Nossos olhos, câmeras e lentes - parte 2

Acuidade visual e resolução

 

Por Eng. Claudio de Almeida

 

Esta é a segunda parte de um artigo sobre a visão e como ela se processa. Se você ainda não viu a primeira parte, recomendo que a leia antes, clicando neste link: Nossos olhos, câmeras e lentes - parte 1

Acuidade visual

Imagine algumas linhas horizontais que vão se afinando e se aproximando umas das outras até que as enxerguemos como sendo uma coisa só. Esse limite onde ainda as enxergamos separadamente determina a acuidade visual dos nossos olhos.

 

Estudos demonstraram que, em condições normais de iluminação, o olho humano possui a capacidade de distinguir pares de linhas separadas por um ângulo de visão de até um minuto de um grau, ou seja, 1°/60.

Para se entender como esse ângulo de um minuto de grau é pequeno, imagine um ângulo reto (90°), como o canto de uma sala. Divida esse angulo por 90 e você terá o valor de 1°, agora divida novamente por 60; essa é a nossa acuidade visual.

 

Por exemplo, uma speed dome com 35X de zoom ótico vai de 3,6 mm a 126 mm de abertura. No zoom ótico máximo, a imagem que estamos vendo está com uma abertura de aproximadamente 1,7º, 102 vezes maior que a nossa acuidade visual!

A carta de Snellen

Em 1862, o oftalmologista holandês Hermann Snellen, elaborou a carta ao lado para testar nossa acuidade visual.

Para isso ele considerou o ângulo mínimo de visão, um minuto de um grau, já comentado acima. Então ele fez as letras da linha 20/20 com a altura de 5 minutos, sendo que a espessura das letras e o espaçamento são de 1 minuto.

Essa carta era colocada a 20 pés de distância, cerca de 6 metros. Lembra da distância ideal para os nossos olhos, comentada na primeira parte?

 

A 6 metros de distância, nossos músculos ciliares estão relaxados, a melhor condição para testar nossa acuidade visual.

De acordo com os cálculos de Snellen, se as letras da linha 20/20 tiverem a altura de 8,75 mm, uma pessoa com visão normal consegue ler perfeitamente a linha 20/20 a 6 metros de distância.

 

Toda essa informação é importante para sabermos como observar melhor as imagens capturadas pelas câmeras de acordo com sua resolução, a resolução do monitor, o tamanho da tela e a distância do operador.

 

Para isso vamos verificar qual seria o tamanho mínimo (S) que o par de linhas da primeira figura deste artigo pode ter. Utilizando a fórmula S = tan(A) x D, temos que o tamanho mínimo desse par de linhas é igual à tangente de 1°/60 multiplicada pela distância.

 

A tangente de 1°/60 é igual a 0,000291, que podemos arredondar para 3/10000. Assim fica mais fácil: Para saber o tamanho mínimo aceitável de um par de pixels (2 linhas) em um monitor, multiplique a distância (em metros) do operador por 3 e divida por 10000.

Por exemplo, para um operador à 4 metros de distância do monitor, um par de pixels pode ter 0,0012 metros. Se o monitor tiver 0,65 m na vertical (52") , teremos 1083 pixels na vertical (0,65/0,0006).

 

Então um monitor nessas dimensões, com resolução 1080p, exibindo em tela cheia uma câmera com essa mesma resolução, estará na configuração ideal para ser observado à essa distância.

 

DICA

 

Os monitores atuais têm uma relação de 16:9 entre largura e altura e suas dimensões são especificadas pela sua diagonal, em polegadas.

 

Então, para saber a altura aproximada de um monitor em metros, divida sua diagonal, em polegadas, por 80. Para saber a largura, divida por 45.

À uma distância maior, perderemos a definição entre essas 2 linhas. Se o operador ficar mais próximo do que isso, começará a ver os pixels da imagem.

Nossa visão é curva

Especifica-se a acuidade visual em uma medida angular (1°/60) e não linear — do tipo x milímetros —, porque nossa córnea é curva.

 

Isso significa que vemos na mesma distância focal objetos dispostos em uma curvatura compatível com a curvatura da nossa córnea.

 

Sendo assim, quando visualizamos coisas distantes que estão dispostas no mesmo plano, veremos as extremidades fora de foco em relação à região central.

 

Então, toda vez movermos os olhos para ver as extremidades, nosso músculos ciliares terão que reajustar o foco do nosso cristalino, contribuindo para um maior cansaço visual.

 

Como a indústria tem aplicado esse conhecimento:

 

- Até os anos 70, os painéis dos carros eram planos, com todos os instrumentos alinhados, apontando para a frente e não para a posição do motorista. Hoje os painéis são curvos, envolventes, com todos os instrumentos na mesma linha de visão do motorista;

 

- A última moda são as televisões 4k com tela curva...

 

As salas de cinema e os outdoors

As salas de cinema

Podemos aprender muito com as salas de cinema. Veja como os projetistas souberam aproveitar bem as características da nossa visão:

 

- Todos os assentos ficam a mais de 6 metros de distância da tela, possibilitando que nossos músculos ciliares fiquem relaxados. E nós também;

- O tamanho da tela e a alta resolução da projeção permitem uma identificação perfeita dos objetos e pessoas que aparecem no filme, mesmo para os que estão sentados no fundo da sala;

 

- O ângulo de visão fica dentro da área coberta pelos nossos cones, permitindo uma melhor definição de imagem e identificação de cores sem que precisemos mexer muito os olhos (exceto para aqueles que sentam muito próximos à tela...);

DICA

 

Como não dá para que projetar uma sala que seja ideal para todo mundo, leva-se em consideração o centro da sala.

 

Portanto, da próxima vez que for ao cinema procure sentar-se no centro da fila intermediária, que é a melhor posição para desfrutar o filme.

- A sala escura traz o foco da nossa visão para a tela, priorizando nossa visão colorida e de alta definição (cones);

 

Por outro lado, pode-se perceber que a medida que o tempo passa, você começa a enxergar melhor as pessoas que estão na sala. É porque seus bastonetes vão se adaptando ao ambiente escuro.

Os outdoors

Se você já teve a curiosidade de olhar um outdoor de perto, percebeu que a imagem não é contínua, é formada por esferas com cerca de 2 cm de diâmetro cada!

 

Porém, à distância em que são visualizados, essas esferas se fundem, formando uma imagem com qualidade fotográfica.

 

Isso prova que definição tem a ver com o tamanho da tela e a distância de visualização.

A resolução do olho humano

Repare que estamos falando sempre em resolução vertical, pois nossos olhos são mais sensíveis à resolução vertical do que à horizontal. É por esse motivo que uma imagem Full HD, que tem 1920 x 1080 pixels, é chamada de 1080p e não 1920p, pois o que importa é a resolução vertical.

 

Mas qual seria a resolução equivalente do olho humano em Megapixels?

 

À uma distância de 25 cm, normalmente utilizada para leitura, 1' (um minuto de grau) corresponde a cerca de 350 ppi (pixels por polegada).

 

Quando a Apple lançou os novos displays para o iPhone e o iPad com 326 ppi de resolução, próxima da resolução da nossa retina, ela os chamou de Retina Display. Agora já temos Smart Phones com mais de 440 ppi.

 

Se você procurar no Google qual é a resolução do olho humano, você encontrará vários sites dizendo que ela é de 576 Megapixels para um ângulo de 120°.

 

Porém, o que mais impacta nossa percepção é a nossa visão central, onde estão concentrados os cones (cores e definição, lembra?), que é cerca de 20° do centro do olho, 40° no total.

 

Já no, limite dessa faixa, a pouco mais de 20°, a resolução já é 10 vezes menor!

 

É fácil comprovar isso: Olhe para o centro de uma linha de quadros pendurados em uma parede ou objetos em uma estante, de preferência coloridos, à cerca de um metro de distância.

 

Ainda olhando para frente, procure enxergar de canto de olho o quadro ou objeto à esquerda ou à direita e você irá reparar como ele está bem embaçado.

 

Ou seja, a região da nossa visão que importa quando estamos olhando para câmeras que estão sendo visualizadas em monitores, são apenas os 40° frontais.

 

Se esses monitores estiverem fora desse ângulo de visão, os operadores terão que ficar movendo constantemente a cabeça, o que pode ser bastante desconfortável.

 

Por isso achei bem criativo e correto o método utilizado neste site para comparar nossa visão com câmeras Megapixel:

 

http://ipvm.com/report/testing_the_resolution_of_the_human_eye

 

Posicionando uma carta de Snellen a 6 m de distância, eles compararam a resolução de várias câmeras (720p, 1080p, 5 MP e 10 MP) com o olho humano, para saber até qual linha da carta de Snellen elas seriam capazes de identificar.

 

Todas as lentes estavam com uma abertura de 60°, próxima à do olho humano, e os testes foram feitos com níveis diferentes de iluminação: 160 Lux, 3 Lux e 1 Lux

 

A resolução máxima que cada câmera alcançou foi:

160 Lux

20/20

20/50

20/40

20/30

20/20

1 Lux

20/40

20/100

20/70

Escuridão total

Escuridão total

3 Lux

20/30

20/70

20/70

20/50

20/40

 

Olho humano

Câmera 720p

Câmera 1080p

Câmera 5 Megapixels

Câmera 10 Megapixels

O teste mostra que, em boas condições de iluminação, a resolução do olho humano é equivalente àquela de uma câmera de 10 Megapixels. Já para níveis inferiores de iluminação, o olho humano se saiu melhor do que qualquer uma das câmeras testadas.

 

A única falha que achei nesse teste é que, justamente na área onde se poderia detectar a resolução com melhor precisão, há um salto muito grande de definição, de 5 para 10 Megapixels.

 

Sendo assim, o que dá para saber é que 5 Megapixels é abaixo da resolução do olho humano, mas qualquer resolução entre 5 e 10 Megapixels pode ser o ponto onde uma câmera começa a se igualar ao olho humano.

Por esse motivo, devemos considerar como válida a informação obtida em outros estudos, que comprovaram ser de 8 Megapixels a resolução equivalente ao olho humano.

 

Pelo ângulo mínimo permitido pela nossa acuidade visual (1°/60) e pelas dimensões da córnea, determinou-se que a resolução vertical dos nossos olhos é de cerca de 1100 pares de linhas, ou seja, o equivalente a 2200 pixels.

 

Uma câmera de 8 Megapixels para resolução 4K tem cerca de 3840 x 2160 pixels, próximo dos 2200 pixels verticais dos nossos olhos, o que comprova o resultado obtido acima.

 

4 K, o Ultra HD, é o limite?

 

Com base nos 2200 pixels verticais da nossa visão, pode-se dizer que sim.

 

Qualquer resolução acima de 4K seria inútil, pois estaria acima da definição dos nossos olhos. Bem, para entretenimento, talvez.

 

Mas, para aplicações de CFTV, quanto maior a resolução, maior a capacidade de zoom digital, permitindo capturar mais detalhes da imagem.

 

Essa é uma discussão que vem incomodando bastante os fabricantes de TVs.

 

A sala de monitoramento ideal

Com base no que aprendemos, uma sala de monitoramento ideal deve considerar as seguintes características:

 

- Para que seus músculos ciliares trabalhem relaxados, o operador deve ficar à uma distância mínima de 6 m dos monitores;

 

- Cada operador deve ficar responsável apenas pelos monitores que estejam dentro de um ângulo de visão de no máximo 40°;

 

- Os monitores devem preferencialmente ser instalados em curva, tanto verticalmente quanto horizontalmente, de forma que todos fiquem na mesma distância focal para o operador, sendo que a posição ideal para esse operador é olhando para o centro do arranjo de monitores.

 

- Os bastonetes, que captam mais luz, ficam na nossa visão periférica. Portanto, a iluminação da sala deve ser reduzida, para não atrapalhar a visão dos monitores, que será feita mais pelos cones, dentro dos 40° de abertura.;

 

- Todos os monitores devem ficar à mesma distância do operador.

 

Evite, sempre que possível, monitores próximos, que terão uma luminosidade muito maior, atrapalhando a visualização dos monitores distantes.

Senão, quando o operador estiver visualizando esses monitores, o monitor individual ficará na sua visão periférica, com sua luminosidade sendo amplificada pelos bastonetes.

 

Além disso, pelos motivos já explicados, a mudança constante longe-perto causará maior fadiga visual.

 

Sei que este item é difícil de atender, pois normalmente cada operador tem um computador e monitor individual.

 

Se não der para evitar, tente ajustar o monitor individual para uma luminosidade compatível com a dos monitores distantes, deixá-lo de lado, mais abaixo ou até desligá-lo quando não estiver sendo usado.

FAÇA ESTE TESTE

 

Com as luzes da sala apagadas, mas não totalmente escura, olhe para o lado de forma que seu monitor fique na sua visão periférica. Você vai notar duas coisas:

 

- A tela do monitor ficará embaçada, pois agora está sendo visualizada pelos seus bastonetes, que têm uma resolução mais de dez vezes inferior à dos cones;

 

- Você não conseguirá definir bem os objetos que estão ao lado do monitor, devido à luminosidade da tela na sua visão periférica.

 

Desligue o monitor e repare como agora você consegue definir melhor os objetos.

 

Aplicando as premissas acima no exemplo a seguir, em escala, temos uma sala onde o operador está a 6m dos monitores, seu ângulo de visão de 40° cobre uma área de 4,10 na horizontal, onde estão instalados 4 monitores de 47" (47"/45=1,04m) seguindo o ângulo de curvatura.

Na vertical, sua visão cobre 2200 pixels. Então 3 monitores com 720p de resolução somarão 2160 pixels, atendendo a resolução desejada.

 

Sendo assim, esse operador tem capacidade de visualizar um videowall com 12 monitores de 47" com 720p de resolução cada.

Essa solução atenderia a visualização de 12 câmeras HD (720p).

 

Porém, se as câmeras forem Full HD (1080p), teremos que utilizar monitores 1080p, sendo que empilhando 2 deles, em 4 colunas, já se atenderia a resolução desejada.

Provavelmente cada monitor ficará a maior parte do tempo com a tela dividida, exibindo várias câmeras, mas esses cálculos foram feitos para a condição de uma câmera em tela cheia, que é quando se deseja obter maiores detalhes da imagem, quando se precisa da melhor resolução de visualização possível.

Portanto, esse operador passaria a visualizar apenas 8 monitores Full HD (4x2).

 

Essa seria a condição ideal, a mais ergonômica, pois permite que o operador veja todos os monitores sem precisar mexer a cabeça ou reajustar o foco da sua visão.

E se a sala não for ideal?

Nem sempre vamos conseguir uma sala com um recuo de 6 metros, então teremos que adaptar as condições ideais para a distância máxima permitida. Vale lembrar que os olhos do operador não estarão relaxados nessa configuração.

 

Para fazer essa adaptação:

 

1- Multiplique a distância que o operador ficará dos monitores por 0,64. Essa é a largura da área coberta pela visão do operador;

 

2 - Divida o tamanho em polegadas do monitor desejado por 45 para obter sua largura em metros. Veja quantos monitores serão necessários para cobrir a largura obtida no item 1. Se não der um número exato ou próximo, aumente ou diminua o tamanho dos monitores;

 

3 - Especifique a definição dos monitores conforme a definição das câmeras que serão visualizadas;

 

4 - Verifique quantos monitores deverão ser empilhados na vertical para atingir 2200 pixels.

 

Essa será a quantidade máxima de câmeras / monitores que cada operador conseguirá visualizar confortavelmente.

 

Se você não precisa de tantos monitores, faça o cálculo para o máximo de monitores e utilize apenas a quantidade que precisar, agrupando-os no centro.

 

Isso é necessário para garantir que os monitores estarão com a distância / definição mais adequadas.

 

Conclusão

A natureza é sábia, simples, eficiente e direta.

 

E sempre acertamos quando projetamos algo baseado naquilo que a natureza vem utilizando por milhares — ou milhões — de anos.

 

Um exemplo disso é que o ser humano vem quebrando a cabeça há muito tempo para projetar células solares mais eficientes. Recentemente, alguém resolveu copiar nossos olhos, transformando as estruturas em cones.

 

E percebeu que isso aumentou a absorção de luz em 65%...

Mar/2015

Quer saber quando novos artigos serão publicados?

Enviando formulário…

O servidor encontrou um erro.

Formulário recebido.

Gostou deste artigo? Deixe um comentário!

comments powered by Disqus

Copyright ©2014 Instituto CFTV - Todos os direitos reservados

Conforme a Lei 9.610/98, é proibida a reprodução total ou parcial deste site por qualquer meio e para qualquer fim, sem autorização prévia do autor.