Adam Cebula „Bulion z soczewek na Halloween”

Para-Nauka Adam Cebula - 22 listopada 2019

Nie mam smartfona, nie mam niechęci do właścicieli telefonów, nie za bardzo chce mi się ratować świat. Nie, nie zamierzam tłumaczyć ludziom, czemu wywalają swoje pieniądze w błoto. Jeśli chcą… jeśli sprawia im to przyjemność… Niech wywalają.

Nie przejmuję się też za bardzo, że tak zwany postęp technologiczny hula po manowcach. Hulał zawsze. Gdy cofniemy się do początków XX w. i wieku dziecięcego techniki samochodowej, możemy po bliższym zaznajomieniu się ze stanem rzeczy wpaść z wrażenia pod stół. Jeśli powiem, że 90% konkretnych konstrukcji służyło tylko i wyłącznie zaspokajaniu ambicji i zachciewajek ówczesnych bogaczy, że to wszystko miało dość luźny związek z rozwojem techniki, a często szło przeciw niemu – będzie to dość łagodne określenie na to, co się działo. Kto się interesował, wie, że budowano monstra (za ciężkie co najmniej kilkanaście razy) o jednostkach napędowych, które miały pojemność bliższą kotłom do gotowania zupy dla wojska niż cylindrom uczciwego motoru spalinowego. A jednak… utrzęsło się.

Jeśli nawet robimy rzeczy absurdalne, a zazwyczaj je robimy, to zbieramy doświadczenie i po jakimś czasie wychodzi coś, co nazywamy postępem naukowo-technicznym.

Przeczytałem w Gazeta.pl alarmujący tekst o tym, że wrócił wyścig na megapeksele. Autor dzielnie podjął się wytłumaczyć, czemu to nie ma sensu i czemu nie wykonają zdjęć w rozdzielczości 108 megapikseli. Jak pisze: „Liczy się powierzchnia piksela”. Oczywiście, że „Im więcej megapikseli ma aparat, tym mniejszą powierzchnię ma każdy z pikseli i tym samym mniej światła na niego pada. I odwrotnie – im mniej megapikseli, tym więcej światła przyjmuje każdy z nich”.

Wątpliwości mam już przy kolejnym akapicie: „W praktyce – gdy pikseli jest za dużo, zdjęcie ma sporo cyfrowego szumu”.

Auć! A cóż to cyfrowy szum? Czymże się różni od szumu tak w ogóle? Różni się. Lecz czytajmy dalej: „… (zdjęcie) jest nieprzyjemnie „sztuczne” i wygląda źle w trudnych warunkach oświetleniowych”.

A musi? Nie, nie będę się spierał, że „Kluczem jest znalezienie złotego środka, który oscyluje w okolicach wspomnianych 12 Mpix”.

No dobrze… Od początku. Czemu liczy się powierzchnia… sensela? Lepiej rozróżnić pomiędzy senselem a pikselem. Bo piksel, panie tego, to może być wartość sygnału wyliczona na podstawie jego pomiaru w czterech senselach. Piksel, trzeba dodać o co chodzi, a sensel to pojedyncza fotokomórka rejestrująca światło. Przykryta filtrem czerwonym, zielonym lub niebieskim, posiadająca własną soczewkę itd. Więc ów sensel oczywiście staje się tym mniejszym, im więcej wpakujemy ich na matrycę.

Jest on niestety już dość mały, żeby zaczęły się kłopoty z mechaniką kwantową. Oraz… z elektroniką. We współczesnych aparatach mamy już takie zjawisko, że zaczyna brakować fotonów tworzących obraz. W lustrzankach i mających podobnie wielkie matryce bezlusterkowcach z wymienną optyką dzieje się coś takiego, że po przekroczeniu czułości ponad 400-800 ISO mamy mniej niż jeden elektron wygenerowany w owym senselu na zliczenie przetwornika analogowo-cyfrowego. Elektron generuje pojedynczy foton. Te fotony, gdy jest trochę ciemniej, latają za rzadko. W efekcie, gdy podkręcamy ISO, naprawdę jedynie wzmacniamy szum, tym razem kwantowy.

Wiem, że nikt już mnie nie rozumie, ale jeszcze dodam: zaszumienie nie tylko kwantowe, ale suma szumów, jest tym większe, im mniejszy ów sensel. A szum powoduje inne efekty: zmniejszenie dynamiki i rozdzielczości. Dynamika odpowiada zapewne za wrażenie owego sztucznego wyglądu. Zaś rozdzielczość to liczba szczegółów możliwie najmniejszych, które potrafi zarejestrować aparat. To ma zapewniać owe 108 megapikseli.

Mógłbym zacząć lamenty, że za recenzje sprzętu biorą się ludzie którzy… itd. Niech im tam będzie, w sumie praktyczne rady są dobre, w sumie zapewne na skutek przykazania jakiegoś naczelniejszego redaktora, by unikać niezrozumiałych terminów, wyszło prawie dobrze.

Uderzyło mnie co innego. Ani słowa o, przepraszam wrażliwe uszy, kryterium Rayleigha. Straszna sprawa, dla dzisiejszej publiczności tajemna jak losy Twardowskiego, ale bywało za nie tak dawnych czasów, że przy każdej niemal okazji omawiania jakiegoś sprzętu optycznego wywoływano owego demona.

Albowiem w XIX wieku zrozumienie tego zagadnienia (dziś mówimy też: limitu dyfrakcyjnego) otworzyło drogę do zbudowania na przykład teleskopów, które pozwoliły nam wejrzeć w czeluści kosmosu. To zagadnienie w efekcie wstrząsało po kilkakroć filozoficzną wizją świata. Okazało się że nie ma jednej galaktyki, a jest ich wiele, potem, że kosmos nie jest statyczny, ale gna w przestrzeń na zatracenie, a na końcu synteza apertury, czyli sposób na powiększenie średnicy zwierciadeł teleskopów, doprowadził do ciemnej materii i energii.

Sprawa jest dość prozaiczna: im większy obiektyw, tym mniej rozmazany obraz. Falowa natura światła powoduje, że minimum to kilka milimetrów. Dlatego owady, które są mniejsze od minimalnego rozmiaru soczewki, mają tzw. oczy dzielone, które – choć kiepsko – pozwalają biedakom cokolwiek widzieć.

Gdy chcemy mieć ostry obraz (bezpieczniej powiedzieć: o dużej rozdzielczości), obiektyw aparatu musi być duży. Na przykład tzw krótki teleobiektyw musi mieć średnicę kilkunastu centymetrów. Więcej niż rozmiar smartfona. Im mniejsza odległość pomiędzy punktami (lepiej liniami), które można rozróżnić (obojętne, czy są umieszczonymi w kosmosie, czy z drugiej strony obiektywu, na matrycy), tym większa musi być średnica tegoż obiektywu.

To już dalsza rzecz, że do tego, aby miały sens matryce rzędu 108 megapikseli, optyka aparatu musi mieć rozmiary mniej więcej takie jak w zapomnianych już aparatach średnioformatowych.

Zadumałem się nad tym faktem, że z obszaru podstawowej, niezbędnej wiedzy popularyzatorskiej wyrwało pojęcie, które całkiem niedawno było co chwilę powtarzane, bo tłumaczyło choćby dlaczego rozwój ludzkiej wiedzy odbywał się tak, a nie inaczej. To przecież jedna z pyszniejszych opowieści – dlaczego Janowi Heweliuszowi nie udało się za pomocą długiego na jakieś 40 metrów teleskopu powietrznego zaobserwować ludzi na Księżycu.

Gdybyż autor tekstu znał tę opowieść i jej właściwą puentę, to powiedziałby czytelnikom rzecz zasadniczą w kwestii owych 108 megapikseli: nie da się, dokładnie tak, jak się nie dało Heweliuszowi, bo rozdzielczość załatwi limit dyfrakcyjny mikrusiej optyki. Nie są potrzebne żadne dalsze dywagacje, wiemy, o co ludzkość rozbiła sobie twarz te setki lat wcześniej.

Jednak ludzkość znacznie dłużej, bo przez tysiąclecia, być może nawet dobre dziesiątki tysięcy lat ćwiczyła umiejętność tłumaczenia czegoś, czego się kompletnie nie rozumie. Często z niezłym skutkiem: ludzi leczono i przekazywano wiedzę medyczną nie znając bakterii, nie wiedząc o istnieniu (nie mówiąc już o funkcjonowaniu) narządów. Budowano katedry i zamki, nie mając pojęcia o prawach fizyki, wyliczając grubości ścian i nachylenia łuków na podstawie reguł rysunkowych. Czasem coś się efektownie zawaliło, ale – średnio rzecz biorąc – jakoś się trzymało i cegły na łepetynę nie spadały. Czasami zaraza wycinała połowę miasta leczonego wedle intuicyjnych recept, ale druga połowa…

Artykuł, który tu obmawiam, jest piękną ilustracją tego, że w odniesieniu do współczesnego świata robimy dokładnie to samo. Straszno?

Adam Cebula

Ściągnij tekst:

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „Wernyhorzenia ciąg dalszy”
Felietony Adam Cebula - 1 września 2014

Tak sobie pomyślałem, że gdybym miał napisać na cito jakiś tekst w konwencji fantastyki naukowej, i na dodatek tak,…

Adam Cebula „W obliczeniach tkwi błąd”
Felietony Adam Cebula - 16 września 2015

A może by tak przyjąć ryzykowną i ekstrawagancką tezę, że książki fantastyczne nie opisują przygód zielonych marsjańskich fifoludków…

Adam Cebula „Paktów nie dotrzymywać!”
Felietony Adam Cebula - 2 czerwca 2017

Jak w SF funkcjonuje motyw katastroficzny? Można by odpowiedzieć „dobrze”. Co chwilę…

Do NOT follow this link or you will be banned from the site!