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眼球结构:单目(又分单眼、双眼、多眼),复眼

来自主题:认识朋友系列

人类以及哺乳类动物类的眼睛叫单目,也就是说只有一个瞳孔和一个视网膜组成;
而蜻蜓、苍蝇等昆虫类的眼睛就是复眼,它里面有成千上万的小眼睛。
复眼特点是看得更宽、光谱更宽。

了解眼球结构,了解视觉成像原理
01看眼球外部、内部结构的视频
02看眼球结构模型

眼睛结构示意图+构造详解https://zhuanlan.zhihu.com/p/100890333


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进阶课:复眼结构

透视学不是别的,只不过是关于肉眼功能的彻底的知识。
眼睛的功能很简单:在一个锥体中摄进一切摆在眼前物体的形状和颜色。

单眼,复眼,成像结构是相似的 。

但是复眼的色锥体不是脊椎动物能比的。咱们是三色,有的无脊椎动物能到达12色 。那种成像出的颜色究竟是啥样子的? 可以让孩子们畅想一下,一定很好玩。


假如人眼是复眼结构,那和现在看到的世界有什么区别?

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复眼看东西是不清楚的,像打了马赛克一样,并且不具有像现在人类这么强大的颜色分辨能力。
画面完整性也不会被破坏,因为大脑已经把许多眼睛看到的不同图像整理到一起了,就像我们两只眼睛看到的图像不一样,我们却仍然只看到一幅画面。
单眼结构的优势在于成像精确,立体感强。复眼的优势是视野宽阔,对运动物体感知迅速。

拥有一双复眼是什么样的体验?
https://www.zhihu.com/question/27978827/answer/38900490

用昆虫的复眼看视频是什么样子的?昆虫复眼看世界&昆虫复眼视野
https://www.zhihu.com/question/340613384/answer/795728255

Nature:首个完全复现人眼的仿生眼问世,港科大造出半球形人工视网膜,感光性能超过人眼460倍
https://zhuanlan.zhihu.com/p/143697424

地球上有没有三只眼睛的生物?单目里的单眼、多眼。
https://www.zhihu.com/question/383544278/answer/1116515484




眼球的演化(注意,不是进化),从感光点后分成两支,单眼和复眼。
单眼结构的优势在于成像精确,立体感强。复眼的优势是视野宽阔,对运动物体感知迅速。


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苍蝇复眼的结构可以高效率吸收光能(不是多个单眼的结构,而是单眼表面有许多细小的细纹),使得可以加大太阳低角度时所能捕捉到的太阳能,人类正在研究根据苍蝇复眼所衍生出来的高效太阳能电池板,不过似乎还没量产。




【复眼(compound eye)】

之所以叫做复眼,是因为昆虫的眼睛有多个晶状体(lens),每一个晶体形成的视觉单元叫做小眼(ommatidium, ommatidia),每一个小眼向大脑输送一个像素(pixel)。一只蜻蜓有将近3万个小眼。所以,昆虫的眼睛其实是类似这个样子的。
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这是单个小眼的结构图。

当前已有科技公司,把这样的光学原理用在摄影成像技术上,称为复眼摄像机,据称能达到亿万级像素。
传统的光学成像技术,比如照相机、摄像机,大都是基于单目成像技术原理;而新兴的复眼成像技术的原理就是采用类似于昆虫眼睛的仿生结构,通过神奇的复眼算法有机组合多个单目望远凝视的视力,呈现一个和单目成像体验一致同时具有超高分辨率的画面,最直接的应用在于一部摄像机可以覆盖的监控范围更大,监控距离更远,实现宽、远、清的监控。
相关的产品有360度全景互动式转播系统 超高清大视角,亿级像素安防摄像机 超高清大视角,亿级像素安防摄像机
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相机成像原理?

胶片相机
相机其实就是利用了凸透镜的成像原理。一个凸透镜,设焦距为f(凸透镜能zhi汇聚光线,光线汇聚的一点叫做焦点,焦点到凸透镜中心的距离就是焦距),物距(物体到凸透镜中心的距离)为u,那么,当u>2f时,在凸透镜的另一边,放置一个不透明物体,物理学上称之为光屏,就能在光屏上得到一个与实物相同的像,但这个像是倒立并且缩小的。
相机就是这样的原理。传统相机前面会有一个凸透镜,就是我们说的镜头,这个凸透镜起到上面所说的作用。凸透镜的后面是暗室,暗室中放底片,底片上涂有感光物质。底片在暗室中,由于密封无光,所以不感光。当按下快门的一瞬间,快门打开,光经过凸透镜后进入暗室,在底片上成一个倒立缩小的像。快门开合的速度很快,最快的达到二千分之一秒完成。专业相机还可以控制快门开合的时间,让底片曝光久一点,达到自己想要的效果。
由于照相机用的凸透镜焦距比较小,所以总能使被拍照物体在二倍焦距以外,底片上总能形成一个倒立缩小的像。

数码相机
数码相机与传统相机的不同之处是,把底片换成了ccd。ccd是一种电子元件,当有光照射在上面时就能转换成电信号,当镜头把物体成像在ccd上面时,ccd就转换成电信号,一按快门就是把当前的相片保存下来。

【针孔相机】
针孔相机的原理十分简单,其成像依赖的就是光线直线传播的原理,大家在中学物理课堂上一定耳熟能详了。针孔的存在限制了光线可以传播的路径,光线直线传播后落在底片上,形成一个亮斑。物体上不同部位的光线在不同位置形成各自的亮斑,最后就可以得到一幅图像。
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要做一个针孔相机,一个关键的问题是,针孔相机的针孔应该开多大?粗看起来,这个问题似乎很容易回答:当然是越小越好。容易看出,物体上一点发出的光线,通过针孔在底片上行程一个亮斑,这个亮斑的大小与针孔的大小是成正比的,用
D 代表模糊光斑的大小,用 d 代表针孔的直径,那么 。针孔越大,对光线的限制就越小,物体上一个点发出的光线落到底片上形成的亮斑就越大,最后得到的像就越模糊;针孔越小,对光线的限制就越大,要是只有「一根」光线能通过,成的像一定就无比清晰了。不同尺寸的针孔成像结果:
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事实上并不是这么简单的。以上的分析都基于几何光学,忽略了光线的波动性。当针孔越来越小,光的波动性就会逐渐变得明显,衍射效应将越来越不可忽视。衍射效应带来的影响,使得光在通过针孔之后不再沿直线前进,而是有所扩散。在远场近似条件下(然而这个近似的使用是有条件的,参见最后一节的讨论),可以用夫琅禾费衍射对光强分布进行计算。根据夫琅禾费衍射的计算结果,衍射之后光斑的大小,与针孔的直径成反比。

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