A foveális felbontás, vagyis a szem központi látóterének maximális részletfelbontása kulcsfontosságú tényező a vizuális élmény és a kijelzők fejlesztése szempontjából. Egy friss kutatás során achromatikus (szürkeárnyalatos), vörös-zöld és sárga-lila minták felbontási határait mérték különböző excentricitásoknál, azaz a foveától való távolság függvényében. Az eredmények jelentős betekintést nyújtanak abba, hogy milyen részletességet képes az emberi szem érzékelni, és hogyan változik ez a látótér peremén.
A foveális felbontás mérése és eredményei
A vizsgálat során 18 megfigyelővel mérték a legmagasabb megbízhatóan érzékelhető felbontást pixelek per fok (ppd) egységben kifejezve. Ez az érték azt mutatja meg, hogy hány pixelnyi részletet képes az emberi szem egy fokos látószög alatt megkülönböztetni. A térbeli frekvencia (ciklus per fok) ennek az értéknek a fele.
Kétféle próbatételt alkalmaztak: egy magas kontrasztú Gabor-patch felismerését, valamint fekete-fehér és fehér-fekete (sötét módot szimuláló) szövegfelismerést. Az eredmények azt mutatták, hogy a foveális látás esetén az achromatikus minták esetében átlagosan 94 ppd volt a felbontási határ, míg vörös-zöld mintáknál 89 ppd, sárga-lila mintáknál pedig 53 ppd körül alakult.
A 20/20-as látás és a valós foveális felbontás
Hagyományosan a 20/20-as látást tekintik az emberi szem élességének szabványos mércéjének, amely kb. 60 ppd-nek felel meg. Ez az érték abból ered, hogy a Snellen-táblán a legkisebb betűk 5 ívpercnyi szöget foglalnak el, és ezek kritikus részletei 1 ívpercet tesznek ki.
Azonban kísérleti adatok szerint fiatal, egészséges szemű emberek gyakran ennél jobb élességgel rendelkeznek: átlagosan 94 ppd körüli értékeket mértek, egyes egyének pedig akár 120 ppd-re is képesek lehetnek. Ez azt jelenti, hogy a jelenlegi kijelzők – például az Apple iPad Pro Ultra Retina XDR kijelzője, amely kb. 65 ppd-t kínál – nem érik el az emberi retina maximális felbontását.
Fontos megjegyezni: A magas kontrasztú tartalmak, mint például a szöveg, általában maximális kontraszttal jelennek meg, így ezek érzékelési küszöbe jól összevethető a Gabor-patch eredményekkel.
Színérzékelés és kromatikus csatornák szerepe
Különösen érdekes volt megfigyelni, hogy a vörös-zöld minták foveális felbontása közel azonos volt az achromatikus mintákéval (89 ppd vs. 94 ppd). Ez arra utal, hogy az emberi szem vörös-zöld opponens színcsatornája sokkal érzékenyebb lehet, mint ahogy azt korábban feltételezték.
Ezzel szemben a sárga-lila irányban mért felbontás jóval alacsonyabb volt (53 ppd), ami alátámasztja azt az elképzelést, hogy csak ebben az irányban igazán indokolt a kromatikus csatornák felbontásának csökkentése (chroma subsampling), amit például JPEG vagy H.265 videóformátumok is alkalmaznak.
Felbontási határ változása perifériás látásban
A kutatás megerősítette azt is, hogy ahogy távolodunk a foveától (növekszik az excentricitás), úgy csökken jelentősen a felbontási határ:
- Achromatikus mintáknál kb. 2,3-szoros csökkenés 0°-ról 10°-ra.
- Vörös-zöld mintáknál közel 4,9-szeres csökkenés ugyanebben a tartományban.
- Sárga-lila mintáknál hasonlóan kb. 4,8-szoros csökkenés.
Ez arra utal, hogy perifériás látásban különösen fontos lehet figyelembe venni a kromatikus csatornák eltérő érzékenységét például foveált renderelési technikák vagy tömörítési eljárások optimalizálásakor.
A felbontási határ modellezése Watson-modell segítségével
A kutatók Watson (2018) által javasolt kontrasztérzékenységi modellt alkalmazták az adatok interpolálására és extrapolálására:
log(S^c(e,ρ)) = log(S_0^c) + k_ρ^c (1 + k_e^c e) ρ
ahol:
- Sc: adott színcsatorna kontrasztérzékenysége
- S0c: alapérzékenység más paraméterektől függően
- kρc,kec: modellparaméterek térbeli frekvencia és excentricitás szerinti lineáris csökkenésre
- e: excentricitás (foveától való távolság)
- ρ: térbeli frekvencia (ciklus/fok)
A modell segítségével pontosan meghatározhatóak voltak az egyes színcsatornák érzékenységi küszöbei különféle excentricitásokon.
A populációs variabilitás jelentősége
A vizsgálat rámutatott arra is, hogy jelentős eltérések vannak az egyének között: míg egy átlagos megfigyelő kb. 22 ppd-t képes érzékelni 20° excentricitáson, addig a populáció felső 5%-a akár 35 ppd-re is képes lehet ugyanott.
Ezek az eltérések fontosak lehetnek például kijelzők tervezésekor vagy szabványok kialakításakor: érdemes olyan paramétereket választani, amelyek nem csak átlagos használóra vannak optimalizálva, hanem szélesebb kör számára biztosítják a megfelelő vizuális élményt.
Kijelzők és nézési távolságok – gyakorlati alkalmazások
A kutatás során összevetették az ITU-R BT.2100-23 ajánlott nézési távolságokat különféle kijelzőfelbontásokhoz (Full HD / FHD, 4K és 8K) saját modelljük predikcióival:
- FHD: Az ajánlott nézési távolság (3,2 kijelzőmagasság) nem elegendő ahhoz, hogy minden részlet látható legyen; legalább 6 kijelzőmagasság szükséges.
- 4K: Az ajánlott tartomány (1,6–3,2 kijelzőmagasság) konzervatívnak bizonyult; ennél közelebb ülve már nem nyújt lényeges előnyt.
- 8K: A modell szerint nincs jelentős haszna ennél nagyobb távolságból (>1,3 kijelzőmagasság) nézve.
Ezek alapján javasolt lehet új szabványok kialakítása vagy meglévők frissítése annak érdekében, hogy jobban igazodjanak az emberi látórendszer valós képességeihez.
Példa: Foveált renderelés optimalizálása
A foveált renderelés technikája – amelyet sok XR headset használ – dinamikusan csökkenti a képminőséget attól függően, hogy mennyire van egy adott képrészlet távol a tekintet központjától. Ez jelentős számítási és sávszélesség-megtakarítást tesz lehetővé.
A kutatás eredményei alapján pontosabban meghatározhatóak azok a küszöbszintek achromatikus és kromatikus kontrasztokra vonatkozóan is, amelyek alatt már nem érzékelhető minőségromlás történik. Egy egyszerűsített foveált szűrési eljárással egy kép DKL színtér szerinti komponenseit frekvenciasávokra bontották és eltávolították azon komponenseket, amelyek kontrasztja nem haladta meg az adott excentricitáshoz tartozó érzékelési küszöböt.
Következtetések
- A foveális felbontási határ jelentősen meghaladja a hagyományosan elfogadott 60 ppd értéket – átlagosan közel 94 ppd körül van egészséges fiatal populációban.
- A vörös-zöld kromatikus csatorna felbontása hasonló az achromatikuséhoz, így nem indokolt annak jelentős csökkentése minden esetben.
- A perifériás látásban gyorsabb romlást mutatnak kromatikus minták esetén; ez fontos információ lehet foveált renderelési vagy tömörítési technológiák fejlesztésénél.
- A populációs eltérések miatt célszerű olyan technológiai szabványokat kialakítani, amelyek nem csak átlagos használóra optimalizálnak.
- A jelenlegi nézési távolság ajánlások konzervatívak vagy pontatlanok lehetnek; új modellek segíthetnek ezek finomhangolásában.
- A kutatás eredményei gyakorlati alkalmazásokhoz is vezethetnek pl. XR eszközök foveált renderelésének optimalizálása révén.
Összességében ez a kutatás új perspektívát nyújt arra vonatkozóan, hogyan érthetjük meg jobban az emberi szem valós teljesítményét különféle fény- és színmintázatok esetén – ez pedig alapvetően befolyásolja mindennapi digitális eszközeink fejlesztését és használatát.