Презентация iPhone 4 в 2010 году запомнилась многим не только самим устройством, но и громким заявлением о новой технологии. Именно тогда компания Apple впервые представила миру дисплей Retina. Название происходит от английского слова «retina» — сетчатка глаза. Стив Джобс утверждал, что инженеры разместили в экране ровно столько пикселей, сколько необходимо человеческому глазу, чтобы перестать их замечать. Тогда этот показатель составлял 326 пикселей на дюйм.

Однако возникает закономерный вопрос: как именно был произведён этот расчёт? Откуда известно, сколько пикселей способен различить глаз?

Несмотря на то, что Retina от Apple — скорее красивый маркетинговый термин (позже появились вариации: Retina HD, Super Retina HD, Liquid Retina и даже Retina 4K), при том что человеческий глаз остался прежним, теоретически разрешение зрительной системы вычислить можно. Правда, задача это непростая.

Противоречивые данные о разрешении глаза

Беглый поиск в интернете на тему «сколько мегапикселей в человеческом глазу» выдаёт крайне противоречивые результаты — от 120 до 576 мегапикселей. При более глубоком изучении вопроса обнаруживаются и противоположные оценки: всего один мегапиксель. Откуда такой разброс? Где находится истина? И если наше зрение настолько ограничено, зачем производители создают камеры на 200 мегапикселей и мониторы с разрешением 8K?

Чтобы разобраться в этих вопросах, были изучены многочисленные научные источники. В этой статье мы постараемся выяснить, как устроена наша зрительная система, что в ней можно считать аналогом пикселей, как обрабатывается визуальная информация, почему цифровые сенсоры могут вводить нас в заблуждение, чем человеческое зрение похоже на работу камер и как наша зрительная система повлияла на развитие технологий.

Строение глаза: биологическая камера

Как многие знают из школьного курса биологии, строение человеческого глаза во многом напоминает устройство цифровой камеры. Любая камера, например, в современном смартфоне, состоит из двух основных элементов: матрицы и оптической системы линз. Матрица включает в себя пиксели — чем их больше, тем качественнее получается изображение. Линзы фокусируют световой поток на матрицу.

Существует и третий важный компонент — процессор, обрабатывающий полученную информацию. К этому аспекту мы обязательно вернёмся позже.

В человеческом глазу роль линзы выполняет хрусталик. Он способен изменять свою форму благодаря специальным мышцам, что позволяет нам фокусироваться на объектах, расположенных на разном расстоянии. Аналогом матрицы служит сетчатка — именно о ней говорил Стив Джобс, давая название технологии Retina. Сетчатка занимает значительную площадь внутренней поверхности глазного яблока.

Два типа светочувствительных рецепторов

Из школьного курса биологии многие помнят, что на сетчатке располагаются два типа светочувствительных рецепторов: палочки и колбочки. Они получили такие названия благодаря своей форме. По-английски они называются rods и cones — то есть стержни и конусы, что звучит несколько понятнее.

Палочки: рецепторы ночного зрения

Палочки отвечают преимущественно за ночное зрение. Их главная особенность заключается в том, что они воспринимают в основном яркость, а не цвет. В глазу здорового человека насчитывается от 115 до 120 миллионов палочек.

Самое удивительное свойство палочек — их невероятная чувствительность. Для активации одного рецептора достаточно всего двух-трёх фотонов — мельчайших частиц света. Именно благодаря палочкам наши глаза способны адаптироваться к темноте и различать движение в условиях низкой освещённости. По сути, палочки — это те «пиксели», которые не особенно хорошо распознают цвета, зато превосходно улавливают свет и обеспечивают зрение в ночное время.

Колбочки: рецепторы цветного зрения

Второй тип рецепторов — колбочки — отвечает за цветное изображение. Благодаря наличию определённых светочувствительных пигментов существует три типа колбочек: красные, синие и зелёные. Каждый тип отвечает за восприятие своего цвета. В здоровом глазу насчитывается около 7 миллионов колбочек.

Важная особенность: колбочки распределены по сетчатке совершенно неравномерно, но об этом — чуть позже.

Итак, если сложить количество палочек и колбочек, получится 120 плюс 7, то есть около 127 миллионов светочувствительных рецепторов. Значит ли это, что разрешение человеческого глаза составляет примерно 127 мегапикселей? Не совсем. Вернее, совсем не так. Давайте углубимся в детали.

Группировка рецепторов: биологический бининг

Здесь необходимо учесть ещё один важный аспект: пиксели — как в камере, так и в глазу — обычно работают не по отдельности, а собраны в группы.

В цифровых камерах эта технология называется биннингом пикселей. Обычно их объединяют в группы по 4 или 9 штук, чтобы получился один большой квадратный пиксель. Это делается для того, чтобы захватить больше света или избавиться от цифровых шумов. Важное уточнение: в цифровых камерах каждый отдельный пиксель всё равно напрямую подключается к процессору, даже если объединён в группу. Поэтому камера на 48 мегапикселей может снимать как в 48-мегапиксельном режиме, так и в 12-мегапиксельном — в зависимости от настроек.

В человеческих глазах существует аналогичный процесс. Палочки и колбочки объединяются в группы по десятку, сотне и даже тысяче штук. Принципиальное отличие от цифровых камер заключается в следующем: если в технике каждый пиксель подключается отдельным проводом, то в биологической системе отдельным нервным волокном подключается целая группа рецепторов.

Ганглионарные клетки: ограничение пропускной способности

Эти нервные волокна называются ганглионарными клетками. Получается, что мозг получает информацию не от всех 127 миллионов рецепторов напрямую, а только от объединённых групп. Это известная и точно измеренная величина: у человека всего около 1 миллиона таких ганглионарных клеток в каждом глазу.

По этой логике разрешение человеческого глаза составляет всего лишь 1 миллион датчиков, то есть 1 мегапиксель. Но что-то здесь не сходится.

Один мегапиксель — это приблизительно разрешение обычного HD-монитора: 1280 на 720 точек. Если запустить изображение в таком разрешении на большом экране, легко заметить зернистость. Очевидно, что с этим подходом что-то не так: мы видим окружающий мир значительно чётче, чем картинку в 720p.

Главный секрет: неравномерное распределение рецепторов

В чём же разгадка? Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть главную особенность строения сетчатки человеческого глаза. Помните, ранее упоминалось неравномерное распределение палочек и колбочек? Именно здесь кроется ключ к пониманию.

Если изобразить концентрацию двух типов рецепторов в разных частях сетчатки на графике, обнаруживается поразительная картина: практически все рецепторы, создающие чёткое цветное изображение (то есть колбочки), сосредоточены в крошечной точке нашей «матрицы», расположенной примерно посередине. Резкий скачок на графике отмечает это место.

Эта область называется центральной ямкой, или по-латински — fovea (фовеа). При этом палочки, отвечающие за чёрно-белое зрение, в основном распределены по периферии сетчатки.

Центральная ямка: зона максимального разрешения

Самое интересное заключается в следующем: колбочки, расположенные в центральной ямке, в основном подключены к мозгу отдельными нервными волокнами — это сделано для улучшения качества итоговой картинки. Именно здесь они находятся в приоритете. Именно их можно назвать классическими пикселями, как в камере смартфона.

Повторим эту важную информацию: самые качественные, цветные и чёткие рецепторы сетчатки сконцентрированы в самом центре этой биологической матрицы. При этом они занимают очень мало места — около одной шестой процента площади всей сетчатки.

Чтобы представить, насколько это мало: вытяните руку вперёд — площадь ногтя на пальце приблизительно соответствует тому участку поля зрения, который обрабатывается центральной ямкой с максимальным разрешением.

Это полностью соответствует нашему повседневному опыту. Для того чтобы внимательно рассмотреть предмет или прочитать текст, мы переводим взгляд непосредственно на него — то есть буквально рассматриваем его центральной ямкой.

Вычисление плотности пикселей глаза

Насколько впечатляющей является эта технология? Давайте вычислим в технических величинах и определим DPI (dots per inch — точек на дюйм) для человеческого глаза, а точнее, для центральной ямки.

Плотность колбочек в центральной ямке — известная величина. В среднем она составляет около 150 тысяч рецепторов на квадратный миллиметр, или примерно 96 миллионов на квадратный дюйм (поскольку квадратный дюйм значительно больше квадратного миллиметра).

Однако это количество точек на площадь (на квадратный дюйм), а нам необходимо пересчитать на единицу длины (на линейный дюйм). Сделать это несложно: нужно извлечь квадратный корень из 96 миллионов. Получается примерно 9800 точек на дюйм.

Итого: плотность пикселей человеческого глаза в самой насыщенной рецепторами точке составляет примерно 9836 DPI.

Сравнение с цифровой техникой

Много это или мало? Для сравнения: топовая камера Hasselblad H6D-400c (актуальная на 2024 год профессиональная среднеформатная камера стоимостью несколько миллионов рублей) имеет плотность пикселей примерно 3000 DPI. Получается, что наш глаз в лучшем месте примерно в три раза превосходит самую совершенную коммерческую фототехнику.

Слепое пятно: конструктивный недостаток

Вернёмся к графику распределения рецепторов на сетчатке. Возможно, вы заметили на нём странную пустую область недалеко от центра — там нет ни палочек, ни колбочек. Это так называемое слепое пятно нашего глаза.

Существует простой способ обнаружить его прямо сейчас. Представьте изображение с двумя символами, расположенными на некотором расстоянии друг от друга (например, крестик в кружочке слева и просто крестик справа).

Если открыть это изображение на большом экране, закрыть правый глаз и смотреть левым глазом на левый символ, то при определённом расстоянии от экрана правый символ полностью исчезнет из поля зрения.

Причина слепого пятна

Что происходит? Абсолютно все сигналы от палочек и колбочек отправляются в мозг по зрительному нерву. Особенность заключается в том, что его соединение с глазом находится непосредственно на сетчатке.

Поэтому в этом месте нет никаких светочувствительных рецепторов. Это и есть причина существования слепого пятна — единственного серьёзного конструктивного недостатка нашей зрительной системы.

Другие визуальные помехи

Кроме того, глаз нуждается в постоянном питании, поэтому глазное яблоко покрыто сетью кровеносных сосудов, которые постоянно снабжают ткани энергией. Эти сосуды также находятся перед сетчаткой и теоретически должны попадать в поле зрения.

Если представить, что мы видим в действительности без обработки мозгом, картина выглядела бы примерно так: чёрный круг слепого пятна, сеть кровеносных сосудов, серое изображение по периферии (поскольку там в основном палочки, не различающие цвета), и даже собственный нос, если смотрим прямо.

Слишком много визуального «шума». Но как же так получается, что в итоге мы видим потрясающую, широкую, чёткую, цветную и детализированную картину окружающего мира?

Роль мозга: мощная нейросеть обработки изображений

Вы, вероятно, догадались, что без мощной нейронной сети здесь не обошлось. Мозг — это тот инструмент, который в совершенстве освоил обработку изображений и работает с феноменальной скоростью.

Компенсация слепого пятна

Проблема слепого пятна решается достаточно элегантно: мозг совмещает изображения от двух глаз. Поскольку слепые пятна находятся в разных местах относительно общего поля зрения, они взаимно компенсируют друг друга. Похожим образом мозг избавляется от изображения носа и кровеносных сосудов.

Переворот и раскрашивание изображения

Наконец, изображение переворачивается (поскольку на сетчатке оно проецируется в перевёрнутом виде) и становится чётким и цветным по всей площади.

Если с переворотом всё понятно, то как изображение становится цветным по всему полю зрения, если колбочки сосредоточены только в центре? Фишка заключается в том, что ежесекундно глаза совершают множество микродвижений, которые называются саккадами. Глаза постоянно сканируют окружающее пространство, а мозг объединяет эти снимки и превращает их в видеоряд превосходного качества.

Это похоже на заполнение пустых фрагментов пазла, только происходит очень быстро. После того как мозг узнаёт, как окрашен тот или иной объект, ему остаётся сопоставлять всю полученную информацию и объединять её в итоговую картину. Поэтому мы знаем, какого цвета объекты, находящиеся на периферии зрения.

Это немного напоминает раскрашенную версию чёрно-белого фильма, но мозг справляется с этой задачей значительно лучше любой технологии колоризации.

Получается, что мозг по сути дорисовывает существенную часть той картинки, которую мы видим. Это важная информация, которую необходимо осознать.

Расчёт оптимального разрешения экрана

Наконец, перейдём к центральному вопросу: сколько точек на дюйм должно быть у экрана смартфона, лежащего в руке, чтобы мы не замечали на нём пиксели?

Оказывается, рассчитать это не так сложно. Понадобится немного геометрии седьмого класса.

Геометрический подход

Мы уже выяснили, что DPI глаза в самом чётком месте (центральной ямке) составляет примерно 9836 точек на дюйм. Следовательно, размер одного такого «пикселя» на сетчатке будет равен 1/9836 дюйма.

Представим схему:

Пиксель на сетчатке
Хрусталик (линза глаза), через который проходит световой луч
Пиксель на экране смартфона в нашей руке

Пиксель смартфона должен быть такого размера, чтобы, пройдя через хрусталик, он спроецировался ровно в один пиксель сетчатки.

Получаются два подобных треугольника. Согласно школьному курсу геометрии, стороны подобных треугольников соотносятся пропорционально.

Известные величины:

Размер пикселя сетчатки: 1/9836 дюйма
Диаметр глазного яблока (расстояние от хрусталика до сетчатки): примерно 22 мм
Расстояние до смартфона: выберем 30 сантиметров (как учили в школе держать книгу)

Необходимо найти размер пикселя на экране смартфона (X).

Составляем уравнение из подобия треугольников:

X / (1/9836 дюйма) = 300 мм / 22 мм

Отсюда получаем, что X (размер искомого пикселя на экране смартфона) равен примерно 1/721 дюйма.

Это значит, что плотность пикселей на экране смартфона должна составлять 721 DPI, чтобы на расстоянии 30 сантиметров наш глаз не замечал отдельные пиксели.

Сравнение с реальными устройствами

721 точка на дюйм — это действительно много. За всю историю смартфоностроения только несколько моделей Sony Xperia достигали подобных показателей. Самая высокая плотность пикселей была у Sony Xperia XZ Premium 2017 года — там показатель составлял 807 DPI.

Вернёмся к iPhone 4. Получается, что он со своим экраном в 326 точек на дюйм даже близко не приближался к теоретически необходимому значению, и Стив Джобс немного слукавил. Из актуальных моделей (по состоянию на 2024 год) у iPhone 15 Pro показатель составляет около 460 DPI, что по-прежнему почти в полтора раза меньше необходимого.

Почему мы не видим пиксели?

Возникает закономерный вопрос: если средний показатель примерно в два раза меньше теоретически необходимого, почему мы всё равно не видим пиксели на современных экранах, и они не режут глаза?

Дело в том, что Apple и другие компании используют ряд хитрых технологий и улучшений, которые визуально скрывают от нас отдельные пиксели. Среди них:

Субпиксельный рендеринг (технология ClearType и её аналоги)
Сглаживание шрифтов и изображений
Особые матрицы расположения субпикселей (PenTile и другие)
Специальные покрытия экранов

Эти технологии заслуживают отдельного подробного рассмотрения.

Итоговый ответ: сколько же мегапикселей в глазу?

Из всего изложенного становится понятно: однозначно ответить на этот вопрос сложно просто потому, что аналогия с цифровой камерой неточная. Если в камере каждая область матрицы идентична, то в человеческом глазу это совершенно не так.

Различные подходы к расчёту

Вариант 1: 127 мегапикселей — по общему количеству светочувствительных рецепторов (палочек и колбочек) на сетчатке.

Вариант 2: 1 мегапиксель — по количеству ганглионарных клеток (нервных соединений с мозгом).

Вариант 3: около 164 мегапикселей — если провести мысленный эксперимент и учесть, что мозг подтягивает всё изображение до качества центральной ямки. Если умножить плотность рецепторов центральной ямки на площадь всей сетчатки, получится примерно 164 мегапикселя для одного глаза.

Какой вариант наиболее адекватен?

С практической точки зрения наиболее корректным представляется третий подход — около 160-170 мегапикселей эффективного разрешения с учётом работы мозга по обработке изображения. Именно такое разрешение соответствует нашему субъективному восприятию качества зрения.

Однако важно понимать, что это разрешение достигается не одномоментно, а складывается из множества быстрых движений глаз и последующей обработки мозгом. Это принципиально отличается от работы цифровой камеры, которая захватывает всё изображение одновременно с одинаковым качеством по всей площади кадра.

Влияние зрительной системы на развитие технологий

Понимание особенностей человеческого зрения имеет огромное значение для развития технологий отображения информации.

Оптимизация дисплеев

Производители дисплеев учитывают, что человек не способен равномерно воспринимать всё поле зрения с одинаковой чёткостью. Это позволяет:

Оптимизировать разрешение экранов (не гнаться за избыточными показателями)
Разрабатывать технологии фовеального рендеринга в VR-шлемах (максимальное качество только в центре, куда направлен взгляд)
Создавать эффективные алгоритмы сжатия видео

Развитие камер и компьютерного зрения

Изучение биологического зрения вдохновляет разработчиков камер и систем искусственного интеллекта:

Технологии HDR имитируют способность глаза адаптироваться к разному уровню освещённости
Системы автофокуса работают аналогично хрусталику
Алгоритмы шумоподавления учитывают особенности восприятия шума палочками
Обработка изображений нейросетями отчасти повторяет работу зрительной коры мозга

Заключение

Человеческий глаз — удивительный и сложный инструмент, который за миллионы лет эволюции был оптимизирован для решения конкретных задач выживания, а не для достижения максимального разрешения по всему полю зрения. Его конструкция представляет собой гениальный компромисс между качеством изображения, энергоэффективностью и скоростью обработки информации.

Неравномерное распределение рецепторов, наличие слепого пятна, ограниченное цветовое зрение на периферии — всё это кажется недостатками с точки зрения инженера. Однако благодаря невероятной вычислительной мощности мозга эти ограничения не только компенсируются, но и превращаются в оптимальное решение.

Современные технологии всё ещё далеки от того, чтобы полностью воспроизвести все возможности биологического зрения. И это при том, что наши глаза потребляют ничтожное количество энергии по сравнению с цифровыми системами обработки изображений.

Возможно, будущее технологий лежит не в попытках превзойти природу грубой силой (увеличением мегапикселей и вычислительной мощности), а в более глубоком понимании и применении тех элегантных решений, которые эволюция уже создала в наших глазах и мозге.