Optické simulace a jejich vnímání lidským okem – Human Vision: 1. část

Úvod

Nutno podotknout, že základem plně fyzikální a přesné simulace jsou plnohodnotně změřené vstupní parametry (materiál, zdroj, …) a plně fyzikálně založený přesný řešič (Solver). Výsledkem takové simulace jsou přesné výsledky založené na spektrální energii. Neméně důležité je pak tyto výsledky správně interpretovat na monitoru, který má své zobrazovací limity a je-li třeba, výsledky zobrazit tak, jak je v reálném světě vnímá lidské oko. 

Komplexní řešení tohoto zadání přináší software SPEOS od společnosti Ansys. SPEOS řeší také problematiku Human Vision. V oblasti viditelného spektra optických simulací může být jedním z klíčových a důležitých prvků co nejlépe přizpůsobit výsledky simulace reálnému vnímání světla lidským okem a správně tyto výsledky interpretovat na monitoru počítače. 

Oko je výborný senzor, který vnímá viditelnost okolních věcí, jejich barvu a celé okolní prostředí. Ale i když se díky svému velkému dynamickému rozsahu dokáže přizpůsobovat jasům a temnu, ve vysokých jasech nebo naopak ve stínech může ztrácet kresbu a detaily a hůře vyhodnocovat homogenitu scény.

Proto je důležité používat v simulaci senzory, které zobrazí jenom to, co může vidět oko samo. Výsledky simulací tedy můžeme vždy interpretovat dvěma způsoby – predikce, jak vidí scénu lidské oko a predikce vhodná k měření fyzikálních veličin k určení legality atd.

Poznamenejme ještě, že cílem SPEOSu není vytvářet ohromující, pěkně vypadající rendery, ale přesné simulace. Ovšem získání výsledků simulace (byť přesných) v některých případech není dostačující. Jak jsme již zmínili, potřebujeme tyto výsledky i správně zobrazit na monitoru. Bohužel neexistuje perfektní displej. Naštěstí máme výsledky, které nejsou pouhými obrázky, fotometrickými mapami. Také známe energii a kolorimetrii každého pixelu, které lidské oko přijímá. Potom je na zodpovědnosti softwarového řešení, které si musí být vědomo možností displeje a co nejlépe tyto výsledky pro daný monitor adaptovat.

 

Část 1 – Lidské oko a teorie lidského vidění

 

Lidské oko

Lidské oko je v podstatě senzor, který integruje světlo. Skládá se ze 3 hlavních komponent: sítnice (Retina), která obsahuje pole světlo citlivých buněk, čočky a rohovky (Lens, Cornea), které fokusují světlo (obraz) na sítnici.  Množství světla vstupujícího do oka koriguje zornice (Pupil).

Sítnice (Retina)

Sítnice je vnitřní tenká vrstva lidského oka. Její hlavní funkcí je snímání a předzpracování světelných signálů přicházejících skrze čočku.

Místo nejostřejšího vidění na sítnici se nazývá „Macula lutea“, česky žlutá skvrna. V tomto místě je nejhustější koncentrace smyslových čípků. Za normálních okolností zaostřuje oko tak, aby většina světla dopadala právě na tuto oblast. Rozlišení žluté skvrny je 0.1° v 18° kuželu dopadu světla. 

Střed žluté skvrny označujeme jako „fovea centralis“. Jedná se o místo, kde je nejvyšší četnost fotoreceptorů zajišťujících barevné vidění (čípky) a při dopadu paprsků na tuto oblast vzniká nejostřejší obraz. Rozlišení tohoto centra je 0.02° v 5° kuželu dopadu světla. 

Pro zajímavost ještě uveďme, že rozlišení sítnice v periferní oblasti vidění je od 0.1° do 2°.

Čočka (Lens)

Čočka upravuje ohniskovou vzdálenost oka tak, aby bylo možné zaostření objektů v různé vzdálenosti od oka. Toto přizpůsobení je známo jako akomodace. Zatímco objekty v ostřící vzdálenosti jsou ostré, vzdálenější objekty jsou rozostřené. 

Zornice (Pupil)

Svým proměnlivým průměrem koriguje množství světla vstupujícího do oka. Při denním světle a jiném vysokém osvětlení dochází k zúžení zornice. To má za následek ostřejší vidění a redukci oslnění. K rozšíření zornice dochází při nízkém osvětlení. Díky tomu se do oka dostává více světla, ale také se snižuje ostrost vidění.

 

Část 2 – Světlo, jas, senzory

Viditelné světlo

Barva světla je dána vlnovou délkou paprsku světla nebo kombinací vlnových délek (spektrum). 
Viditelné spektrum bílé (denní světlo) tedy vypadá následovně:

Viditelné světlo je tedy elektromagnetické vlnění s vlnovou délkou přibližně mezi 380 nm a 700 nm. Pod touto vlnovou délkou se nachází ultrafialové spektrum a nad ní infračervené spektrum.

Vnímání barev lidským okem

Člověk má 3 druhy buněk (čípků), které vnímají barvy: Červenou (Red receptors), zelenou (Green receptors) a modrou (Blue receptors). Čípky mají v závislosti na vlnové délce různou citlivost:

Informace z těchto buněk jsou v mozku kombinovány, a poté vnímány jako barevná informace. 

Luminance (jas)

Typické hodnoty luminance (jasu) jsou tyto:

Pro zajímavost uvádím, že typický LCD monitor dokáže zobrazit jas v rozmezí 1 až 250 cd/m², kde černou interpretuje 1 cd/m² a bílou 250 cd/m². Potom při porovnání dynamického rozsahu lidského oka a LCD monitoru zjišťujeme, že dynamický rozsah monitoru je mnohem nižší: 

Porovnání dynamického rozsahu oka / HDR / LCD

 

Senzory

Pro rendering a jasové simulace SPEOS používá dva typy detektorů – senzorů. 

Radiance Sensor – pro měření radiance (Watt/sr/m²) a luminance (Cd/m²). Přičemž luminance měří viditelnou část spektra, tudíž je vhodný, pokud budeme vyhodnocovat výsledky pomocí Human Vision algoritmů.

 

Human Eye Sensor – umožňuje přesně simulovat Human Vision. U tohoto senzoru bereme v úvahu parametry jako jsou zorné pole, hloubka ostrosti, ostrost vidění (vázána na průměr zornice) pozorovatele a další. Tento senzor měří luminanci (Cd/m²).

 

Příklad Human Eye senzoru

 

Pamatujme prosím, že lidské vidění je dynamický proces zahrnující mnoho mozkových aktivit. I když se barevné vidění s vysokým rozlišením nachází pouze v centrální oblasti vidění, mozek stále rozšiřuje, v menším detailu, periferní vidění na základě toho, co viděl a co by tam podle něj mělo být. 

Neustále, bez povšimnutí, měníme ostřící vzdálenost, přičemž mozek stále drží v paměti „vzpomínky“ ostrých obrazů. Výsledky Human Eye senzoru tedy můžou ukazovat silné rozostření v popředí a pozadí. V reálu si toto neuvědomuje, protože se oko při pohybu skrze viditelnou scénu stále adaptuje. 

Human Eye senzor většinou pomáhá porozumět dopadu na pozornost při zaměření na konkrétní informace. Může nám pomoci například rozhodnout tyto situace: Postřehnu varovné světlo na mé palubní desce, když svou pozornost soustředím na silnici? Jsem schopen přečíst informace na Head-up displeji, když na čelní sklo dopadá déšť nebo je znečištěné?

 

Důležité je zmínit, že Human Vision je dostupné pouze pro SPEOS Enterprise licenci.