Основы стереоскопического зрения.

Как показывают предыдущие разделы, для достижения основной цели - определения координат точек местности по фотоснимкам, нужно их измерять. Из данных природой человеку органов чувств, особое значение для этого имеет зрение. Обеспечивается оно системой глаз – мозг.

Глаз человека это сложное и совершенное оптическое устройство (рис. 46). Он имеет форму, приближающуюся к шару с радиусом около 12 мм; его поверхность состоит из трёх оболочек. Наружная защитная оболочка глаза (склера) 1 в передней своей части переходит в тонкую и прозрачную роговицу 10. Под склерой находится сосудистая оболочка 2, переходящая в непрозрачную радужную оболочку 9. Она имеет красящие вещества (пигменты), определяющие цвет глаз. Спереди радужной оболочки находится зрачок11 (отверстие с изменяющимся в пределах 2-8 мм диаметром). Он играет роль диафрагмы и регулирует количество поступающих в глаз световых лучей. Третья (внутренняя) оболочка 3 называется сетчаткой и состоит из фоторецепторов - большого числа светочувствительных элементов (колбочеки палочек), передающих своё раздражение через нервную систему в мозг наблюдателя. Палочки чувствительны к слабому сумеречному освещению, колбочки – к дневному, яркому свету и обладают цветочувствительностью. Место вхождения зрительного нерва в сетчатку носит название слепого пятна 7, так как оно не имеет колбочек и палочек, а, следовательно, и не реагирует на световое раздражение. В середине сетчатки напротив зрачка находится жёлтое пятно 4, являющееся наиболее чувствительной частью сетчатки. Центральное углубление жёлтого пятна 5 состоит из одних колбочек. Диаметр впадины жёлтого пятна составляет примерно 0,4 мм, диаметр колбочки приблизительно 2 мкм.

Спереди глаза за зрачком расположен хрусталик 12, представляющий собой двояковыпуклую линзу. Он строит на сетчатке действительное, уменьшенное и обратное изображение наблюдаемого объекта. Таким образом, его назначение аналогично объективу фотоаппарата. Сетчатка играет такую же роль, что и матрмица ПЗС.

Резкость изображения на сетчатке достигается посредством аккомодации хрусталика (изменение его кривизны, происходящее рефлекторно). Чем ближе находится рассматриваемый предмет, тем большей должна быть кривизна поверхности хрусталика. Осуществляют аккомодацию глазные мышцы 8. Они не напряжены, если рассматриваемый объект находится в бесконечности (более 10 м). При этом фокусное расстояние хрусталика равно приблизительно 16 мм. Но при наблюдении на таком расстоянии упускаются мелкие детали. Оптимально, когда и детали видны и мышцы не очень напряжены. Такие условия для нормального глаза выполняются на расстоянии наилучшего зрения (около 25 см).

Пространство между роговицей и хрусталиком наполнено «водянистой влагой», а между хрусталиком и сетчаткой – «стекловидной влагой» 13, Их коэффициенты преломления примерно равны между собой.

Луч, проходящий через центр впадины жёлтого пятна и заднюю узловую точку оптической системы глаза, называется зрительной осью глаза, а прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей роговицы и хрусталика – его оптической осью. Угол между этими осями равен 5°.

Поле зрения неподвижного глаза составляет 150° по горизонтали и 120° по вертикали. В его разных частях изображение воспринимается с различной чёткостью. Лучше видны те предметы, которые попадают на центральную ямку сетчатки.

Угол, под которым виден диаметр центральной ямки жёлтого пятна из узловой точки хрусталика, называется углом отчётливого зрения. Он равен 1,5°.

Раздражение светом палочек и колбочек вызывает зрительное ощущение, если длина электромагнитных волн находится в пределах 360 – 760 нм. Максимальная чувствительность к желтой части спектра, примерно 555 нм.

Существует статистическая и динамическая теории зрения. В соответствии с динамической теорией большую роль при рассматривании предметов играют движения глаз. Они бывают произвольными (зависят от воли человека) и непроизвольными (физиологические нистагмы). Непроизвольные движения включают:

· Дрожь – колебание глаз со скоростью 20¢ в секунду с амплитудой 10-20²;

· Колебания – быстрые вращения со скоростью примерно 6000¢ в секунду с амплитудой 1 - 25¢. Происходят не регулярно с интервалами 0.05 – 5 сек.;

· Медленные движения со скоростью 1¢ в секунду с амплитудой до 5¢.

Непроизвольными движениями глаз сканирует изображение, построенное хрусталиком.

Различают два вида зрения: монокулярное и бинокулярное.

Зрение одним глазом называется монокулярным зрением. Наблюдатель обычно подсознательно поворачивает глаз так, чтобы изображение объекта оказалось на углублении жёлтого пятна. Пересечение зрительной оси глаза с рассматриваемым объектом называется точкой фиксации F монокулярного зрения.

Для оптических наблюдений и измерений важную роль играет острота зрения, т.е. способность невооружённого глаза воспринимать две расположенные рядом точки или линии как разные элементы. Минимальный угол, под которым наблюдатель ещё видит раздельно две светящиеся точки, называется остротой монокулярного зрения первого рода. Для нормального глаза этот угол равен примерно 45''. Но он зависит от многих факторов (дифракция, аберрации, освещение, тип тест объекта, длина волны и т.д.) и колеблется в пределах 0.5² - 10¢.

Остротой монокулярного зрения второго рода называется минимальный угол, под которым человеческий глаз видит раздельно две параллельные линии. Она выше, чем острота монокулярного зрения первого рода и примерно равна 20''. Это объясняется тем, что изображение линий воспринимается не одной, а целой группой колбочек.

Существует понятие стереоскопического (пространственного) восприятия объектов. Оно может быть монокулярным и бинокулярным.

При монокулярном зрении об удалённости наблюдаемых предметов можно судить только по косвенным признакам (относительный размер предметов, свет и тени, перекрытия, перспектива, визуальные контрасты, параллакс движений, детальность изображений и т.д.). Указанные признаки оценки пространственной глубины при монокулярном зрении дают приближённое, а иногда неверное представление о расстояниях.

Стереоскопическое зрение это пространственное восприятие, возникающее при рассматривании объекта двумя глазами. Такое наблюдение называется бинокулярным зрением. В этом случае наблюдатель устанавливает глаза таким образом, чтобы изображение объекта оказалось в центральных ямках f₁ и f₂ сетчаток обоих глаз (рис. 47). Поэтому зрительные оси глаз пересекаются в том месте объекта, которое наблюдатель желает отчётливо рассмотреть. Точка пересечения зрительных осей называется точкой фиксацииF бинокулярного зрения.

Расстояние b между центрами хрусталиков левого и правого глаз это глазной базис. Он у людей разный и колеблется в пределах от 55 до 72 мм.

Угол _F, под которым пересекаются зрительные оси, называется углом конвергенции(сходимости).

Величина угла конвергенции зависит от отстояния L точки F. Эта зависимость выражается приближённым уравнением:

,

(122)

Размеры жёлтого пятна позволяют увидеть при данном положении глаз и другие точки (рис. 47). Изображения а₁ и а₂ точки А объекта, полученные на сетчатках глаз, называются соответственными точками, а лучи О₁ а₁ и О₂ а₂ – соответственными лучами. Угол ., под которым пересекаются соответственные лучи, называется параллактическим углом.

Неравенство углов _F и g_A вызывает неравенство дуг и , полученных в пределах жёлтого пятна левого и правого глаз. Алгебраическая их разность называется физиологическим параллаксом и обозначается р, т.е.:

(123)

Дуга считается положительной, если она находится слева от центральной ямки. Наличие физиологического параллакса является причиной пространственного восприятия при стереоскопическом зрении.

Абсолютная величина угла конвергенции ощущается при этом с невысокой точностью, поэтому и отстояние наблюдаемой точки определяется приближённо. В то же время изменения величин параллактических углов относительно угла конвергенции воспринимаются с высокой точностью. Это обстоятельство позволяет определить изменения отстояний других точек относительно точки фиксации также с высокой точностью. Установлено, что разность отстояний воспринимается человеком, когда dg=ï _F- ï£70¢. Если это условие не выполняется, то он меняет точку фиксации.

Для определения соотношения между изменениями расстояния и угла конвергенции в соответствии с (122) запишем:

(124)

Существует понятие гороптер. Это геометрическое место точек в пространстве, которые, при заданном положении точки фиксации, дают изображение на симметричных точках фиксации. Для всех остальных точек, в указанных выше пределах и возникает физиологический параллакс.

Наименьшее значение (или физиологического параллакса р), при котором ещё ощущается разность расстояний DL, называют остротой или разрешающей способностью стереоскопического зрения.

Острота стереоскопического зрения первого рода – это минимальная разность параллактических углов двух точек, при которой ещё воспринимается

разность отстояний. Она примерно равна 30''.

Острота стереоскопического зрения второго рода – это минимальная разность параллактических углов для двух вертикальных прямых, при которой ещё замечается разность их отстояний. Она равна 10''. Эти характеристики меняются в зависимости от индивидуальных особенностей наблюдателя, а так же от условий наблюдения – освещённости, контрастности объектов, их формы и т.п.

Используя понятие остроты стереоскопического зрения, по формуле (122) можно определить радиус R невооруженного бинокулярного зрения. Так, приняв _F =30² и b=65 мм, получим: R=(65 мм×200 000²)/30²=430 м. Если для наблюдения объектов использовать бинокли или стереотрубы, у которых искусственно увеличен глазной базис (обозначим его буквой B), и использованы оптические системы увеличения, возрастает и радиус стереоскопического зрения в w=(BV)/b раз, Величину w называют коэффициентом пластичности прибора.