Mozog fotografického prístroja: ako fotoaparát vytvára obraz

Fotografický prístroj je opticko-mechanické zariadenie slúžiace na vytvorenie fotografie pomocou svetla. Jeho základom je svetlotesná komora s otvorom vybaveným šošovkami, ktorý sa nazýva objektív, a miestom, kam dopadá svetlo, teda obrazovou rovinou alebo matnicou.

Obraz vzniká v ohniskovej rovine. Pri stlačení spúšte dôjde k otvoreniu uzávierky a svetlo prejde objektívom na svetlocitlivý materiál alebo snímací prvok.

Základný princíp fotografického prístroja

Do obrazovej roviny sa premietajú body z predmetovej roviny. Premietajú sa sem však aj body, ktoré ležia pred a za predmetovou rovinou.

Takéto body sa zobrazia ako neostré kruhy rôzneho priemeru. V dôsledku konečnej rozlišovacej schopnosti oka ich však vnímame ako ostré, preto hovoríme o hĺbke ostrosti.

Stavba fotoaparátu

Svetlotesná komora

Základom fotoaparátu je svetlotesná komora, ktorá bráni prenikaniu nežiaduceho svetla. Vďaka tomu môže svetlo prechádzať iba určenou optickou cestou cez objektív a počas expozície dopadnúť na svetlocitlivý materiál.

Objektív

Objektív je sústava šošoviek, ktorá usmerňuje svetelné lúče a vytvára obraz fotografovaného predmetu. Dôležitým parametrom objektívu je relatívny otvor.

Relatívny otvor je pomer zväzku lúčov vstupujúcich do objektívu a jeho ohniskovej vzdialenosti.

Podľa zorného uhla rozlišujeme objektívy takto:

• Teleobjektívy
• Dlhoohniskové objektívy
• Normálne objektívy
• Širokouhlé objektívy

Normálne objektívy

Normálne objektívy majú odlišné konštrukcie s odlišnými stupňami korekcie. Sú charakteristické malým astigmatizmom pri veľkej otvorovej chybe, čo umožňuje vytvoriť dostatočne rovnomerne ostrý obraz.

Širokouhlé objektívy

Širokouhlé objektívy vyžadujú veľmi dobrú korekciu optických chýb. Je tu možné dosiahnuť zväčšenie vzdialenosti medzi objektívom a obrazovou rovinou.

Teleobjektívy a dlhoohniskové objektívy

Teleobjektívy a dlhoohniskové objektívy patria medzi objektívy s dlhšou ohniskovou vzdialenosťou. Ich zaradenie vychádza zo zorného uhla, ktorý objektív poskytuje.

Zoom objektívy

Ako objektívy s meniteľnou ohniskovou vzdialenosťou, teda zoom objektívy, označujeme systémy, ktorých ohnisková vzdialenosť je spojite meniteľná.

Stabilita polohy obrazu sa dá dosiahnuť mechanicky alebo opticky.

Uzávierka

Úlohou uzávierky je zabrániť dopadu svetla vo chvíli, keď sa nefotografuje. Doba, počas ktorej je uzávierka otvorená, sa nazýva expozícia.

Pri stlačení spúšte dôjde k otvoreniu uzávierky. Čím dlhšie je otvorená, tým viac svetla dopadne na svetlocitlivý materiál.

Clona

Dnes je už bežne vstup do tmavej komory fotoaparátu vybavený irisovou clonou. Clona mení veľkosť otvoru, ktorým dopadá svetlo, a slúži na zaostrovanie.

Pri menšom množstve svetla je obraz ostrejší. Presné množstvo svetla potrebné na zachytenie obrazu je závislé od veľkosti otvoru clony a expozičnej doby.

Expozimeter

Zariadenie, ktoré meria a vyhodnocuje množstvo svetla na fotografovanie, sa nazýva expozimeter.

Priebeh vzniku obrazu

Obraz vzniká v ohniskovej rovine. Pri otvorení uzávierky prechádza svetlo objektívom a dopadá na svetlocitlivý materiál.

Vytvára sa obraz zmenšený, skutočný a prevrátený. Dĺžka expozície ovplyvňuje množstvo svetla, ktoré dopadne na svetlocitlivú vrstvu alebo snímací prvok.

Čím dlhšie je uzávierka otvorená, tým viac svetla dopadne na svetlocitlivý materiál. Pri krátkej expozícii dopadne svetla menej, pri dlhej expozícii viac.

Za maximálny expozičný čas, za ktorý možno odfotografovať nehybné predmety, sa považuje recipročná hodnota ohniskovej vzdialenosti použitého objektívu. Pri bežnom objektíve je to asi 1/50 s.

Hĺbka ostrosti a zaostrovanie

Body, ktoré ležia pred a za predmetovou rovinou, sa v obrazovej rovine nezobrazia ako presné body, ale ako neostré kruhy rôzneho priemeru. Oko však tieto kruhy za určitých podmienok vníma ako ostré.

Rozsah vzdialeností, v ktorom sa predmety javia ako dostatočne ostré, označujeme ako hĺbku ostrosti. Súvisí s optickou konštrukciou objektívu, ohniskovou vzdialenosťou a nastavením clony.

Clona mení veľkosť otvoru, ktorým dopadá svetlo, a ovplyvňuje aj rozsah ostro zobrazených vzdialeností. Pri menšom množstve svetla je obraz ostrejší.

Svetlocitlivý materiál

Film bol najskôr zo slídy, neskôr z PVC, na ktorom je nanesená tenká vrstva svetlocitlivého materiálu obsahujúca soli striebra.

Svetlocitlivý materiál zachytáva optický obraz vytvorený objektívom. Jeho vlastnosti ovplyvňujú, koľko svetla je potrebné na vytvorenie fotografie, aké jemné detaily možno rozlíšiť a do akej miery sa na obraze prejaví šum.

Citlivosť

Citlivosť sa vyjadruje v logaritmickej stupnici. Medzi najčastejšie používané jednotky patrí ISO.

Rozlišovacia schopnosť

Rozlišovacia schopnosť je schopnosť rozlíšiť čo najjemnejšie detaily a podrobnosti za optimálnych podmienok.

V súčasnosti sa zvykne označovať počtom pixelov, ale pri klasickej fotografii ju vyjadruje počet čiar viditeľných na 1 mm štvorcovom.

Šum

Pri tomto parametri sa dá porovnať klasická fotografia s digitálnou. Zatiaľ čo pri klasickej fotografii sa šum objavoval len pri veľkých zväčšeniach, digitálny šum je bežnou súčasťou digitálnej fotografie.

Digitálny šum tvoria drobné odchýlky v nameraných hodnotách jednotlivých snímacích prvkov. Súčasný trend smeruje k zmenšovaniu snímacích elementov, ale na druhej strane sa zdokonaľujú algoritmy na ich odstránenie.

Vzťah fotoaparátu a ľudského videnia

Predstava, že ľudský mozog funguje ako fotoaparát, je intuitívna, ale zjednodušená. Tradičný model vnímania zobrazoval mozog ako pasívny prijímač informácií, pričom oči mali fungovať ako objektívy kamery, uši ako mikrofóny a mozog ako centrálny procesor, ktorý tieto dáta spracuje a vytvorí obraz sveta.

Mozog nefunguje ako kamera zaznamenávajúca svet, ale ako generátor predpovedí, ktorý neustále konštruuje model reality a zmyslové vstupy využíva len na korekciu chýb.

To, čo nazývame realitou, je v skutočnosti „kontrolovaná halucinácia“ - najlepší odhad mozgu o tom, čo sa deje vonku, obmedzený a korigovaný zmyslovými vstupmi.

Mozog ako predikčný stroj

Náš mozog realitu nevidí, on ju tvorí. Funguje ako „predikčný stroj“.

V každom zlomku sekundy mozog generuje hypotézy o tom, čo sa deje vo svete, založené na minulých skúsenostiach, očakávaniach a kontexte. Tieto hypotézy premieta do nášho vedomia ako to, čo „vidíme“ a „cítime“.

Oči a uši slúžia len ako kontrolný mechanizmus - poskytujú „chybové hlásenia“, keď sa predpoveď nezhoduje s fyzikálnymi signálmi prichádzajúcimi z prostredia.

Tento mechanizmus, nazývaný prediktívne kódovanie, vysvetľuje, prečo v hlučnej kaviarni dokážeme počuť rozhovor priateľa a ignorovať okolitý hluk. Mozog aktívne tlmí signály, ktoré považuje za irelevantný šum, a zosilňuje tie, ktoré zapadajú do jeho modelu očakávanej konverzácie.

Emócie ako filtre vnímania

Pocity ako bolesť, radosť či úzkosť nie sú reakciami na realitu, ale aktívnymi stavebnými prvkami vnímania, ktoré zafarbujú a modifikujú senzorické dáta ešte predtým, ako si ich uvedomíme.

Bolesť nie je len signálom poškodenia tkaniva, ktorý putuje nervami do mozgu. Je to rozhodnutie mozgu.

Emocionálne stavy fungujú ako farebné filtre na objektíve kamery, ktoré menia samotnú podstatu vnímaného obrazu.

Kontrolovaná halucinácia

Anil Seth, profesor kognitívnej a komputačnej neurovedy, zaviedol termín „kontrolovaná halucinácia“. Podľa tejto teórie je vnímanie procesom hádania.

Keď sa pozeráte na stôl pred sebou, neanalyzujete každý detail. Váš mozog halucinuje stôl na základe hrubých dát a minulosti.

Kým sa táto halucinácia zhoduje s tým, čoho sa dotknete, teda s kontrolou realitou, ilúzia pretrváva. Iba pri nezhode - napríklad ak by ste siahli na stôl a ruka by prešla skrz - je mozog nútený aktualizovať svoj model.

Fotografická pamäť a rozdiel medzi mozgom a fotoaparátom

Predstava človeka, ktorý si jediným pohľadom zapamätá stránku knihy alebo detailný obraz a dokáže si ho neskôr presne „premietnuť“ v hlave ako fotografiu, fascinuje ľudí už celé roky.

Takzvaná fotografická pamäť sa často objavuje vo filmoch či seriáloch, no vedecké poznatky naznačujú, že realita je podstatne zložitejšia.

Odborníci dnes upozorňujú, že neexistujú presvedčivé dôkazy o tom, že by ľudský mozog fungoval ako fotoaparát, ktorý dokáže vytvárať dokonale presné a nemenné obrazy reality.

Mozog si spomienky neukladá ako fotografie

Pamäť človeka je dynamický proces, ktorý sa neustále mení a ovplyvňuje ho množstvo faktorov. Vedci sa zhodujú, že ľudská pamäť nefunguje ako pevný disk ani digitálny archív.

Mozog nevytvára presné kópie všetkého, čo človek vidí alebo zažije. Namiesto toho si informácie spracováva, vyberá podstatné detaily a následne ich ukladá pomocou viacerých systémov.

Do fungovania pamäti sa zapájajú rôzne oblasti mozgu a viacero typov pamäťových mechanizmov.

• Krátkodobá pamäť nám pomáha uchovať informácie na niekoľko sekúnd alebo minút.
• Dlhodobá pamäť môže uchovávať spomienky celé desaťročia.
• Procedurálna pamäť, často označovaná ako svalová pamäť, pomáha zapamätať si pohybové činnosti.

Vďaka procedurálnej pamäti si človek dokáže zapamätať pohybové činnosti, napríklad jazdu na bicykli alebo plávanie, aj po dlhšej prestávke.

Spomienky nie sú nemenné

Moderná neuroveda ukazuje, že spomienky sa pri každom vybavení môžu mierne meniť. Mozog totiž nepracuje ako prehrávač videa, ktorý vždy pustí identický záznam.

Na naše spomienky vplývajú emócie, nové skúsenosti, aktuálny psychický stav aj spôsob, akým si danú situáciu spätne vysvetľujeme. Preto sa môže stať, že dvaja ľudia si tú istú udalosť pamätajú odlišne.

Ľudská pamäť je do určitej miery rekonštruktívna. To znamená, že mozog pri vybavovaní spomienok často dopĺňa chýbajúce detaily alebo upravuje pôvodné informácie.

Pamäť v tomto systéme nefunguje ako videoarchív, ale ako rekonštrukčná dielňa. Zakaždým, keď si vybavíte spomienku, mozog ju znova poskladá z fragmentov neurálnych stôp, pričom ju často nevedomky upraví podľa aktuálneho presvedčenia alebo nálady.

Existuje vôbec fotografická pamäť?

Pojem fotografická pamäť sa často zamieňa s takzvanou eidetickou pamäťou. Ide o schopnosť krátkodobo si veľmi detailne predstaviť obraz aj po tom, čo ho človek prestane vidieť.

Tento jav bol pozorovaný najmä u niektorých detí, no u dospelých je veľmi zriedkavý a stále nie úplne preskúmaný.

Vedci preto upozorňujú, že populárna predstava človeka, ktorý si dokáže v hlave uložiť stránku knihy úplne presne ako fotografiu a po rokoch ju bez chyby „prečítať“, nie je vedecky potvrdená.

To však neznamená, že mimoriadne schopnosti pamäti neexistujú. Niektorí ľudia majú výnimočne silnú vizuálnu pamäť alebo takzvanú hyperthyméziu - mimoriadne presnú autobiografickú pamäť, pri ktorej si dokážu detailne vybaviť udalosti zo svojho života.

Vizuálna pamäť a pozornosť

Aj keď mozog pravdepodobne nefunguje ako fotoaparát, stále dokáže fascinujúce veci. Vizuálna pamäť mnohých ľudí býva prekvapivo dobrá, najmä pri predmetoch, farbách či priestorových detailoch.

Skúste si jednoduchý test. Prezrite si obrázok s hračkami a pokúste sa zapamätať čo najviac detailov. Potom obrázok zavrite a odpovedzte na otázky z krátkeho kvízu.

Možno budete prekvapení, koľko informácií si váš mozog dokázal uchovať - aj bez „fotografickej pamäti“.

Neurónové spojenia a mapovanie mozgu

Ľudský mozog je zrejme najzložitejšia vec, aká v našom tele existuje. V lebke je natlačených asi 86 miliárd neurónov, ktoré sú navzájom prepojené 100 biliónmi synapsií, a z tejto spletitej siete nejakým spôsobom vzniká celá naša bytosť - všetky myšlienky, emócie, nádeje, spomienky a ďalšie veci, ktoré robíme.

Ľudský mozog je taký absolútne zložitý, že je takmer nemožné, aby sa napriek svojej výpočtovej sile skutočne pochopil.

Vedci sa pokúšajú zostaviť kompletnú schému zapojenia ľudského mozgu, známu ako „connectome“. Tím z Harvardovej univerzity a Google Research zverejnil doteraz najväčší súbor údajov o nervových spojeniach v ľudskom mozgu.

Táto vzorka meria len 1 mm3, čo je približne veľkosť jedného makového zrnka. V tomto priestore sa však nachádza neuveriteľných 57 000 neurónov, 230 mm ciev a 150 miliónov synapsií.

Mapovanie len tohto malého kúsku mozgu vygenerovalo úžasných 1,4 petabajtov, teda 1,4 milióna GB dát. Na štandardný dvojvrstvový disk Blu-Ray sa zmestí 50 GB dát.

To znamená, že zmapovanie len tohto malého kúsku mozgu vygenerovalo údaje zodpovedajúce 28 000 diskom Blu-Ray.

Výskumníci farebne označili neuróny vo vzorke na základe ich veľkosti a typu, čím vznikli snímky, ktoré vyzerajú ako husté lesy.

Zachytená oblasť mozgu je súčasťou predného spánkového laloku, ktorý je zodpovedný za sémantickú pamäť. Elektrické signály, ktoré tu vidíme, obsahujú vedomosti tejto osoby o predmetoch, slovách, faktoch a iných ľuďoch.

Niektoré zhluky neurónov sa z neznámych dôvodov vyskytujú v zrkadlových pároch. Iné ukazovali to, čo tím nazýva „axónové vŕšky“, kde dlhé časti vlákien neurónov vytvárali slučkovité hromady spôsobom, ktorý sa nikdy predtým nevidel.

Táto vzorka je len malým krokom ku konečnému cieľu, ktorým je zmapovanie celého ľudského mozgu, ale je samozrejmé, že k tomu máme ešte ďaleko.

Moderné skenovanie mozgovej činnosti

Špeciálny headset skenuje mozog v situáciách, kde sa to dosiaľ nedalo. Prototyp ľahkej helmy pre magnetoencefalografiu, teda MEG, využíva inovatívne kvantové senzory a novú metódu vynulovávania rušivých magnetických polí v prostredí.

MEG je zobrazovanie mozgovej činnosti na báze magnetických polí. MEG údaje sníma s milisekundovou presnosťou.

Rozdiel medzi klasickým a nositeľným MEG zariadením

Úspech vyplynul z päťročného programu s cieľom priniesť revolúciu v zobrazovaní ľudského mozgu. Znamená obrovský pokrok voči doterajším ťažkopádnym, typicky poltonovým stacionárnym MEG zariadeniam.

Doteraz používané mozgové skenery majú okolo pol tony, najmä kvôli potrebe chladiť senzory. Vyšetrovaný človek sa v nich navyše nesmie hýbať.

Helma oproti tomu nerušene sníma mozog trebárs pri kývaní hlavou, strečingu, pití i loptovej hre.

Prvý raz tak bude možné priamo merať mozgovú činnosť bábätiek, malých detí a všeobecne pacientov s pohybovými, vývojovými a neurodegeneratívnymi poruchami vrátane epilepsie, Parkinsonovej choroby a rôznych psychóz.

Konštrukcia ľahkej helmy

Členom tímu sa podarilo výrazne zmenšiť predmetnú technológiu najmä vďaka využitiu nových kvantových senzorov, funkčných aj pri izbovej teplote, ktoré sa vmestia do helmy vytlačenej na 3D tlačiarni.

Keďže sú veľmi blízko mozgu, snímajú intenzívnejší signál. Umožňujú to aj špeciálne elektromagnetické cievky, ktoré odtieňujú potenciálne rušivé vplyvy magnetického poľa Zeme.

Elektromagnetické cievky zoslabujú magnetické pole asi 50-tisíckrát. Rozmiestnené sú po oboch stranách vyšetrovaného, blízko múrov miestnosti, aby netrpel klaustrofóbiou.

Systém je nielen nositeľný a plne funkčný pri úmyselnom či chorobnom pohybe, ale aj citlivejší ako aktuálne dostupné zariadenia.

Helmu členovia tímu ďalej vyvíjajú tak, aby pripomínala cyklistickú. Má zvýšiť citlivosť vyšetrenia dospelých až 4-krát, u detí azda až 20-krát.

Nový skener umožní merať fungovanie zdravého mozgu pri rôznych úlohách z reálneho sveta a sledovať jeho činnosť pri sociálnych kontaktoch ľudí.

Prečo je zobrazovanie mozgu dôležité

Možnosť snímať mozgovú činnosť počas pohybu rozširuje výskum aj klinické využitie neurozobrazovacích metód. Vyšetrenie už nemusí byť obmedzené na úplný pokoj v stacionárnom zariadení.

Takéto zariadenie môže pomôcť skúmať mozog detí, bábätiek a pacientov, ktorí nedokážu dlhší čas nehybne zotrvať v klasickom skeneri.

Výsledky môžu byť významné pri štúdiu epilepsie, Parkinsonovej choroby, neurodegeneratívnych porúch, vývojových porúch a rôznych psychóz.

Mozog, pamäť a pravidelná stimulácia

Fungovaniu mozgu a možnostiam, ako podporovať pamäť, pozornosť a ďalšie kognitívne funkcie, sa venujú aj praktické prednášky a tréningy kognitívnych funkcií.

Účastníci sa môžu dozvedieť, prečo je dôležité mozog pravidelne stimulovať, ako možno jednoduchými aktivitami podporovať jeho kondíciu a aký význam má tréning pamäti v každodennom živote.

Téma je vhodná pre všetkých, ktorí sa zaujímajú o zdravý životný štýl, prevenciu, mentálnu kondíciu a možnosti, ako si udržiavať aktívnu myseľ.

Digitálne prostredie a kognitívne funkcie

Žijeme v dobe, keď nás digitálny svet obklopuje od rána do večera a často aj v noci. Notifikácie, e-maily, sociálne siete a nekonečné scrollovanie ovplyvňujú spôsob, akým mozog venuje pozornosť informáciám.

Mozog sa teší z nekonečného prísunu noviniek, no postupne stráda to, čomu neurológovia hovoria „snaha o poznanie“.

Digitálna amnézia

Fenomén, že si nič nepamätáme, lebo všetko máme v telefóne, má aj odborný názov: digitálna amnézia alebo kognitívny offloading.

Za týmto javom stojí neuroplasticita, teda schopnosť mozgu meniť svoje štruktúry a neurónové spojenia podľa toho, ako ich používame.

Mozog sa riadi jednoduchým pravidlom „use it or lose it“ - používaj to, alebo o to prídeš.

Mýtus multitaskingu

Multitasking neznamená, že mozog vykonáva dve kognitívne náročné veci naraz. Mozog len rýchlo prepína pozornosť medzi nimi.

Odborne sa tomu hovorí kognitívna fragmentácia a výsledkom je, že sa vyčerpáva glukóza, ktorá predstavuje palivo mozgu.

Ak mozog učíme, že pozornosť trvá maximálne tri minúty, postupne úplne stráca schopnosť hlbokého, neprerušovaného sústredenia.

Práve hlboké sústredenie je nevyhnutné na vytváranie takzvaných engramov, pamäťových stôp, čiže fyzických zmien v neurónovej sieti, ktoré uchovávajú novú informáciu.

Umelá inteligencia a mozog

Umelá inteligencia môže slúžiť ako kognitívny exoskelet pre prefrontálny kortex. Ak AI prevezme rutinnú mechanickú intelektuálnu prácu, uvoľní sa kapacita pre komplexnú syntézu, kritické vyhodnocovanie, strategické plánovanie a hlbokú kreativitu.

V oblasti umelej inteligencie výskum prediktívneho fungovania mozgu naznačuje, že skutočná inteligencia si bude vyžadovať viac než len spracovanie obrovského množstva dát.

Bude si vyžadovať stroje, ktoré majú „vnútorný model sveta“, generujú predpovede a majú istú formu „subjektívneho“ zážitku, ktorý im umožní efektívne sa orientovať v neistom prostredí.

Brain-computer interface a mozgové implantáty

Mozgové AI implantáty už nie sú len sci-fi predstava. Technológia, ktorá prepája mozog s počítačom, sa postupne dostáva do medicíny a môže zásadne zmeniť život ľudí s ochrnutím, neurologickými ochoreniami alebo stratou schopnosti komunikovať.

Ako funguje BCI

Brain-computer interface, skrátene BCI, je technológia, ktorá prepája nervový systém človeka s externým zariadením. Môže ísť o počítač, kurzor na obrazovke, robotickú ruku, protézu alebo inú pomôcku.

Základná myšlienka znie jednoducho: človek si predstaví pohyb a systém sa pokúsi zachytiť mozgový signál, ktorý s týmto zámerom súvisí.

V praxi ide o mimoriadne náročnú kombináciu neurovedy, medicíny, čipov, umelej inteligencie a softvéru.

Mozgové signály sú zložité, slabé a plné šumu. Umelá inteligencia pomáha lepšie rozpoznávať vzorce v týchto signáloch a prekladať ich do zrozumiteľných pokynov.

Možnosti využitia

Implantát môže zachytiť signál, že človek chce pohnúť prstami alebo uchopiť predmet, softvér ho vyhodnotí a následne ho pošle do robotickej rukavice.

Robotická rukavica pomocou mechanického pohybu pomôže ruke otvárať a zatvárať sa.

Najväčší prínos týchto technológií dnes nespočíva vo vylepšovaní zdravých ľudí. Reálny medicínsky potenciál vidíme najmä pri pacientoch, ktorí stratili schopnosť pohybu alebo komunikácie.

Pre človeka s ochrnutím môže schopnosť uchopiť predmet, ovládať počítač alebo vyjadriť potrebu znamenať obrovský návrat nezávislosti.

Etické otázky

Mozgové implantáty otvárajú vážne otázky. Kto vlastní dáta z mozgu? Ako ich firmy chránia? Čo ak algoritmus vyhodnotí signál nesprávne? Kde je hranica medzi liečbou a zásahom do identity človeka?

Mozgové implantáty tak otvárajú novú kapitolu medicíny. Nie je to technológia pre masy a nie je bez rizík.

tags: #mozog #fotografickeho #pristroja