Добро пожаловать на наш астрономический форум! Здесь вы сможете получить толковые ответы на свои вопросы по любительской астрономии основанные на опыте и знаниях, а не на догадках, мифах и чтении Интернета по диагонали. Если вы решили присоединиться к нам - придерживайтесь и Вы в своих ответах этих правил.

Преимущества бинокулярных наблюдений

Базовые понятия и термины астрономической оптики
Ответить
Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 11115
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Преимущества бинокулярных наблюдений

Сообщение Ernest » 27 дек 2013, 13:13

Смотри в оба!

[align=right]Копия превода статьи Ли Кейна (Lee Kain) 1996 г. в "Звездочете"[/align]
Эффект от бинокулярного (то есть двумя глазами) зрения в обычной жизни прост и понятен — благодаря ему мы можем видеть объем предметов и определять расстояния до них. Но это свойство неприменимо при наблюдениях небесных светил.

Астрономические объекты расположены от нас настолько далеко, что мы не можем видеть их в “стерео”. Однако, если вы сомневаетесь в пользе бинокулярного зрения для нас, звездочетов, просто выйдите ближайшей ясной ночью на улицу, взгляните на звездное небо и прикройте один глаз рукой. Почувствовали разницу? То-то и оно! Желание проводить астрономические наблюдения обоими глазами одновременно подвигло меня в свое время на строительство нескольких крупных бинокуляров диаметром 25, 33, а затем и 45 см.

Чтобы понять важность бинокулярного зрения для астрономии, необходимо осознать, что глаз имеет собственные “шумы”. Проведите простой эксперимент: закройте глаза и накройте их ладонями, дабы полностью блокировать свет. Вы убедитесь, что картинка не стала абсолютно черной, напротив, в зависимости от вашего физического состояния вы видите неравномерный мерцающий фон, испещренный появляющимися и исчезающими светлыми точками, линиями, кругами и прочими “шумами”. Встряхните головой или надавите пальцами на глазные яблоки, и световое шоу разгорится с новой силой.

Во время астрономических наблюдений в условиях очень низкой освещенности этот фон конкурирует со слабыми “полезными сигналами”, поступающими от галактик, туманностей и скоплений. Свет от объекта, попадающий одновременно на оба, глаза дает возможность мозгу подтверждать наличие реальных изображений, одновременно фильтруя ложные. Иначе говоря, бинокулярное зрение резко повышает для глаза отношение сигнал-шум, позволяя видеть более слабые объекты на более темном и равномерном фоне.

Повышение контраста

Исследователи бинокулярного зрения Кэмпбелл и Грин доказали, что оно дает примерно 40-процентный выигрыш при наблюдении низкоконтрастных изображений. Они дали математическое объяснение этому явлению: “стандартная ошибка суммы Х независимых измерений случайных или шумовых процессов уменьшается пропорционально квадратному корню из Х, поэтому наблюдатель двумя глазами (Х=2) может зарегистрировать изображение в квадратный корень из двух менее контрастное (то есть в 1.414 раза), чем одним глазом”.

Другими словами, бинокулярное зрение уменьшает ту минимальную разницу в контрасте, которую глаз еще в состоянии заметить. А ведь именно контраст объекта — то, как он выделяется на окружающем его фоне — играет даже более важную роль, чем его общая яркость, в вопросе о том, сможем ли мы его увидеть.

Хорошо известные любителям астрономии темная туманность Конская голова и диффузная туманность Пеликан наглядно демонстрируют преимущества наблюдения низконтрастных объектов обоими глазами одновременно. При самых благоприятных условиях труба телескопа позволит вам увидеть лишь слабые намеки на присутствие этих объектов в поле зрения. Используя свои самодельные бинокуляры, я вижу обе туманности безо всяких проблем.

Большие однородные туманности при рассматривании в крупный бинокуляр действительно светятся очень равномерно. При этом многие замечают, что те же объекты выглядят довольно зернистыми при наблюдениях в телескоп одним глазом. Подобная зернистость — не что иное, как все те же “шумы” адаптировавшегося к темноте глаза. Похожая зернистая картинка появляется на экране телевизора при просмотре видеокассеты, отснятой в условиях недостаточной освещенности.

Пороговая чувствительность

При наблюдениях вблизи порога чувствительности глаза 41-процентный выигрыш в контрасте позволяет засечь объекты, светящиеся на 41% слабее. Это справедливо как для звезд, так и для туманностей. Причем в случае туманностей, подобного эффекта нельзя получить простым увеличением диаметра объектива одиночного телескопа, так как вместе с яркостью объекта будет расти и яркость фона неба.

Офтальмолог Кейт Боуэн в результате тестирования большой группы добровольцев продемонстрировал, что бинокулярное зрение позволяет заметить источник света на 25-40 процентов слабее, чем монокулярное зрение. Основываясь на собственном опыте, могу констатировать, что с помощью своего 33-см бинокуляра в центральной части скопления галактик в Деве, в одном поле зрения в М86 я могу разглядеть восемь галактик. Из них лишь пять остаются видимыми, если один глаз закрыть.

Предельная звездная величина

Два глаза, работающие вместе, дают возможность увидеть более слабые звезды, чем один. Известный американский наблюдатель Ричард Берри, пользовавшийся некоторое время моим 45-см бинокуляром, заметил: “Для меня наблюдения обоими глазами увеличивают проницающую способность примерно на половину звездной величины”. Его оценка слегка более оптимистична, чем предсказывает теория, согласно которой выигрыш составляет 0.37 звездной величины.

Конечно, вы можете добиться того же самого, увеличив диаметр своего телескопа на 19 процентов, и это наверняка обойдется значительно дешевле строительства бинокуляра. Поэтому, хоть бинокуляры и дают преимущество при наблюдениях всех объектов, оно не столь велико для звезд, поскольку равноценный рост предельной звездной величины можно получить сравнительно небольшим увеличением диаметра объектива телескопа, например, с 20 до 25 см.

Видимость мелких деталей

Исследования Боуэна продемонстрировали улучшение разрешающей способности на 5-10 процентов при бинокулярных наблюдениях высококонтрастных объектов. Это приятное известие, но все же недостаточное для рекомендации бинокуляров для наблюдений ярких планет и двойных звезд, так как аналогичного эффекта можно добиться за счет весьма скромного увеличения диаметра объектива телескопа.

Совершенно иная ситуация складывается при наблюдениях низкоконтрастных объектов, таких как планетарные туманности. В этом случае бинокуляры дают гораздо больший выигрыш, повышая способность глаза различать мелкие детали на 40%.

Наблюдения в бинокуляр

Какое же преимущество дает применение бинокулярного зрения на практике? Из личного опыта и общения с другими наблюдателями я пришел к следующим выводам.

Шаровые скопления. Используя одиночный 40-см телескоп, наблюдатели часто описывают плотное скопление Омега Центавра как кишащее ползающими сквозь него “змеями”, а некоторые сравнивают его с “кипящей овсяной кашей”. Подобный феномен, на мой взгляд, вызван не атмосферными возмущениями, а тем, что мозг пытается выявить знакомую картину в узоре звезд, образующих скопление. При наблюдениях двумя глазами шаровые скопления выглядят гораздо более спокойными и лучше разрешаются на отдельные звезды.

Темные туманности. Без сомнения, бинокли дают потрясающий эффект при наблюдениях темных туманностей. Вот что написал по этому поводу Берри: “Когда я просматривал в 45-см бинокуляр район вблизи направления на центр Галактики, я решил поискать темные туманности, которые обнаружил несколькими ночами ранее в 50-см телескоп... Однако, бинокуляр запросто показывал темные туманности десятками, и вскоре я остановился в замешательстве, не зная, какие из них я уже видел прежде?”

Цветопередача. На мой взгляд, бинокулярное зрение улучшает цветовое восприятие астрономических объектов. Слабые ржавые и розовые оттенки внешних частей Туманности Ориона гораздо легче увидеть в бинокуляр, чем в одиночный телескоп с той же апертурой. Однако, я не могу привести здесь никаких цифр, описывающих эту разницу. Восприятие цветовых оттенков очень индивидуально, и возможно, не последнюю роль здесь играет воображение.

Объемность. Я уже отмечал ранее, что звезды и планеты слишком далеки от нас, чтобы мы могли их видеть объемными, и, тем не менее... Частенько я ловлю себя на мысли, что некоторые объекты, чаще всего рассеянные звездные скопления, при наблюдениях в бинокуляр кажутся очень даже объемными.

Присутствие. Самое сильное преимущество от использования двух глаз для наблюдения астрономических объектов невозможно описать формулами и выразить в цифрах. Это чувство того, что ты действительно видишь объект, а не его подобие. Многие начинающие любители астрономии говорили мне, что при наблюдениях в бинокуляр им казалось, что они смотрят в окно, тогда как наблюдения в телескоп давали ощущения просмотра картины сквозь маленькое отверстие в стене. Два фактора могут быть причиной подобного эффекта. Во-первых, получая подтверждение увиденной картины от двух глаз, мозг считает ее более “реальной”, а во-вторых, изображения объекта в обоих глазах имеют одинаковую форму и размер.

Может ли телескоп конкурировать?

Конечно, может. Меня часто спрашивают, какому бинокуляру может быть эквивалентен тот или иной одиночный телескоп? Обычно я отвечаю, что телескоп и бинокль, имеющие одинаковую светособирающую площадь объективов, примерно равны по своим возможностям, но точный ответ более сложен. При наблюдениях звезд одиночный телескоп эквивалентен бинокуляру, если диаметр его объектива на 19% больше, чем у бинокуляра. При наблюдениях планет различие стирается, если объектив телескопа всего на 10% превышает бинокулярный. Однако, при наблюдениях слабых протяженных объектов преимущество бинокуляров на 41% уже не может быть скомпенсировано аналогичным увеличением объектива телескопа.

А как насчет использования бинокулярной приставки — устройства, расщепляющего световой поток от объектива телескопа на две части, которые рассматриваются через два окуляра?

Давайте посмотрим, что из этого может получиться. При разделении светового потока пополам для каждого глаза яркость изображения падает на 50%, а компенсация бинокулярного зрения, как вы помните, составляет только 41%. Таким образом, в результате применения бинокулярной приставки яркость изображения будет не более 71% (0.50х1.41) от яркости, которая была бы при наблюдении с обычным окуляром. Однако в действительности дела обстоят еще хуже. Из-за потерь света в устройстве, разделяющем световой поток от объектива, глаз достигает не более 30% первоначальной яркости изображения, что в итоге дает всего 41% (0.30х1.41) яркости по сравнению с монокулярными наблюдениями на том же телескопе. И, тем не менее, дополнительный комфорт и более высокое эмоциональное воздействие, получаемое от работы с этим устройством, перевешивает возникающие при этом светопотери, что в общем не столь критично при наблюдениях ярких объектов.

Таким образом, если вы специализируетесь на наблюдениях звезд и ярких планет, то вам не стоит инвестировать свои деньги в строительство бинокуляра — гораздо выгоднее их будет потратить на телескоп с немного большим диаметром объектива или на хорошую бинокулярную приставку. Однако, если вы, как и я, предпочитаете вглядываться темными безлунными ночами в бесконечно далекое призрачное сияние туманностей и галактик, именно крупный бинокуляр предоставит вам неоспоримое преимущество. Купить в магазине такой инструмент невозможно, поэтому, не пожалейте времени и энергии, чтобы построить себе инструмент, который откроет для вас совершенно новые горизонты.

Аватара пользователя
Ernest
Основатель
Сообщения: 11115
Зарегистрирован: 12 окт 2009, 10:55
Откуда: Санкт-Петербург, Бухарестская, д.33, к.1

Re: Преимущества бинокулярных наблюдений

Сообщение Ernest » 29 дек 2013, 14:42

Мои комментарии или скорее соображения по статье...

Статья давняя, но до сих пор бинотелескопов на руках у наблюдателей ничтожный процент, за их промышленное производство массовые производители не берутся. "Практика - критерий истины" и, похоже, что эта максима работает против бинокулярных телескопов. Все их преимущества не выдерживают конкуренции с другими более удобными и простыми способами повышения эффективности астрономических наблюдений.
Однако, если вы сомневаетесь в пользе бинокулярного зрения для нас, звездочетов, просто выйдите ближайшей ясной ночью на улицу, взгляните на звездное небо и прикройте один глаз рукой. Почувствовали разницу? То-то и оно!
Отличный тезис! Да еще в самом начале статьи. Мне он кажется не убиваемым, жалко, что автор не остановился на этом столь сильном козыре и быстро перешел к перечислению преимуществ бинокулярных инструментов и к их доказательствам, которые читателю трудно проверить не приобретя бинокулярного телескопа большой апертуры... А после вложения немалых средств, а тем более, потратив месяцы и годы на изготовление бинокулярного телескопа, уже трудно не пропитаться к своему детищу сильно предвзятым мнением.

А ведь все просто, дешево и даже интересно: выйти под ясное звездное небо (в правильно подобранных очках, если есть проблемы со зрением) и, гладя на небо, оценить все преимущества наблюдений двумя глазами против одного (прикрывая по очереди один из глаз). Тут сразу и станет понятно: насколько больше видно звезд, как улучшается стереовидение (объемность картинки по астрономическим объектам), насколько лучше проявляются дипскай объекты (Плеяды, Туманность Ориона, Лагуна, Ясли, Туманность Андромеды, хи-аш Персея и т.п.), улучшается-ли разрешение (по Алькору и Мицару, числу звезд в Плеядах)... С появлением оптики между глазами и небом преимущества наблюдений двумя глазами могут только нивелироваться. Можно ничего не знать о том как работает бинокулярное зрение - достаточно поставить перед ним задачу схожую с той, которая возникает при бинокулярных инструментальных наблюдениях астрономических объектов, чтобы увидеть степень улучшения восприятия астрономических изображений. Такой эксперимент над своим зрением безо всяких инструментов может осуществить любой и понять насколько именно для него бинокулярное зрение способствует росту главных наблюдательных факторов: проницания и разрешения (различения).
Чтобы понять важность бинокулярного зрения для астрономии, необходимо осознать, что глаз имеет собственные “шумы”
Это верно для любого фотоприемника. Жалко что мы не вполне отчетливо понимаем на каком уровне отсекаются эти шумы при бинокулярном зрении - на уровне каждого канала до их сравнения для извлечения информации по стереозрению: небольших различий во взаимном положении изображений предметов для того, чтобы почувствовать относительное расстояние до них. Или эти шумы усредняются после объединения каналов вместе с анализом глубины? Если верно первое, то шумы (индивидуальные для каждого из двух глаз) просто будут участвовать в построении пространственного плана в расположении предметов, то есть при объединении каналов работает только вычитание картинок в том числе и шумов - усреднения не происходит... Если верно второе, то наряду с вычитанием сигналов от двух глаз (для получения чувства объема) происходит и их усреднение что помогает отфильтровать индивидуальные шумы каждого из глаз.
Так что само по себе наличие шумов ни как не является аргументом в пользу бинокулярного зрения при астрономических наблюдениях. Исходя из строения голов более примитивных существ (рыбы, куры и т.д.) глаза большей частью у них работали независимо и эволюция должна была позаботиться о подавлении шумов зрительной системы без привлечения информации от второго канала. Бинокулярное зрение особенно развито у хищников, которым в первую очередь требуется вычислитель дистанции для эффективной атаки. То есть усложнение мозга на бинокулярность потребовалось в первую очередь для оценки дистанций до наблюдаемых объектов.
Использует-ли его наш мозг и для фильтрации шумов? Это возможно, но реализует-ли наш эту возможность - ответ может дать только прямое изучение наших зрительных ощущений.
Свет от объекта, попадающий одновременно на оба, глаза дает возможность мозгу подтверждать наличие реальных изображений, одновременно фильтруя ложные. Иначе говоря, бинокулярное зрение резко повышает для глаза отношение сигнал-шум, позволяя видеть более слабые объекты на более темном и равномерном фоне.
В принципе это возможно (вполне понятен механизм такого усреднения для фильтрации шумов), но ставить знак равенства между возможностью и наличием такого механизма подавления шумов не правомерно.
Исследователи бинокулярного зрения Кэмпбелл и Грин доказали, что оно дает примерно 40-процентный выигрыш при наблюдении низкоконтрастных изображений. Они дали математическое объяснение этому явлению: “стандартная ошибка суммы Х независимых измерений случайных или шумовых процессов уменьшается пропорционально квадратному корню из Х, поэтому наблюдатель двумя глазами (Х=2) может зарегистрировать изображение в квадратный корень из двух менее контрастное (то есть в 1.414 раза), чем одним глазом”.
Они объяснили как это можно было бы сделать - показали предпосылки такой фильтрации. Но использует-ли мозг эти предпосылки?
При наблюдениях вблизи порога чувствительности глаза 41-процентный выигрыш в контрасте позволяет засечь объекты, светящиеся на 41% слабее. Это справедливо как для звезд, так и для туманностей. Причем в случае туманностей, подобного эффекта нельзя получить простым увеличением диаметра объектива одиночного телескопа, так как вместе с яркостью объекта будет расти и яркость фона неба.
Это не так! "Простое" увеличение диаметра апертуры (примерно на 20%) дает возможность при той-же яркости картинки использовать на 20% большее увеличение, при этом изображение того-же объекта занимает на 40% большую площадь, на 40% больше зрительных окончаний участвуют в построении изображения. Очевидно, усреднение по ним должно давать примерно тот-же эффект, что и усреднение от двух каналов (если оно имеет место быть) двух глаз каждый из которых запитывается телескопом с апертурой на 20% меньшей.
Офтальмолог Кейт Боуэн в результате тестирования большой группы добровольцев продемонстрировал, что бинокулярное зрение позволяет заметить источник света на 25-40 процентов слабее, чем монокулярное зрение.
Это уже не математика. Если этот эксперимент имел место, то это хороший аргумент в пользу усреднения после объединения каналов. И опять-же не надо быть офтальмологом, чтобы выйдя под ясное ночное небо убедиться в справедливости (или нет) этого тезиса для вашего зрения!
Известный американский наблюдатель Ричард Берри, пользовавшийся некоторое время моим 45-см бинокуляром, заметил: “Для меня наблюдения обоими глазами увеличивают проницающую способность примерно на половину звездной величины”. Его оценка слегка более оптимистична, чем предсказывает теория, согласно которой выигрыш составляет 0.37 звездной величины.
Такой-же прирост дает 20% прирост апертуры в одноглазом режиме.
Конечно, вы можете добиться того же самого, увеличив диаметр своего телескопа на 19 процентов, и это наверняка обойдется значительно дешевле строительства бинокуляра.
Ну да...
Исследования Боуэна продемонстрировали улучшение разрешающей способности на 5-10 процентов при бинокулярных наблюдениях высококонтрастных объектов.
Что равно 2.5-5% приросту апертуры телескопа при использовании его в одноглазом режиме.
Совершенно иная ситуация складывается при наблюдениях низкоконтрастных объектов, таких как планетарные туманности. В этом случае бинокуляры дают гораздо больший выигрыш, повышая способность глаза различать мелкие детали на 40%.
То есть для уравнения традиционного наблюдателя против наблюдателя использующего бинотелескоп (инструмент подобный сильно увеличенному биноклю: две трубы, два окуляра + система зеркал или призм для наблюдений двумя глазами) традиционному наблюдателю можно использовать телескоп с на 20% большей апертурой.
На мой взгляд, бинокулярное зрение улучшает цветовое восприятие астрономических объектов. Слабые ржавые и розовые оттенки внешних частей Туманности Ориона гораздо легче увидеть в бинокуляр, чем в одиночный телескоп с той же апертурой. Однако, я не могу привести здесь никаких цифр, описывающих эту разницу. Восприятие цветовых оттенков очень индивидуально, и возможно, не последнюю роль здесь играет воображение.
Скользкий аргумент и нечеткая аргументация.
Частенько я ловлю себя на мысли, что некоторые объекты, чаще всего рассеянные звездные скопления, при наблюдениях в бинокуляр кажутся очень даже объемными.
Ну да - мозг конвертирует в объемность дефекты изображений связанные с дисторсией и т.п. различиями изображений в левом и правом канале.
При наблюдениях звезд одиночный телескоп эквивалентен бинокуляру, если диаметр его объектива на 19% больше, чем у бинокуляра. При наблюдениях планет различие стирается, если объектив телескопа всего на 10% превышает бинокулярный.
Честное признание.
Однако, при наблюдениях слабых протяженных объектов преимущество бинокуляров на 41% уже не может быть скомпенсировано аналогичным увеличением объектива телескопа.
На мой взгляд - может. 20% прибавка к апертуре позволяет при том же увеличении на 40% повысить уровень сигнала (освещенность на сетчатке), что эффективно и понятно подавляет шумы.
А как насчет использования бинокулярной приставки... дополнительный комфорт и более высокое эмоциональное воздействие, получаемое от работы с этим устройством, перевешивает возникающие при этом светопотери, что в общем не столь критично при наблюдениях ярких объектов.
Таким образом область их применения автор сводит к повышению комфорта при длительных наблюдениях ярких объектов типа планет, Луны и т.п. Согласен.

Теперь пара слов о моем небольшом опыте.

Я соорудил (напечатал на принтере) несколько простых карточек с монохромным слабо контрастным рисунком (типа как на комуфляже) повторенном в разном масштабе, заперся в ванной комнате с выключенным светом, потратил примерно час на зрительную адаптацию (пришлось выслушать пару симфоний). Светодиодным фонариком с заслонкой подобрал уровень освещенности на стенке комнаты, где были развешены заранее мои таблички, такой, чтобы мой SQL показал 21.5m/sec2 - обычный уровень яркости неба при ночных равнозрачковых наблюдениях.
Затем с расстояния 2 метра стал внимательно изучать рисунок картинок, начиная с самой контрастной: правым глазом, левым и под конец двумя, фиксируя замеченные детали.
Ну что же,.. Ли Кейн кое в чем оказался прав!
(1) По одной и той-же карточке детализация зафиксированная двумя глазами была однозначно выше того, что видели глаза по одиночке. Причем, мой любимый правый глаз (я наблюдаю в основном им) немного проиграл левому, который в свою очередь очевидно "слил" наблюдению двумя глазами.
(2) По карточкам с разным масштабом (с тем же рисунком, и том же уровне освещенности) одной и той же картинки детализация правого глаза примерно соответствовала левому при разнице в масштабе около 10%. Два глаза давали примерно ту-же детализацию, что и левый глаз при разнице в масштабе картинок 30% (в пользу бинокулярного зрения). Признаться цифры весьма приблизительные - трудно точно оценить примерное равенство в ускользающих деталях при столь низкой яркости картинки.
(3) Аналогичный эффект но с более непрерывным и вроде-бы более релевантным результатом получался при уравнивании ощущений детализации методом подбора расстояния до изучаемого тест-объекта, когда его детализация при взгляде одним глазом примерно равна при наблюдении другим или обоими. Дистанция до картинки, на которой два глаза, левый и правый давали примерно ту-же степень детализации составили в среднем для разных тест объектов: 2 метра, 160-170 см и 150-160 см.
То есть переводя эти результаты на язык визуальных телескопических наблюдений дипскай-объектов, получаем для моих глаз, что полноценный бинокуляр на равнозрачковых увеличениях даст примерно ту же детализацию и проницание, что и телескоп с апертурой на 20% большей (чем каждая из труб бинотелескопа) для левого глаза и примерно на 30% для правого глаза. Биноприставка, которая уменьшает яркость изображения в каждом канале примерно на 60%, очевидно потребует использования телескопа немного большей апертуры, для достижения того-же проницания/разрешения по дипскай-объетам что при наблюдении одним глазом.

Думаю, всякий, кому интересна тема бинокулярных наблюдений дипскай-объектов сможет оценить эффективность своего зрения по описанной выше методике и далее уже решать, что ему действительно лучше.

Для определения того насколько улучшается видимость тонких контрастов при планетных наблюдениях, думаю, надо будет сделать на очки диафрагмы диаметром 0.7-0.5 мм и потестировать мои глаза порознь и совместно на разрешение по слабоконтрастным мирам в условиях хорошего освещения. Может быть я посвящу этому день на этих новогодних каникулах.

Ответить