Une nouvelle étude identifie la véritable limite de résolution de la vue humaine, montrant que nos yeux maximisent déjà les détails bien avant que les derniers écrans 8K n'atteignent leur plein potentiel.
Étude : Limite de résolution de l'œil : combien de pixels pouvons-nous voir ? Crédit image : Only_NewPhoto/Shutterstock.com
À mesure que les écrans mobiles continuent de progresser, la résolution maximale en pixels de l'œil est devenue la nouvelle référence, car les améliorations au-delà de ce point n'améliorent pas l'expérience visuelle. Une étude récente publiée dans Communications naturelles déterminé la résolution du système visuel humain grâce à une nouvelle configuration expérimentale.
Introduction
La « résolution rétinienne » fait référence à la limite supérieure de la perception de l'œil humain. À mesure que la technologie d’affichage moderne se rapproche de ce seuil, l’ajout de détails supplémentaires dans l’image risque de ne plus améliorer la qualité visuelle. L'étude actuelle visait à définir la limite de la résolution d'affichage.
Des recherches antérieures ont identifié diverses composantes de la résolution rétinienne. Des études antérieures se sont concentrées sur les aberrations optiques, les objets en mouvement, la discrimination de forme ou l'acuité visuelle de manière isolée.
En revanche, cette étude adopte une approche holistique. En plus de trouver la limite de résolution pour un affichage de haute qualité, il explore également comment la résolution change à travers la rétine et comment les changements dépendants de la couleur affectent la netteté visuelle sous des niveaux d'éclairage identiques.
La résolution de l'œil dépend de facteurs neuronaux et optiques, tels que le type de stimulus, la couleur, la luminosité et le mouvement, ainsi que de l'endroit où l'image tombe sur la rétine. L’interaction de ces facteurs est à la fois complexe et imprévisible.
Par exemple, les différentes couches de l’œil diffusent la lumière qui leur tombe dessus. La présence d’imperfections à la surface cornéenne, appelées aberrations optiques, entraîne une focalisation imparfaite de la lumière sur la rétine. La diffraction de la lumière à travers la fente pupillaire limite également la fréquence maximale de résolution.
L'accommodation est un processus optique dans lequel le cristallin ajuste sa courbure pour focaliser les images sur la rétine. Les erreurs dans ce processus entraînent une modification de la limite de résolution selon les différentes distances de visualisation. La résolution rétinienne est également influencée par la répartition inégale des photorécepteurs et des cellules ganglionnaires rétiniennes. La fovéa, densément remplie de cellules coniques qui détectent les couleurs et les détails fins, offre la vision la plus nette, tandis que la résolution diminue vers la périphérie, où les cônes deviennent moins concentrés.
Toute expérience visant à définir la résolution rétinienne doit fournir une résolution contrôlée en continu et avec précision du stimulus affiché. Sans cela, il est impossible de déterminer le point exact auquel l’œil peut percevoir une image avec netteté sans flou perceptible.
La résolution d'une image sur un affichage électronique est limitée par sa résolution inhérente, qui ne peut être modifiée à la baisse que sous forme de variantes entières de ce nombre. Les résolutions intermédiaires nécessitent donc un rééchantillonnage numérique ; cependant, cela modifie également la fréquence du stimulus.
L’expérience actuelle utilise un écran coulissant motorisé pour déplacer l’image vers ou loin du spectateur, produisant ainsi un contrôle continu de la résolution. Les mesures ont été effectuées de manière binoculaire, offrant une représentation plus naturaliste de la vision du monde réel et tirant parti des effets de sommation binoculaire. Il s'agit d'une reprise d'une étude beaucoup plus ancienne de Wertheim (en 1894), qui utilisait des réseaux métalliques pour déterminer les diminutions relatives de résolution à divers emplacements parafovéaux.
La configuration actuelle utilisait une technologie avancée pour fournir des seuils comportementaux de résolution visuelle à l’aide de méthodes psychophysiques fiables. Les chercheurs ont mesuré la résolution fovéale des images en noir et blanc (achromatiques) et chromatiques (rouge-vert et jaune-violet) à des excentricités de 10° et 20° par rapport à la fovéa. Ils exprimaient la résolution la plus élevée détectée par l'œil à différentes distances de la fovéa en pixels par degré d'excentricité (depuis la fovéa), ou ppd.
Rendu du dispositif expérimental. L'écran peut glisser sur des rails vers ou loin de l'observateur.
Résultats de l'étude
Historiquement, sur la base de l'acuité visuelle de 20/20 qui est la plus élevée sur le tableau d'acuité visuelle de Snellen, largement utilisé, une résolution de 60 ppd a été considérée comme idéale pour les écrans. Cependant, les jeunes ayant une vision normale ont généralement une vision meilleure que 20/20.
L'Apple iPad Pro de 7e génération utilise 65 pixels par degré (ppd) à une distance de visualisation minimale de 35 cm. En revanche, cette expérience a démontré une résolution plus élevée. Au niveau de la fovéa (excentricité nulle), la résolution moyenne de la population pour les images en noir et blanc était de 94 ppd. Les résolutions individuelles atteignaient 120 ppd.
Pour la vision chromatique, la limite de résolution fovéale était de 89 ppd pour les motifs rouge-vert et de 53 ppd pour les motifs jaune-violet. En s'éloignant de la fovéa, la limite de résolution diminuait beaucoup plus avec les motifs chromatiques qu'avec les motifs achromatiques. La similitude entre la résolution rouge-vert et achromatique reflète probablement l'inclusion des deux voies de couleur plutôt que l'isolement de mécanismes chromatiques spécifiques.
Ces résultats fournissent un cadre pour développer des affichages visuels plus efficaces et plus rentables. Par exemple, une fois que les résolutions d’affichage atteignent ces seuils, de nouvelles augmentations apportent un bénéfice perceptuel négligeable pour la plupart des observateurs.
Une autre application est la compression vidéo, où ces informations peuvent être utilisées pour réduire la résolution des couleurs tout en conservant la résolution achromatique. Cela préserverait la qualité de l’image tout en réduisant la quantité de données stockées.
Traditionnellement, la résolution chromatique est réduite deux fois plus que celle achromatique, en supposant que l'œil est moins sensible au contraste des couleurs à hautes fréquences. Cette étude montre que cela s’applique uniquement aux voies de couleur jaune-violet mais pas aux voies de couleur rouge-vert. Cela concorde avec l’hypothèse selon laquelle l’œil humain est plus sensible aux couleurs rouge-vert dans les mêmes conditions d’éclairage.
Encore une fois, la baisse de résolution vers la périphérie pour les stimuli chromatiques sous-tend et étend l'utilisation de techniques telles que le rendu fovéal ou la compression fovéale, contribuant ainsi à économiser sur les coûts de calcul et la bande passante en réduisant la résolution chromatique mais pas achromatique, en supprimant les détails invisibles pour améliorer les performances de codage.
Les chercheurs ont modélisé les limites de résolution au sein d’une population, démontrant une grande variabilité individuelle, notamment en termes de vision périphérique. Leur modèle probabiliste permet aux concepteurs de cibler les écrans à « résolution rétinienne » pour un pourcentage souhaité d'utilisateurs (par exemple, 95 % plutôt que l'observateur moyen).
Les scientifiques ont ensuite modélisé les distributions de probabilité au niveau de la population et exploré comment la limite de résolution est exprimée dans la vie réelle en ce qui concerne les distances de visualisation et les expériences d'affichage. Les résultats ont démontré une variation de population, en particulier dans les emplacements rétiniens excentriques, aidant ainsi à concevoir des interfaces visuelles pertinentes pour la plupart des gens.
Ces résultats fournissent également une base potentielle pour mettre à jour les lignes directrices existantes basées sur des hypothèses de distance de visualisation. Par exemple, les images télévisées extrêmement détaillées (8K, soit huit fois la résolution habituelle) n’offrent aucun avantage visuel par rapport aux images 4K au-delà d’une distance de 1,3 hauteur d’affichage. Au-delà de cette distance, l’œil ne parvient pas à capter des pixels distincts.
L’étude a mesuré l’acuité binoculaire, un résultat plus naturaliste que l’acuité monoculaire. Dans l’ensemble, il confirme les résultats antérieurs des études de résolution et améliore leur portée en incluant l’ensemble du système visuel dans l’évaluation.
Notamment, il ne s’agissait pas d’une expérience mécaniste mais plutôt d’une expérience pratique visant à définir la réponse du système visuel humain aux distances de visualisation et aux différentes résolutions, déterminant ainsi la limite de résolution effective pour la vision humaine.
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