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高达5.76亿像素,占用大脑65%的“内存”!人类眼睛有多强大?

发布日期:2022-08-22 20:36    点击次数:79

众所周知,人类在大自然竞争中胜出很大一部分原因要归功于大脑,我们的大脑大约只占身体重量的2.5%左右,但它却消耗了人体25%左右的氧气,这意味着大脑是我们人体“能耗”最高的器官。

然而,让人感到意外的是,我们大脑大约65%的脑力是用于处理眼睛收集的信息,如果把大脑比作人体的CPU,那么我们的眼睛就占用了它65%的内存。

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之所以眼睛这么占内存,其实原因也就像一些电脑软件一样——功能越强大越占用内存。

那么,我们的眼睛到底有多强大呢?

关于眼睛的奇怪事实

毫不夸张地说,人类的眼睛是人体第二强大的器官——仅次于大脑,其中一部分体现在眼睛的发育上,从我们出生那一刻起,眼球的大小就已经发育结束了。

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图源:che

为了配合强大的眼睛工作,人体中最强大的肌肉就是那些移动眼球的肌肉,这些肌肉的控制能力几乎是其他肌肉的100倍。

我们平时经常会说眼睛累了需要休息,事实上,我们的眼睛从来没有休息过,无论白天还是晚上,它都在不停地工作,需要休息的只是肌肉。

关于眼睛的“硬件事实”还有很多,但是相较于它的功能,这些硬件就显得不值一提了!

眼睛的主要功能就是成像,它以图像的形式把周围的信息传入大脑,然后经过大脑的分析,并调动身体其它部分作出反应。

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图注:凸透镜成像原理

眼睛如何成像的?

眼睛的成像原理有点像凸透镜成像,只是它不是简单的一面凸透镜,而是一个非常复杂的系统。

当光线进入眼睛后,会经过角膜、晶状体等一系列眼部结构的折射和调节,最终在视网膜上形成图像。

这种由实际光线汇集形成的图像被称为实像,它有一个最重要的特点就是图像是倒立的,所以我们眼睛实际上给我们大脑输入的是倒立的世界。

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春晚魔术 Arial, "Liberation Sans", "Hiragino Sans GB", "Source Han Sans CN Normal", "Microsoft YaHei", "Wenquanyi Micro Hei", "WenQuanYi Zen Hei", "ST Heiti", SimHei, "WenQuanYi Zen Hei Sharp", sans-serif;white-space: normal;">之所以我们不认为自己活在一个倒立的世界上,原因就在于我们的大脑适应了这种倒立。事实上如果我们把头倒过来看世界的话,要不了几周时间,我们的大脑也可以适应“倒着看世界”。

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图注:凸透镜的成像规律

凸透镜成像的另一大应用是照相机,所以人们经常拿眼睛和相机做对比。

虽然两者基本没有可比性,但是为了体现眼睛的强大,我们可以简单做个像素上的对比(可能并不公平)。

一张数码图像的分辨率(Resolution-数码图像分辨率)经常会用像素数量来表示,比如现在的一些手机可以拍出分辨率为12032*9024的图像,那么这张图片就超过1亿像素(乘积),这意味着手机摄像头就是1亿像素了。

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那么人的眼睛可以“拍出”多少像素图像呢?

据科学家兼摄影师——罗杰·克拉克(Roger Clark)博士的说法,人眼的数码图像分辨率为5.76亿像素[1]。

他的算法其实很简单,根据人类的视力,在光线良好的情况下我们的眼睛可以区分0.6角分的间隔,所以他给出了0.3角分(垂直方向0.3,水平方向也0.3)的等效像素。

公司相册 "WenQuanYi Zen Hei", "ST Heiti", SimHei, "WenQuanYi Zen Hei Sharp", sans-serif;white-space: normal;">然后,人的每只眼睛水平视野角度都在120°到180°之间,而垂直视野角度在60°左右,这意味着我们两只眼睛一起最少可以拍出分辨率为120 * 120 * 60 * 60的照片。

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像素大小可以任意定义,源:小7的背包

而上面我们已经得到每个像素是0.3角分,所以两只眼睛“拍出”的图像像素数量就是120 * 120 * 60 * 60 / (0.3 * 0.3) ,它的答案是5.76亿

我们平时经常可以看到人眼达到5.76亿像素的说法,就是出自这位科学家的这个数据,但这个答案其实是有许多误导性的。

由于进化的局限性,我们的眼睛虽然看得很广,但其实它只能注意到中心部分的细节,而周围的细节其实只对运动物体有效。

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这个在进化方面的解释是,这种进化有利于我们把注意力集中在中心位置——一般而言是盯紧猎物,而周围视野我们是用来防止狮子等捕食者靠近我们的,所以它不需要太清晰,能捕捉运动的物体就好了。

在国外论坛上,有一位大神根据人眼看到的视角制作了一张人眼“拍出”的照片,它大概是这样子的:

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眼睛拍出的图像大概是这样,源:cambri

我们的眼睛在距离中心20°之后,图像就变得不清晰,所以实际上我们眼睛的像素要比5.76亿低得多,大约只有500万到1500万像素之间。

像素说明不了什么,重要的是我们的眼睛能分辨出0.6角分的间隔;另外我们还可以分辨出500大约种灰度,而在一些计算机屏幕上,RGB 颜色模型只可以显示256种不同的灰色阴影。

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图注:两只眼睛创造了深度

两只眼睛配合的奇迹

虽然,我们的眼睛成像能力十分惊人,但是它并不是制造了3D图像,我们眼睛捕捉到的图像也是平面的,或者说是2D的。

毫无疑问,我们是生活在三维世界中的生物,但我们的眼睛确实和相机一样,只能向我们展示两个维度。

之所以我们能感受到另一个维度——“深度”,其实还是要归功于大脑,以及两只眼睛的配合使用。

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对于许多捕食者而言,它们的眼睛一般都和人类一样长在前方,这种进化方向其实就是有利于创造立体视觉,我们可以通过这样两只眼睛同时向大脑传输图像来推算出距离。

由于眼睛在脸上存在一些距离,所以每个视网膜产生的图像略有不同,大脑根据这种不同推算出“深度”。

这种立体视觉对 5米以内的距离最为有效,超过这个距离,我们的大脑就开始使用相对大小和运动来确定“深度”。

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欧洲野牛的眼睛,源:Michael Gäbler

大多数食草动物的眼睛是在两侧,所以现在许多人认为食草动物没有多少能力辨别“深度”,至少没法像我们这样看到丰富的世界。

不难发现,眼睛收集的许多行星都需要大脑“深加工”,所以它占“内存”也就合情合理了。

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最后

对于动物来说,眼睛的进化就是个奇迹,对生物进化深信不疑,撰写了《物种起源》的达尔文也对眼睛的进化感到困惑,并且承认人眼通过自发突变和自然选择进化的说法是“荒谬的”。

当然,达尔文只是在说人眼的进化很难,但是自然界就是这么的神奇!

参考资料:

[1]clarkvision.Notes on the Resolution and Other Details of the Human Eye