Фасеточные глаза - плюсы и минусы.

[Эрнесто де Сырно]

 В обще, в теме я хотел разобраться, почему у насекомых глаза устроены именно так, а не иначе.

Быстрота реакции необходима, как как всё маленькое и быстрое.

С этим не спорю. Просто причина, по которой фасеточные глаза дают быструю реакцию не так очевидна.

Физику зрения в отрыве от обработки сигнала обсуждать смысла нет.

Спорный вопрос. ИМХО, задачи лучше рассматривать все же по отдельности. Так как все вместе слишком тяжело. Тут можно или подходить со стороны обработки сигнала, и решать, какие нужны насекомым глаза, или со стороны физики, и разбираться, как полученную картинку обработать.

Видите ли, насекомые это тупые биороботы. Они даже тупее большинства коллег. От Ильи Ефимович Репина на этюдах в них очень мало а много от самонаводящейся боеголовки.

Согласен. Но даже для самонаводящейся боеголовки весьма важна хорошая оптика или антенна.

Зрение им нафиг не нужно, нужны сенсоры с дальномером

Большинство типов дальномеров требуют очень хорошей оптики - надо с очень большой точностью определить пеленг цели, чтобы потом посчитать параллакс.

и детекцией движения,

Для детекции движения критически важно отличать одну цель, от двух, рядом расположенных. Иначе движение просто не увидеть. Расстояние между двумя целями, которые еще можно отличить от одной точечной цели, определяется оп критерию Рэлея.

 d/D > 1,22 λ/A

d - расстояние между целями, D - расстояние до цели, λ - длина волны, A - диаметр глаза/объектива/антенны.

Эта формула одинаково хорошо работает и для глаз, и для фото/видео камер, и для радиолокаторов головок самонаведения. Критерий Рэлея показывает максимально возможное разрешение картинки при данном диаметре глаза/объектива/антенны. Но реальное разрешение может быть и ниже.

 

Даже если цель настолько маленькая, что глаз не может определить её размеры (или понять, из одной точки она состоит, или из нескольких), все равно увеличение размеров глаза дает преимущество - большой глаз сфокусирует цель в маленькое, но яркое пятно, которое хорошо видно на фоне помех. Маленький сфокусирует хуже, и цель будет сложнее выявить.

 

Например, если стрекоза хочет увидеть черную муху на фоне белого неба, то небо будет засвечивать её пиксели, и чтобы увидеть, надо что-то делать с этой помехой.

Приведу еще одно преимущество простого глаза перед сложным.

При той же разрешающей способности и чувствительности он имеет меньшие размеры. А отращивать слушком большие глаза живым существам не выгодно.

[Eshma]

В обще, в теме я хотел разобраться, почему у насекомых глаза устроены именно так, а не иначе.

Наверняка есть детская книжка с такими вопросами

Большинство типов дальномеров

У них очень плохой

 P. S. OMG

[Крысолов]

Видите ли, насекомые это тупые биороботы. Они даже тупее большинства коллег.

Достойно цитатника, полагаю!

[Eshma]

Большой размер пикселя - большая светочувствительность и бонусы вроде поляризации и диапазонов.

Все что написано про матрицы цифровых фотоаппаратов не имеет отношения к зрению примерно так вообще. Никаких "пикселов" там нет, физически это стохастический растр с неравномерным распределением а с точки зрения восприятия нервной системой можно попросту считать картинку аналоговой

Повышенная светочувствительность достигается изменением типа элементов и их плотности

С мегапикселами пчеле и так нечего делать, у нее нет столько мозга.

С мегапикселями и человеку делать нечего. Острота зрения среднего здорового человека - где-то чуть больше полусотни линий на угловую минуту, угол четкого зрения - несколько градусов. Большую часть того что человек думает, что видит в данный момент он на самом деле или помнит или придумывает, из за этого, например, глубина резкости всего поля здорового сфокусированного зрения кажется бесконечной а слепое пятно сетчатки абсолютно незаметно

Быстрота реакции необходима, как как всё маленькое и быстрое

Не необходима вообще. Это полезный, но побочный эффект короткой цепочки обработки сигнала. Необходима экономия энергии, нейроны очень прожорливые и на энергию и на кислород, собственно в кислород и упирается нервная система насекомых

Хотя может быть это все фигня и глаза паука лучше, фасеточные глаза возникли в результате эволюции и обратно в простые с сетчаткой превратиться не могут.

Вообще у ручейника простые и фасеточные глаза одновременно. У личинок только простые, зато несколько, до 6 пар

 

 

[Звёзды Светят]

зачем пауку так много глаз, и почему их не два?

 

Круговой обзор.

[Звёзды Светят]

детская книжка с такими вопросами

 

https://www.litres.ru/uriy-nikitin/megamir/chitat-onlayn/

 

 

 

[Zenitchik]

Вообще у ручейника простые и фасеточные глаза одновременно. У личинок только простые, зато несколько, до 6 пар

Так у большинства насекомых так.

Правда, простой глаз насекомых - это совсем не то же самое, что простой глаз более крупных существ. Как я понял, это аналоги отдельных фасеток - скорее фотометры, чем глаза. "Имеют большую светосилу, но сетчатка не сфокусирована".

У пауков, если верить Википедии, только одна пара глаз имеет подвижную сетчатку (что бы это не значило).

Изменено 20 May 2020 пользователем Zenitchik

[Эрнесто де Сырно]

Никаких "пикселов" там нет, физически это стохастический растр с неравномерным распределением а с точки зрения восприятия нервной системой можно попросту считать картинку аналоговой

У аналоговых систем тоже есть разрешение. Хотя и не такое явное. Во всяком случае, критерий Рэлея насекомые никак не могут перехитрить - он завязан на волновую природу света.

С мегапикселями и человеку делать нечего.

В справочнике говорится, что разрешение человеческого зрения - примерно 1 угловая минута. Примерно столько же получается по критерию Рэлея при зрачке 3-4 мм.

Острота зрения среднего здорового человека - где-то чуть больше полусотни линий на угловую минуту, угол четкого зрения - несколько градусов.

Многовато будет. Хрусталик так точно не сфокусирует.

Необходима экономия энергии, нейроны очень прожорливые и на энергию и на кислород, собственно в кислород и упирается нервная система насекомых

Именно с этим параметром у фасеточных глаз все очень печально. Они имеют гораздо большие размеры при той же чувствительности и разрешении, и требуют больше нервных клеток для обработки. Во первых, обычно каждый смотрит только в одну сторону. А значит, его объектив улавливает только свет только с одного направления. Значит, получаем очень маленький объектив, сложность добиться хорошей фокусировки (которая не очень нужна) и маленький световой поток от цели, которую на которую омматидий смотрит. Соседний омматидий будет смотреть уже на другую цель. Очень низкая освещенность сетчатки - необходимость увеличивать размеры чтобы добиться приемлемой чувствительности. При этом каждый омматидий при своих отвратительных характеристиках занимает довольно много места и их надо много.

В случае простых глаз большой объектив будет собирать все попавшие в него параллельный лучи в одной точке. А значит освещенность на сетчатке будет гораздо больше (пропорционально квадрату площади объектива). Можно добиться более быстрой реакции, использовать меньше зрительных клеток (яркий свет проще заметить), да и сами глаза получаются компактными. На времени реакции это не сказывается - оно зависит от размера сетчатки и яркости изображения на ней (времени экспозиции). Сам тип оптической системы тут не так важен. Вот только простой глаз дает более яркое изображение за счет большого объектива.

Вообще у ручейника простые и фасеточные глаза одновременно.

Это как бы намекает, что у фасеточных глаз все же есть преимущества.

 

зачем пауку так много глаз, и почему их не два?

Круговой обзор.

Возможно. Но я бы предположил, что не меньшее значение имеет и обработка сигнала. Чтобы видеть близкие предметы глаза должны быть маленькими, чтобы бысро реагировать нужна большая сетчатка. Поэтому делаем несколько глаз, и складываем полученные сигналы, для борьбы с шумами.

[Crusader]

В обще, в теме я хотел разобраться, почему у насекомых глаза устроены именно так, а не иначе.

  Например потому что других тогда в принципе ни у кого не было?

 Нет, были у ортоцерасов - родственников кальмаров, но там ситуация немного иная: у них враги кругом, а у наземных насекомых враги, в основном, в верхней полусфере. Т. е. разумно и достаточно не упарываться в разрешение, а просто, научиться отличать свет от тени.

 А Эволюция, как известно, не терпит лишнего там, где он не нужен. А вот как стал он нужен...

 Тем более - есть важный, но отчего-то всеми забываемый нюанс: насекомые никакого отношения к линии эволюции человека не имеют.

 Вообще.

 Линия развития позвоночных идёт от рыб. Рыбы, ЕМНИП - (огрублённо - там куча переходных форм была)от круглых червей. Те - от плоских. Насекомые тут вообще никоим образом в линии условных человечьих пращуров не присутствуют. По сути, они очень удачное, но тупиковое дитё Эволюции, самостоятельно выползшее на сушу.

 Вообще, почему-то Эволюция понимается превратно: вот была рыба - от неё произошли амфибии. От амфибий - предки рептилий и одновременно с ними - предки млекопитающих. Потом стало уже четыре "ветки" развития: амфибии, рептилии, млекопитающие и динозавры как ответвление от рептилий. Потом динозавры исчезли, но часть их породила новую ветвь - птиц.

 Т. е. млекопитающие и рептилии - это не потомки и предки, а братья, а птицы - вообще побочная ветвь побочной ветви развития рептилий.

 С насекомыми также, но они ещё более древние и поэтому их гм... "Запчасти" - тоже куда более примитивны. Просто потому, что других тогда не завезли, но в нише, занятой насекомыми и их хватило по за глаза уже пару миллиардов лет как.

[Eshma]

У аналоговых систем тоже есть разрешение. Хотя и не такое явное.

А какое, тайное?

Многовато будет. Хрусталик так точно не сфокусирует

Да, на градус. Эт была ошибка

Это как бы намекает, что у фасеточных глаз все же есть преимущества.

У них до фига преимуществ, начиная с прочности и отсутствия необходимости в защите и увлажнении

Кстати, как думаете, что лучше магазинная тележка или спорткар? У тележки есть свои преимущества

 

[чукча]

С насекомыми также, но они ещё более древние

Это совершенно не так. Все типы животных образовались практически одновременно. Это относится и к членистногим с позвоночными. Собственно и по более мелким делениям, наиболее преуспевающие сейчас отряды насекомых часто моложе многих классов позвоночных. Например двукрылые(мухи) и перепончатокрылые(осы-муравьи) появились в триасе и распространились в юре и мелу, чешуекрылые(бабочки) - вообще в юре появились и стали заметны в меловом периоде. Позже птиц и млеков. Даже жуки и то только в перми появились. 

они очень удачное, но тупиковое дитё Эволюции, с

С чего бы это они были тупиковыми? Преуспевающая группа. 

Изменено 21 May 2020 пользователем чукча

[Эрнесто де Сырно]

А какое, тайное?

Соотношение сигнал/шум, критерий Рэлея, полоса пропускания и т.п.

У них до фига преимуществ, начиная с прочности и отсутствия необходимости в защите и увлажнении

Вот ни вижу никаких проблем сделать простые глаза из тех же материалов, что фасеточные. Так что мимо.

Просто потому, что других тогда не завезли, но в нише, занятой насекомыми и их хватило по за глаза уже пару миллиардов лет как.

Простые глаза - ни такой уж мегасложный орган. Он вполне может получится как путем изменения сложных, так и с нуля. Вот у многих насекомых есть простые глаза наряду со сложными. Те же пауки их вполне приобрели.

Кстати, как думаете, что лучше магазинная тележка или спорткар?

А по каким параметрам сравниваете?

У спорткара хуже маневренность (не может рулить всеми 4 колесами на 360 градусов) и слишком большие габариты, и имеется не совсем полезный для здоровья выхлоп, чтобы много ездить в закрытых помещениях.

[Eshma]

Соотношение сигнал/шум, критерий Рэлея, полоса пропускания и т.п.

В смысле разрешение измеряется в критериях Рэлея, соотношении или полосе? 

Вот ни вижу никаких проблем сделать простые глаза из тех же материалов, что фасеточные.

Да это то понятно. Что не видите

Вот у многих насекомых есть простые глаза наряду со сложными. Те же пауки их вполне приобрели.

Пауки не насекомые. 

А по каким параметрам сравниваете?

Э... Дошло? Да не, бред. Не дошло

P.S. Сделаем узконаправленную камеру с полем зрения в один градус и в фокальной плоскости поместим чувствительный спектрофотометр

Вопросы: какое у него будет разрешение и можно ли определить для этой системы пространственное разрешение вообще? Может ли она определять движение? Способна ли она опознать объект? Что по вашему проще, решить задачу распознавания объекта с одним светоприемником по маркирующим признакам типа цветов и паттернов изменения яркости при перемещении чего-либо через поле зрения или с помощью анализа изображения, полученного с полноценной матрицы?

Изменено 21 May 2020 пользователем Eshma

[Звёзды Светят]

Вот ещё -

 

https://zen.yandex.ru/media/different_angle/pochemu-pauk--ne-nasekomoe-5ec26badec0f7529ba5ef2b9

 

пауки – это хищники, обладающие индивидуальным от других членистоногих строением тела и внешней пищеварительной системой.

Насекомые – это более продвинутые существа, которые в несколько раз превосходят паукообразных в видовом разнообразии.

[Zenitchik]

начиная с прочности и отсутствия необходимости в защите и увлажнении

Не слышал, что бы простые глаза насекомых как-то особо во всём этом нуждались.

[Eshma]

Не слышал, что бы простые глаза насекомых как-то особо во всём этом нуждались.

Будь они размером со стрекозиные уже потребовалось бы

[Эрнесто де Сырно]

Сделаем узконаправленную камеру с полем зрения в один градус и в фокальной плоскости поместим чувствительный спектрофотометр Вопросы: какое у него будет разрешение и можно ли определить для этой системы пространственное разрешение вообще?

Да запросто. Нас ведь никто не обязывает вмуровывать эту камеру в стену? Мы можем ей покрутить, и выяснить, какая у нее диаграмма направленности. И в пределах какого угла еще можно два источника света отличить от одного.

Может ли она определять движение?

Очень косвенно может. При проходе чтоге-либо через поле зрения происходит характерное изменения яркости.

Что по вашему проще, решить задачу распознавания объекта с одним светоприемником по маркирующим признакам типа цветов и паттернов изменения яркости при перемещении чего-либо через поле зрения или с помощью анализа изображения, полученного с полноценной матрицы?

Для начала надо вообще что-то увидеть. И отделить анализируемое изображение от внешних и внутренних шумов. Если одиночной фасети стрекозы будет слишком широкая диаграмма направленности, то она будет видеть и интересующую стрекозу муху, и небо, и внутренние шумы зрительного рецептора - и все одним и тем же пикселем. И попробуй выделить на фоне всего этого муху, даже если она будет иметь характерный цвет, который ни с чем не спутаешь.

 

[Zenitchik]

Будь они размером со стрекозиные уже потребовалось бы

Защита - понятно. А увлажнение зачем?

 

Я, вообще, думаю, что в размерном классе насекомых невозможно сделать нормальный глаз. Поэтому используется фасеточный.

Как-то выкрутились крупные пауки, но именно что только крупные.

Изменено 22 May 2020 пользователем Zenitchik

[Eshma]

Защита - понятно. А увлажнение зачем?

Я не готов обосновать абсолютную необходимость, но глаз крупнее паучьих без увлажнения тем или иным способом вспомнить просто не могу. 

Поэтому используется фасеточный.

Я тут пытаюсь подвести к мысли что данные фасеточного зрения обрабатываются сильно не так же как у позвоночных. В размерном классе насекомых прежде всего нет мозга, который мог бы позволить себе морочиться запоминанием и распознаванием образов

Ну и данные нейрофизиологии подтверждают что омматидий собирает гораздо больше информации, чем передает дальше. 

Вот фасеточный глаз под сканирующим микроскопом. Видно что поверхность линз так себе и больше напоминает светорассеиватель чем хрусталик.

 

Как-то выкрутились крупные пауки, но именно что только крупные.

Ну, я полагаю что то что они видят крайне далеко от привычных нам зрительных ощущений. Восемь глаз как-то намекают

Да запросто. Нас ведь никто не обязывает вмуровывать эту камеру в стену?

А если замуровать? Допустим камера стоит, смотрит на дорогу и считает прошедших через поле зрения курьеров Яндекса. Так как мигание желтого цвета это курьер с вероятностью процентов так 99 - делает она это хорошо. Чтобы решить ту же задачу через распознавание образов потребовался бы очень сложный алгоритм и значительные вычислительные мощности, причем ошибок вполне возможно было бы больше. Но она совершенно ничего не видит в привычном бытовом смысле. Ошибками можно пренебречь (насекомые и пренебрегают. Вся их жизнь одна большая ошибка, мотыльки у лампы подвердят)

Очень косвенно может.

Прямо движение определяется только механически. Все остальные методы определяют движение косвенно.

Для начала надо вообще что-то увидеть. И отделить анализируемое изображение от внешних и внутренних шумов.

Вау. Продолжаем вопросы. Человек спит. Глаза закрыты, они ничего не видят (на самом деле не совсем, видят освещенность). Человек при этом получает яркие зрительные ощущения. Какое разрешение у зрения в данный момент и можно ли его вообще определить?

Если одиночной фасети стрекозы будет слишком широкая диаграмма направленности

Вы точно понимаете что такое "диаграмма направленности"?

И попробуй выделить на фоне всего этого муху, даже если она будет иметь характерный цвет, который ни с чем не спутаешь.

Элементарно. Сравниваем зрительное ощущение с усредненным по соседним сегментам, выделяем резко девиантный

 

 

Изменено 22 May 2020 пользователем Eshma

[Эрнесто де Сырно]

Вы точно понимаете что такое "диаграмма направленности"?

Зависимость яркости пикселя от направления. Из за небесконечной разрешающей способности свет попадает в наш сенсор не только с того направления, куда он смотрит, но и с других направлений. Для простоты будем считать ширину главного лепестка диаграммы направленноси (не уверен, что у фасточных глаз есть побочные лепестки). Это угол, п пределах которого глаз принимает 50% света.

 

Так как мигание желтого цвета это курьер с вероятностью процентов так 99 - делает она это хорошо

Ну допустим, у нас камера с одним пикселем. ширина лепестка - 1 градус или 0,017 радиан. площадь человека - 0,5 кв. метра.

С расстояния 1 метр камера будет видеть только полезный ссигнал - главный лепесток охватывает 0,017 метров. Но курьер яндекса может при желании проползти под лучом.

с 10 метов он будет охватывать круг диаметром 0,17 метров. По прежнему особых проблем нет. Но теперь курьер виден на как прямоугольный импульс желтого цвета, как колокол с плавным нарастанием и плавным убыванием.

100 метров - 1,7 метра. У курьера уже давно нет четких границ. Интенсивность желтого цвета никогда не доходит до максимальной, интесивность помех в 5 раз выше интенсивности полезного сигнала. Но курьера по прежнему можно заметить. По очень плавному возрастанию и убыванию желтого цвета. Но возможны ложные срабатывания. Белая кошка, пробежавшая в 30 метрах от камеры даст такой же результат. Хотя она ни разу ни желтая, система распознавания должна будет выделять желтый цвет из белого для борьбы с шумами.

1000 метров. 17 мтров. Шумы в 50 раз сильнее помех.

Видно что поверхность линз так себе и больше напоминает светорассеиватель чем хрусталик.

Нужно иметь в виду, что если неровности намного меньше длинны волны, то они не мешают смотреть, рассеивая свет.Какие там размеры омматидий? Порядка десятков длин волны, как я понял. И понятно, почему насекомые не видят красный цвет. Они просто не могут его сфокусировать.

Ну, я полагаю что то что они видят крайне далеко от привычных нам зрительных ощущений.

Вот если взять фотоаппарат, и удалить все детали, кроме объектива. Просто взять голый объектив без обвязки. Он все равно будет давать качественное изображение. Только его никто не увидит. Процесс формироания изображения и его обработка идут как бы частично независимо друг от друга. Я как бы намекаю, что почти для любой, даже самой простой обработки (ну кроме измерения яркости общего освещения) хорошая оптика важна.

И попробуй выделить на фоне всего этого муху, даже если она будет иметь характерный цвет, который ни с чем не спутаешь.

Элементарно. Сравниваем зрительное ощущение с усредненным по соседним сегментам, выделяем резко девиантный

А нету резко девиантного. Все рецепторы видят яркое небо, и только у 10 омматидий яркость на 0,01 процента меньше, чем у соседних. И нам еще нужно большое время интегрирования, чтобы эти проценты заметить. А потом еще и понять, муха это, или облако. Они дают одинаковые изображения, но у мухи больше угловая скорость. Простой глаз при тех же размерах показал бы черную точку на белом фоне. А дальше проще некуда. Причем замечает её быстрее, чем в случае фасеточных глаз, так как нужно меньше обработки и не требуется измерять яркость с точностью 0,01 процент, сравнивать с соседними рецепторами, отличать муху от облака (муха чернее). И самое главное, простой глаз был бы меньше фасеточного, меньше весил, его нервные клетки потребляли бы меньше энергии.

 

[Eshma]

И нам еще нужно большое время интегрирования, чтобы эти проценты заметить. А потом еще и понять, муха это, или облако.

Не буду спрашивать кому это вам, но в любом случае продолжайте наблюдения

отличать муху от облака (муха чернее)

Светлее. Муха очень яркая а облако практически черное. Смотреть надо, разумеется, в ультрафиолете. Надеюсь, это поможет вашей деятельности

 

 

[Эрнесто де Сырно]

Светлее. Муха очень яркая а облако практически черное. Смотреть надо, разумеется, в ультрафиолете.

Что-то не уверен. Мне всегда казалось, что небольшие облака могут рассеивать ультрафиолетовое излучение. Можете привести ссылку? Или доказать другим способом?

[Eshma]

Можете привести ссылку? Или доказать другим способом?

Могу, разумеется и то и то

Хочу ли я лишить вас радости сформулировать запрос, открыть заветный гугл и получить вожделенную картину через десять секунд? Нет, не хочу

 

Мне всегда казалось, что небольшие облака могут рассеивать ультрафиолетовое излучение.

Это в данном случае не важно. Важно как выглядит муха

Изменено 23 May 2020 пользователем Eshma

[Эрнесто де Сырно]

Могу, разумеется и то и то Хочу ли я лишить вас радости сформулировать запрос, открыть заветный гугл и получить вожделенную картину через десять секунд? Нет, не хочу

Вот попытайтесь.

https://cyberleninka.ru/article/n/obekty-issledovaniya-i-parametry-issledovatelskoy-apparatury-dlya-ultrafioletovoy-oblasti-spektra

В то же время в условиях сплошной облачности в области А для облаков верхнего и среднего ярусов наблюдается увеличение рассеянного УФ излучения, по сравнению с ясным небом. Это происходит как при малых, так и при больших углах возвышения Солнца, причём для больших углов возвышения это увеличение достигает 20 - 29 %. В области В подобное увеличение наблюдается только при наличии облаков верхнего яруса, в то время, как облака среднего и нижнего ярусов ослабляют излучение в области В значительно сильнее, чем в области А [5].

Облака могут быть и темными и яркими в ультрафиолетовом диапазоне. И стрекозе будет тяжело отличить муху от облака только по цвету. Угловая скорость - гораздо более простой и легко детектируемый признак мухи. Но для него критически важна скорость измерения без глубокого и точного анализа. Но вот беда, расплывчатое изображение фасеточного глаза для такого анализа не очень подходит. Так как для обнаружения не контрастного сигнала требуется больше времени, чтем на яркого. 

 

Это в данном случае не важно. Важно как выглядит муха

Так же как облако - большое темное пятно на фоне светлого неба. При некоторых положениях солнца изображение может быть и ярче солнца. Но опять же и у мухи и у облака.

[Eshma]

Так же как облако - большое темное пятно

И стрекозе будет тяжело отличить муху от облака только по цвету. Угловая скорость - гораздо более простой и легко детектируемый признак мухи. Но для него критически важна скорость измерения без глубокого и точного анализа. Но вот беда, расплывчатое изображение фасеточного глаза для такого анализа не очень подходит. Так как для обнаружения не контрастного сигнала требуется больше времени, чтем на яркого. 

Ну то есть по теории думающего человека стрекоза не работает. С думающими людьми это случается часто