در درک پردازش بصری انسان محسوب می‌شود. دانشمندان می‌گویند دقت بصری ما بسیار بیشتر از آن چیزی است که تصور می‌کنیم. به بیان دیگر، کورتکس بینایی از ابزاری ناشناس و مبهم برای ایجاد اطلاعات بصری از داده‌های پراکنده استفاده می‌کند.

درنهایت بحث‌های بالا نشان می‌دهد که نمی‌توان هیچ نظریه‌ی قطعی درباره‌ی محدودیت‌های پردازش جزئیات در چشم انسان مطرح کرد. همان‌طور که دیدیم، ترکیبی از فعالیت‌های گوناگون، منجر به تبدیل شدن داده‌های بصری به تصویر در مغز می‌‌شوند و نمی‌توان با محاسبه‌های ساده، عددی را برای آن‌ها پیشنهاد داد. به‌هرحال ما امروز تنها می‌توانیم درباره‌ی کیفیت بهبودیافته‌ی تصاویر 8K صحبت کنیم که قطعا تجربه‌ای شفاف‌تر از محتوای بصری را در ذهن‌مان حک می‌کنند.