Occhio digitale? | Approfondimento

Può l’occhio umano avere una risoluzione e un Refresh Rate come un monitor o una fotocamera? Scopriamolo con questo approfondimento!

Con il progresso tecnologico in rapido sviluppo, le nostre schede grafiche, monitor e fotocamere digitali hanno compiuto salti da gigante se paragonate a ciò che offriva il mercato circa 10 anni fa.

Ciò che invece non è cambiato, da milioni di anni, è la meravigliosa macchina biologica che è l’uomo. Ancora oggi nemmeno i super computer più prestanti sono riusciti a raggiungere  la potenza di calcolo del nostro cervello. Ci basti pensare che nel 2011 il Super computer K Computer impiegò ben 40 minuti per simulare solo l’1% dell’attività celebrale svolta in un singolo secondo, e noi in moltissime attività che compiamo giornalmente nemmeno ci rendiamo conto di quanto facciamo uso della nostra materia grigia. Questo ci fa intuire che i computer dovranno attendere almeno altri 15-20 anni per raggiungere potenze di calcolo che vanno ben oltre l’exaflop, così da poter “simulare” porzioni più grandi di cervello. Anche i progressi scientifici che l’umanità ha svolto nell’arco di 100 anni sono decisamente impressionanti, ma siamo purtroppo ancora lontani rispetto a qualsiasi film o videogioco fantascientifico in cui gli uomini entrano in simbiosi con le nanobiotecnologie.

Molto spesso le comunità di videogiocatori, tra una console war e un PC master race, accendono varie discussioni che spesso infiammano il web: tra queste, è ricorrente la questione sul frame rate e su quanto esso possa essere ritenuto “accettabile” per videogiocare. Ma capita che alcuni utenti curiosi si chiedano “quanti fotogrammi l’occhio umano riesce a percepire” e ” quanti megapixel ha l’occhio umano”. Con questo speciale andremo a conoscere la fisionomia dell’occhio umano e come esso funziona.

Lezioni di Anatomia del Gray

Diamo uno sguardo più dettagliato alla fisionomia dell’occhio umano (NdR. si , mi sento decisamente spiritoso oggi). L’occhio umano o bulbo oculare è l’organo responsabile del senso della vista. Esso è formato da vari componenti che andremo a visionare nello specifico tra poco, ma in sostanza l’occhio ci permette di percepire l’ambiente circostante grazie all’elaborazione delle onde elettromagnetiche della luce, e le riproduce in un segnale elettrico sul nostro nervo ottico che invia i segnali al cervello.
Quando osserviamo un oggetto, un complesso sistema di lenti permette al nostro occhio di convertire correttamente ciò che vediamo in un segnale elettrico che dal nervo ottico arriva al nostro cervello. La prima lente che permette questa conversione si chiama Cornea, una struttura di forma ellittica che confina con la Sclera tramite il Limbo. Questa parte dell’occhio ha un sistema di rigenerazione sorprendentemente veloce. Poco sotto la cornea troviamo ciò che gli uomini e le donne amano quando osservano una persona: l’iride. Questa membrana, che può assumere moltissime colorazioni, svolge una funzione di diaframma che permette di regolare la quantità di luce che colpisce la retina e migliora la profondità di messa a fuoco, aumentando e riducendo il foro chiamato Pupilla. Sotto la Pupilla troviamo la seconda lente del nostro occhio: il Cristallino. Questo piccolo organo è il principale responsabile di tanti problemi della vista che ci costringono a indossare gli occhiali…grazie a dei microscopici muscoli, il cristallino si deforma permettendo la messa a fuoco dell’immagine in base alla distanza che ci separa dall’oggetto. Più diventiamo anziani, più questa piccola parte dell’occhio diventa rigida, e risulterà più lenta e difficile la messa a fuoco. All’interno dell’occhio troviamo un gel incolore chiamato corpo vitreo che svolge varie funzioni: dal garantire a tutti gli organi del bulbo oculare di restare al loro posto mantenendo la fisionomia dell’occhio, fino a fagocitare sostanze estranee presenti all’interno di esso (quando si dice “ti mangia con gli occhi”). Quando ci troviamo ancora nell’utero materno, un piccolo canale chiamato Canale Ialoideo porta nutrimento al cristallino, ma dopo la nascita e durante la crescita questo piccolo condotto non svolge più la sua funzione, e in età adulta viene completamente eliminato.

Sulla superficie interna vicino al nervo ottico è presente una membrana di estrema importanza: la Retina. Molto probabilmente ricorderanno questa parola associata ad alcuni dispositivi di una nota marca produttrice, ma in realtà qui ci riferiamo a una sottilissima membrana dove sono presenti i Coni e i Bastoncelli. I bastoncelli, come suggerisce il nome, sono delle cellule a forma di bastoncino che hanno una  funzione di fotorecettori che garantiscono la vista in condizioni di scarsa visibilità, “considerando” solo il bianco e nero (visione Scotopica) per definite i contorni degli oggetti. Queste cellule producono una sostanza chiamata rodopsina (11-cis-retinale) che reagisce chimicamente alla luce cambiando la sua struttura in pochissimi istanti (si parla di picosecondi: un millesimo di miliardesimo di secondo o millesimo di nanosecondo). Le cellule Cono hanno una funzione complementare ai Bastoncelli, e si trovano in grande quantità nella zona centrale della retina (fovea) che garantisce la visione fotopica che ci permette di leggere, guidare e percepire le variazioni cromatiche.

Nell’occhio umano esistono 3 tipi di coni che si differenziano per la sensibilità a certe frequenze d’onda che corrispondono al rosso, verde e blu.  Sono coni che definiscono la risoluzione dell’occhio e inoltre riescono a percepire le variazioni delle immagini ancora più velocemente dei bastoncelli. Sia i coni che i bastoncelli convertono le immagini in impulsi elettrici che vengono inviati al cervello tramite il nervo ottico.
Piccola curiosità: ricordate la famosa gif della ballerina che eseguiva una piroetta ma non si capiva in quale verso? adesso sapete perché: l’immagine, essendo in bianco e nero, non permette alle cellule cono di individuare variazioni cromatiche che permettono di stabilire la giusta rotazione della ballerina.

L’illusionista per eccellenza

Come abbiamo potuto capire, l’occhio umano funziona in modo completamente diverso rispetto a una fotocamera digitale: primo tra tutti, l’occhio funziona continuamente poiché milioni di cellule tra coni e bastoncelli compiono i loro cicli di “conversione” inviando costantemente informazioni al cervello: l’illusionista per eccellenza. Infatti, se non ci fosse il cervello che elabora le immagini che percepiamo, noteremo che la nostra vista  presenta moltissimi difetti. Il nostro cervello riceve da entrambi gli occhi tutte le informazioni inviate tramite il nervo ottico, e rielabora i dati dandoci una percezione della realtà. La prima informazione che il cervello ignora (che noteremo solo se ci concentriamo o se chiudiamo un occhio) è il nostro naso: che sia un bel naso o bitorzoluto, il nostro cervello, grazie alla rielaborazione, crea una percezione rielaborando in tempo reale le informazioni ciò che gli occhi vedono. La rielaborazione consiste nel “ritagliare e correggere” le informazioni inviate dagli occhi compensando i difetti di questi organi, e nel frattempo cercare di dare anche un senso a ciò che gli occhi osservano. Ciò causa spesso confusione ed effetti strani quando si osservano determinate immagini: 

Giochiamo con i nostri occhi e il nostro cervello

In una stanza ben illuminata, osservate tutti gli oggetti che vi circondano muovendo gli occhi mantenendo ferma la testa. Adesso coprite un occhio a vostra scelta e osservate nuovamente la stanza. La prima cosa che noterete fin da subito è che la vostra visione periferica è decisamente ridotta e poco definita rispetto a prima.

Prendete un foglio di carta e disegnate un pallino grande circa 2 centimetri di diametro, tenendo lo sguardo fisso su un punto della stanza a scelta, tendete il braccio con il foglio e muovetelo dal centro verso gli estremi della vostra visione cercando di seguire, senza muovere gli occhi, il pallino. Nulla di strano fin qui. Adesso provate a chiudere un occhio e riprovate a eseguire lo stesso esperimento. Noterete, dopo vari tentativi, che a un certo punto il pallino scomparirà dalla vostra vista (potete fare la stessa cosa aprendo Paint e disegnando un punto al centro dello schermo: fissandolo, dovete far muovere il puntatore del mouse). Questa stregoneria è causata dal fatto che nella zona in cui la retina incontra il nervo ottico non sono presenti i coni e bastoncelli, e di conseguenza non si riesce a vedere. Se provate a muovervi nella stanza con un occhio coperto, noterete anche che non riuscite nemmeno a percepire la reale distanza tra voi e i vari oggetti presenti nella stanza. Con questi esperimenti abbiamo visto cosa fa il nostro cervello mentre ci occupiamo di vari aspetti della nostra vita.

Questioni di risoluzione

Ma se volessimo per forza fare un paragone con un prodotto digitale, quali sarebbero le caratteristiche dell’occhio umano? Ci arriveremo tra poco, ma occorre prima capire quale sia il concetto di risoluzione. Immaginiamo di trovarci su un’autostrada, e mentre percorriamo un rettilineo osserviamo tramite lo specchietto retrovisore che in lontananza c’è un veicolo che ci raggiunge, ma si trova ancora a grande distanza perché si possa distinguere la tipologia di veicolo..è un auto? una moto? Come facciamo a capirlo? La risposta alla nostra domanda arriverà solo quando questo veicolo sarà sufficientemente vicino a noi per distinguere i fari: se sono due, allora stiamo osservando un’automobile; se è solo un faro, è una moto (permettetemi la semplificazione). La distanza che ci permette di identificare se il veicolo è una moto o un’auto viene chiamata risoluzione. In termini scientifici, viene definita risoluzione angolare l’angolo minimo che i nostri occhi hanno bisogno per distinguere le due fonti luminose dei fari dell’automobile appena svanisce l’effetto della diffrazione. Maggiore sarà la risoluzione, più da lontano potremo distinguere il veicolo che percorre l’autostrada. 

Tecnologia contro biologia

Dato che un occhio umano riesce a rientrare in alcuni parametri in cui gli apparecchi come fotocamere e videocamere vengono caratterizzate, è possibile, in un certo modo, conoscere quanti megapixel sia il nostro occhio umano. Considerando che l’occhio umano ha una visione di 180°, alcuni studiosi hanno teorizzato che l’occhio umano raggiuga la ragguardevole risoluzione di 576 megapixel. Ma c’è un problema… e anche bello grosso! La nostra visione diventa sempre meno definita man mano che si sposta verso la periferia, cosa che non accade con una fotocamera o una videocamera. Di conseguenza, la reale risoluzione (centrale) dei nostri occhi è di soli 7 megapixel. Non vi preoccupate, non abbiamo degli organi così “pessimi”….dobbiamo ricordarci che gli occhi non funzionano con lo stesso concetto di “megapixel” che utilizziamo per descrivere la qualità di un dispositivo di cattura. Prima di tutto, dobbiamo prendere in considerazione il fatto che i nostri occhi non sono “digitali” e il loro refresh rate dipende dallo stato psicologico della persona.

24, 30, 60 o 144? Chi offre di più?

Come detto precedentemente, gli occhi umani non possono essere paragonati ad un prodotto digitale che deve eseguire operazioni ben precise in frazioni  di tempo prestabilite (FPS, Hz clock si basano tutti sul tempo). Per ingannare il cervello basta una sequenza di 24 fotogrammi in un secondo per dare l’illusione del movimento, come succede in moltissime pellicole cinematografiche. Ma che cosa succede se aumentiamo il frame-rate? Aumentando la frequenza dei fotogrammi, aumenteranno le informazioni che il cervello percepirà per trasformare la sequenza in un “video” con una maggiore fluidità dell’animazione.

E se si va oltre? Si arriverà ad un certo punto in cui gli occhi non riusciranno a percepire distintamente i movimenti troppo veloci rispetto alla capacità di “cattura”; queste informazioni, che verranno ottenute comunque dal cervello, saranno “rappresentate” come un’immagine non definita e “sfuocata”: un esempio è quello che succede normalmente quando siamo in autostrada e osserviamo i cerchioni delle altre automobili, e non riusciamo a distinguere i vari componenti da cui sono formati. L’effetto sfuocato, comunemente conosciuto come effetto blur è un “sistema di protezione” che il cervello adotta quando un azione è troppo veloce rispetto all’elaborazione minuziosa di ogni singolo dettaglio, ma tale “limite” varia a seconda del livello di concentrazione della persona che riesce a raggiungere. In base alla concentrazione sarà possibile dilatare la percezione del tempo, permettendo di ridurre sensibilmente i tempi di reazione, e riuscendo in certi casi anche a dimezzarli. Per questo motivo, quando giochiamo a un first person shooter con un frame-rate elevato vediamo chiaramente anche le più piccole variazioni, e ci rendiamo conto di ciò che succede intorno a noi, sopratutto perché l’adrenalina scorrerà abbondantemente nelle nostre vene. Ciò non succederà a un osservatore esterno che non si trova nel nostro stesso stato, che vedrà solamente una sequenza frenetica di azioni pulite e precise chiedendosi da dove venga tutta la nostra abilità.

Purtroppo, il nostro cervello non riesce a mantenere per tanto tempo l’attenzione a ritmi così elevati, e se in quel momento stiamo eseguendo un titolo su uno schermo con un’altissima frequenza di aggiornamento è possibile che a fine partita ci sarà un bel mal di testa ad attenderci (ovviamente dipende da persona a persona). Questo problema era molto frequente per i vecchi videogiocatori che utilizzavano degli schermi a tubo catodico che riuscivano a raggiungere frequenze di aggiornamento che arrivavano addirittura a 150Hz sui modelli più economici. Con l’avvento dei pannelli ultra piatti, il problema si era nuovamente “marginato” poiché i pannelli raggiungevano al massimo 60Hz (ovvero 59.9 FPS su schermo).

Il motivo per il quale questi utenti soffrivano di forti mal di testa era dovuto dal fatto che se un oggetto si muove molto velocemente nel mondo reale, il cervello usa un effetto “sfuocato” facendoci concentrare su altre cose che succedono intorno a noi (per esempio cercare una via di fuga mentre un leone ci insegue). Questo effetto, fino a poco tempo fa non era presente in moltissimi videogiochi, e proprio per evitare disastrosi mal di testa i programmatori hanno aggiunto, tra le varie opzioni grafiche, l’effetto blur che come risultato finale ha donato ai videogiochi un effetto più “realistico” – al patto di avere un PC decisamente prestante.

Vale la pena conoscere le caratteristiche tecniche dell’occhio umano? Secondo wikipedia la “scheda tecnica” dei nostri bulbi oculari è la seguente:

  • risoluzione: 5M coni (equivalenti a 5M pixel a colori) + 100M bastoncelli (equivalenti a 100M pixel bianco/nero)
  • profondità colore coni: 10 000 000 (nel range dello spettro del colore visibile umano)
  • profondità colore bastoncelli: 2 (b/n)
  • definizione visione: 50 CPD (cycles per degree, equivalenti alla distinzione di una coppia di linee di 0.35 mm da 1 m)
  • contrasto: da 100:1 statico a 1 000 000:1 dinamico con tempo di risposta di circa 4 secondi (necessari all’adattamento)
  • apertura: da f/8.3 a f/2.1 con tempo di risposta fino a 30 secondi (necessari all’espansione/contrazione)
  • ampiezza angolo visivo: 155°h e 120°v (a parte la zona cieca di Mariotte, ovvero l’area d’innesto del nervo)
  • frame al secondo: benché circa 24 fotogrammi al secondo siano necessari a garantire l’illusione di movimento, frequenze di fotogrammi superiori forniscono una maggiore sensazione di fluidità e naturalezza dei movimenti a causa di un minor aliasing temporale.

Conclusioni

Siamo giunti alla fine di questo nostro percorso in cui abbiamo capito come è fatto l’occhio umano, e come la percezione dei fotogrammi dipenda esclusivamente dalla percezione del nostro cervello in quel determinato momento. Lasciate un commento per farci conoscere il vostro parere, e fateci sapere l’argomento che desiderate conoscere…nel prossimo approfondimento 🙂

Commenti

commenti

Nato a Maratea nel lontano 1989, il nostro caro Dexios ha intrapreso la carriera da Pc Gamer da quando aveva soli 4 anni davanti al 386 del padre con un gioco veramente tranquillo: DooM. Da allora non ha mai smesso di giocare e di coltivare la sua passione per i videogiochi e l’informatica (pensate, è diventato anche Analista dei miei c…oglioni programmatore). Scrivere per una rivista di videogiochi è sempre stato il suo sogno nel cassetto e ora finalmente il suo sogno è divenuto realtà… come la scimmia a tre teste… giusto?

Leave a Reply