stringtranslate.com

Подводное зрение

Аквалангист с бифокальными линзами, установленными на маске

Подводное зрение — это способность видеть объекты под водой , и на это существенно влияет несколько факторов. Под водой объекты менее заметны из-за более низкого уровня естественного освещения, вызванного быстрым затуханием света с расстоянием, пройденным через воду. Они также размываются из-за рассеивания света между объектом и наблюдателем, что также приводит к снижению контрастности. Эти эффекты зависят от длины волны света, цвета и мутности воды. Глаз позвоночных обычно оптимизирован либо для подводного зрения, либо для воздушного зрения, как в случае с человеческим глазом. Острота зрения оптимизированного для воздуха глаза серьезно страдает от разницы в показателе преломления между воздухом и водой при погружении в прямой контакт. Предоставление воздушного пространства между роговицей и водой может компенсировать, но имеет побочный эффект искажения масштаба и расстояния. Дайвер учится компенсировать эти искажения. Искусственное освещение эффективно для улучшения освещения на близком расстоянии. [1]

Стереоскопическая острота , способность оценивать относительные расстояния различных объектов, значительно снижается под водой, и на это влияет поле зрения. Узкое поле зрения, вызванное небольшим смотровым окном в шлеме, приводит к значительному снижению стереоостроты и связанной с этим потере координации рук и глаз. [1] На очень коротком расстоянии в чистой воде расстояние недооценивается в соответствии с увеличением из-за рефракции через плоскую линзу маски, но на больших расстояниях - больше, чем досягаемость руки, расстояние имеет тенденцию переоцениваться в степени, зависящей от мутности. Как относительное, так и абсолютное восприятие глубины снижается под водой. Потеря контрастности приводит к переоценке, а эффекты увеличения объясняют недооценку на коротком расстоянии. [1] Дайверы могут в значительной степени адаптироваться к этим эффектам со временем и с практикой. [1]

Световые лучи изгибаются, когда они перемещаются из одной среды в другую; величина изгиба определяется показателями преломления двух сред. Если одна среда имеет определенную изогнутую форму, она функционирует как линза . Роговица , жидкость и хрусталик глаза вместе образуют линзу, которая фокусирует изображение на сетчатке . Глаз большинства наземных животных приспособлен для зрения на воздухе. Однако вода имеет примерно такой же показатель преломления, как и роговица (оба около 1,33), что эффективно устраняет фокусирующие свойства роговицы. При погружении в воду вместо того, чтобы фокусировать изображения на сетчатке, они фокусируются позади сетчатки, что приводит к чрезвычайно размытому изображению из-за гиперметропии . [2] Этого в значительной степени можно избежать, имея воздушное пространство между водой и роговицей, заключенное внутри маски или шлема.

Вода ослабляет свет из-за поглощения [2] , и когда свет проходит через воду, цвет избирательно поглощается водой. На поглощение цвета также влияет мутность воды и растворенный материал. Вода преимущественно поглощает красный свет и в меньшей степени желтый, зеленый и фиолетовый свет, поэтому цвет, который меньше всего поглощается водой, — это синий свет. [3] Твердые частицы и растворенные материалы могут поглощать разные частоты, и это будет влиять на цвет на глубине, с такими результатами, как типичный зеленый цвет во многих прибрежных водах и темный красно-коричневый цвет многих пресноводных рек и озер из-за растворенного органического вещества. [1]

Видимость — это термин, который в целом предсказывает способность некоторого человека, животного или прибора оптически обнаруживать объект в данной среде и может быть выражен как мера расстояния, на котором можно различить объект или свет. [4] Факторы, влияющие на видимость, включают освещенность, длину светового пути, частицы, которые вызывают рассеивание, растворенные пигменты, которые поглощают определенные цвета, а также градиенты солености и температуры, которые влияют на показатель преломления. [5] Видимость можно измерить в любом произвольном направлении и для различных цветных целей, но горизонтальная видимость черной цели уменьшает переменные и соответствует требованиям для прямого и надежного параметра для подводной видимости. [4] Имеются приборы для полевых оценок видимости с поверхности, которые могут информировать команду дайверов о возможных осложнениях.

Освещение

Освещенность подводной среды ограничена характеристиками воды. {{expand section}|дневной свет, свет, излучаемый организмами}, искусственное освещение}}

Искусственное освещение

Фокус

Вода имеет существенно отличающийся показатель преломления от воздуха, и это влияет на фокусировку глаза. Глаза большинства животных приспособлены либо к подводному, либо к воздушному зрению и не фокусируются должным образом, когда находятся в другой среде. [ необходима цитата ]

Рыба

Хрусталики глаз рыб чрезвычайно выпуклые , почти сферические, и их показатели преломления самые высокие среди всех животных. Эти свойства обеспечивают правильную фокусировку световых лучей и, в свою очередь, правильное формирование изображения на сетчатке. Эта выпуклая линза дала название объективу « рыбий глаз» в фотографии. [6]

Люди

Виды через плоскую маску, над и под водой

Надев плоскую маску для дайвинга , люди могут ясно видеть под водой. [2] [7] [8] Плоское окно маски отделяет глаза от окружающей воды слоем воздуха. Лучи света, входящие из воды в плоское параллельное окно, минимально изменяют свое направление внутри самого материала окна. [2] Но когда эти лучи выходят из окна в воздушное пространство между плоским окном и глазом, рефракция становится весьма заметной. Пути зрения преломляются (изгибаются) подобно наблюдению за рыбами, содержащимися в аквариуме. Линейные поляризационные фильтры уменьшают видимость под водой, ограничивая окружающий свет и затемняя искусственные источники света. [1]

При ношении плоской маски для подводного плавания или очков объекты под водой будут казаться на 33% больше (на 34% больше в соленой воде) или на 25% ближе, чем они есть на самом деле. [2] Также заметны искажения типа «подушка» и боковая хроматическая аберрация . Маски с двойным куполом восстанавливают естественное подводное зрение и поле зрения, с некоторыми ограничениями. [2] [9]

Оптическая коррекция

Дайверы могут носить контактные линзы под маской или шлемом для дайвинга. Риск потери зависит от надежности маски или шлема и очень низок при использовании шлема. Линзы в оправе доступны для ношения в некоторых шлемах и полнолицевых масках, но их может быть трудно очистить, если по ним не проходит свежий, сухой поток газа. Оправа может быть закреплена на шлеме или маске или надета на голову обычным способом, но их нельзя отрегулировать во время погружения, если они сместятся из положения.

Очки, надеваемые поверх маски, будут иметь разную рефракцию вне воды и под водой из-за разных показателей преломления воздуха и воды, контактирующих с поверхностями линз.

Маски для дайвинга могут быть оснащены линзами для дайверов, которым нужна оптическая коррекция для улучшения зрения. Корректирующие линзы отшлифованы плоско с одной стороны и оптически приклеены к внутренней поверхности линзы маски. Это обеспечивает одинаковую коррекцию над и под поверхностью воды, поскольку изогнутая поверхность линзы контактирует с воздухом в обоих случаях. Для этого применения также доступны бифокальные линзы. Некоторые маски изготавливаются со съемными линзами, и доступен ряд стандартных корректирующих линз, которые можно установить. Пластиковые самоклеящиеся линзы, которые можно наносить на внутреннюю часть маски, могут отпасть, если маска будет затоплена в течение значительного периода времени. Контактные линзы можно носить под маской или шлемом, но есть некоторый риск их потери, если маска затоплена. [9] [10]

Физиологические вариации

Очень близорукий человек может видеть более или менее нормально под водой [ требуется ссылка ] . Аквалангисты , интересующиеся подводной фотографией, могут заметить пресбиопические изменения во время погружения, прежде чем они распознают симптомы в своей обычной жизни из-за близкого фокуса в условиях низкой освещенности. [11]

Народ мокенов из Юго-Восточной Азии способен фокусироваться под водой, чтобы подбирать крошечных моллюсков и другие продукты питания. [12] Гислен и др. сравнили мокенов и нетренированных европейских детей и обнаружили, что острота зрения под водой у мокенов была в два раза выше, чем у их нетренированных европейских сверстников. [13] Европейские дети после 1 месяца тренировок также показали такой же уровень остроты зрения под водой. [14] Это происходит из-за сужения зрачка вместо обычного расширения ( мидриаза ), которое происходит, когда нормальный, нетренированный глаз, привыкший смотреть на воздухе, погружается под воду. [15]

Цветовое зрение

Сравнение проникновения света различной длины волны в открытом океане и прибрежных водах

Вода ослабляет свет из-за поглощения [2] , которое изменяется в зависимости от частоты. Другими словами, по мере того, как свет проходит большее расстояние, цвет воды избирательно поглощается водой. На поглощение цвета также влияет мутность воды и растворенный материал.

Вода преимущественно поглощает красный свет и в меньшей степени желтый, зеленый и фиолетовый свет, поэтому цвет, который меньше всего поглощается водой, — это синий свет. [3] Твердые частицы и растворенные материалы могут поглощать разные частоты, и это будет влиять на цвет на глубине, в результате чего во многих прибрежных водах обычно появляется зеленый цвет, а во многих пресноводных реках и озерах — темный красно-коричневый цвет из-за растворенных органических веществ. [1]

Флуоресцентные краски поглощают свет более высокой частоты, к которому человеческий глаз относительно нечувствителен, и излучают более низкие частоты, которые легче обнаружить. Излученный свет и отраженный свет объединяются и могут быть значительно более заметными, чем исходный свет. Наиболее видимые частоты также являются теми, которые наиболее быстро затухают в воде, поэтому эффект заключается в значительном увеличении цветового контраста на коротком расстоянии, пока более длинные волны не будут ослаблены водой. [1]

Лучшие цвета для видимости в воде были показаны Лурией и др. и процитированы ниже из работ Адольфсона и Бергхаге: [2] [7]

A. Для мутной, мутной воды с плохой видимостью (реки, гавани и т. д.)

1. При естественном освещении:
а. Флуоресцентный желтый, оранжевый и красный.
б) Обычный желтый, оранжевый и белый.
2. С лампами накаливания:
а. Флуоресцентные и обычные желтые, оранжевые, красные и белые.
3. С ртутным источником света:
а. Флуоресцентный желто-зеленый и желто-оранжевый.
б) Обычный желтый и белый.

Б. Для умеренно мутной воды (проливы, заливы, прибрежные воды).

1. При естественном освещении или при использовании ламп накаливания:
а) Любые флуоресцентные вещества желтого, оранжевого и красного цветов.
б) Обычный желтый, оранжевый и белый.
2. С ртутным источником света:
а. Флуоресцентный желто-зеленый и желто-оранжевый.
б) Обычный желтый и белый.

C. Для чистой воды (южные воды, [ требуется разъяснение ] глубоководные районы у берега и т. д.).

1. При любом типе освещения флуоресцентные краски показывают наилучшие результаты.
а. При большом расстоянии просмотра — флуоресцентный зеленый и желто-зеленый.
б) При близком расстоянии просмотра отлично подходит флуоресцентный оранжевый.
2. При естественном освещении:
а. Флуоресцентные краски.
б) Обычный желтый, оранжевый и белый.
3. С лампой накаливания:
а. Флуоресцентные краски.
б) Обычный желтый, оранжевый и белый.
4. С ртутным источником света:
а. Флуоресцентные краски.
б) Обычный желтый, белый.

Самыми сложными цветами на границах видимости на водном фоне являются темные цвета, такие как серый или черный.

Видимость

Видимость — это термин, который в целом предсказывает способность некоторого человека или прибора обнаруживать объект в данной среде и может быть выражен как мера расстояния, на котором объект или свет могут быть различимы. [4] Теоретическая видимость черного тела чистой воды, основанная на значениях оптических свойств воды для света 550 нм, была оценена в 74 м. [16] Для случая относительно большого объекта, достаточно освещенного дневным светом, горизонтальная видимость объекта является функцией коэффициента ослабления фотопического луча (спектральной чувствительности глаза). Эта функция была представлена ​​как 4,6, деленное на коэффициент ослабления фотопического луча. [4]

Факторы, влияющие на видимость, включают: частицы в воде ( мутность ), градиенты солености ( галоклины ), градиенты температуры ( термоклины ) и растворенные органические вещества. [5]

Было обнаружено, что уменьшение контраста с расстоянием в горизонтальной плоскости на определенной длине волны напрямую зависит от коэффициента затухания луча для этой длины волны. Собственный контраст черной цели равен -1, поэтому видимость черной цели в горизонтальном направлении зависит от одного параметра, чего не происходит ни с одним другим цветом или направлением, что делает горизонтальную видимость черной цели простейшим случаем, и по этой причине она была предложена в качестве стандарта для подводной видимости, поскольку ее можно измерить с помощью достаточно простых приборов. [17]

Коэффициент ослабления фотопического луча, от которого зависит видимость дайвера, представляет собой ослабление естественного света, воспринимаемого человеческим глазом, но на практике проще и привычнее измерять коэффициент ослабления для одного или нескольких диапазонов длин волн. Было показано, что функция 4,8, деленная на коэффициент ослабления фотопического луча, выведенный Дэвисом-Колли, дает значение видимости со средней ошибкой менее 10% для большого диапазона типичных прибрежных и внутренних водных условий и условий просмотра, а коэффициенты ослабления луча для одного диапазона длин волн на пике около 530 нм являются подходящим приближением для полного видимого спектра для многих практических целей с некоторыми небольшими корректировками. [17]

Измерение видимости

Стандартным измерением подводной видимости является расстояние, на котором можно увидеть диск Секки . Диапазон подводного зрения обычно ограничен мутностью . В очень чистой воде видимость может достигать около 80 м, [18] а рекордная глубина Секки в 79 м была зарегистрирована в прибрежной полынье восточной части моря Уэдделла , Антарктида. [18] В других морских водах иногда регистрировались глубины Секки в диапазоне от 50 до 70 м, включая рекорд 1985 года в 53 м в восточной части и до 62 м в тропической части Тихого океана. Такой уровень видимости редко встречается в поверхностной пресной воде. [18] Для ясности часто цитируется озеро Крейтер , штат Орегон , но максимальная зарегистрированная глубина Секки с использованием диска диаметром 2 м составляет 44 м. [18] Озера сухих долин Мак-Мердо в Антарктиде и Сильфра в Исландии также были зарегистрированы как исключительно чистые. [ необходима ссылка ]

Видимость можно измерить в произвольном направлении и для различных цветных целей, но горизонтальная видимость черной цели уменьшает переменные и отвечает требованиям к простому и надежному параметру подводной видимости, который может использоваться для принятия оперативных решений охотниками за минами и группами по обезвреживанию взрывоопасных предметов. [4]

Инструмент для измерения подводной видимости в основном измеряет пропускание света через воду между целью и наблюдателем, чтобы рассчитать потери, и называется трансмиссометром . Измеряя количество света, которое передается от источника света известной силы и распределения длины волны, через известное расстояние воды к калиброванному экспонометру, можно объективно количественно оценить прозрачность воды. [19] Длина волны 532 нм (зеленый) хорошо совпадает с пиком спектра зрительного восприятия человека, но можно использовать и другие длины волн. [4] Трансмиссиометры более чувствительны при низкой концентрации частиц и лучше подходят для измерения относительно чистой воды. [20]

Измерение мутности

Нефелометры используются для измерения взвешенных частиц в мутной воде, где они имеют более линейный отклик, чем трансмиссометры. Мутность или облачность воды является относительной мерой. Это кажущееся оптическое свойство, которое изменяется в зависимости от свойств взвешенных частиц, освещения и характеристик прибора. Мутность измеряется в единицах нефелометра, относящихся к стандарту мутности или в единицах мутности формазина . [20]

Нефелометры измеряют свет, рассеянный взвешенными частицами, и реагируют в основном на эффекты первого порядка размера и концентрации частиц. В зависимости от производителя нефелометры измеряют рассеянный свет в диапазоне от 90° до 165° от оси луча и обычно используют инфракрасный свет с длиной волны около 660 нм, поскольку эта длина волны быстро поглощается водой, поэтому существует очень малое загрязнение источника из-за окружающего дневного света, за исключением близкого к поверхности. [20]

Плохая видимость

Низкая видимость относится к среде погружения, где среда погружения мутная и объекты не могут быть четко видны на близком расстоянии даже при искусственном освещении. Термин обычно не используется для обозначения простого отсутствия освещения, когда среда прозрачна. Нулевая видимость используется для описания условий, когда дайвер не может фактически ничего видеть за пределами маски шлема, и необходимо направить свет на иллюминатор, чтобы проверить, включен ли он, и человек с нормальным зрением не может читать обычные приборы. (некоторые встроенные в маску дисплеи на лобовом стекле могут быть разборчивыми)

Низкая видимость определяется NOAA для эксплуатационных целей как: «Когда визуальный контакт с напарником по погружению больше не может поддерживаться». [21]

DAN-Southern Africa предполагает, что ограниченная видимость — это когда «приятеля невозможно различить на расстоянии более 3 метров». [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefgh Лурия, SM; Кинни, JA (декабрь 1974 г.). «Линейные поляризационные фильтры и подводное зрение». Undersea Biomedical Research . 1 (4): 371–8. PMID  4469103.
  2. ^ abcdefgh Адольфсон, Дж.; Бергхаге, Т. (1974). Восприятие и производительность под водой . John Wiley & Sons. ISBN 0-471-00900-8.
  3. ^ ab Hegde, M. (30 сентября 2009 г.). «The Blue, the Bluer, and the Bluest Ocean». NASA Goddard Earth Sciences Data and Information Services. Архивировано из оригинала 12 июля 2009 г. Получено 27 мая 2011 г.
  4. ^ abcdef "Исследование видимости воды". www.seabird.com . Sea-bird Scientific . Получено 24 октября 2021 г. .
  5. ^ ab Gibb, Natalie. "Factors That Affect Visibility Underwater When Diving". Терминология подводного плавания . about.com. Архивировано из оригинала 13 января 2017 г. Получено 26 ноября 2016 г.
  6. ↑ Wood, RW (1906-08-01). "XXIII. Виды с рыбьего глаза и видение под водой". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 12 (68): 159–162. doi :10.1080/14786440609463529. ISSN  1941-5982.
  7. ^ ab Luria, SM; Kinney, JA (март 1970). «Подводное зрение». Science . 167 (3924): 1454–61. Bibcode :1970Sci...167.1454L. doi :10.1126/science.167.3924.1454. PMID  5415277.
  8. ^ Weltman, G.; Christianson, RA; Egstrom, GH (октябрь 1965). «Поля зрения аквалангиста». Human Factors . 7 (5): 423–30. doi :10.1177/001872086500700502. PMID  5882204. S2CID  45543055.
  9. ^ ab Sawatzky, David (1 ноября 2015 г.). "Корректирующие маски для дайвинга". Колонки, Diving Medicine . Журнал Diver . Получено 10 декабря 2016 г. .
  10. ^ Лонн, Торбен (16 сентября 2015 г.). «Дайвинг с контактными линзами». Статьи . DIVE.in . Получено 10 декабря 2016 г. .
  11. ^ Беннетт, QM (июнь 2008 г.). «Новые мысли о коррекции пресбиопии у дайверов». Дайвинг и гипербарическая медицина . 38 (2): 163–4. PMID  22692711. Архивировано из оригинала 15 июня 2013 г. Получено 19 апреля 2013 г.{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  12. ^ "Moken Sea Gypsies: Seeing Underwater". Архивировано из оригинала 29 августа 2008 года . Получено 2007-02-11 .{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
  13. ^ Гислен А., Даке М., Крегер Р.Х., Абрахамссон М., Нильссон Д.Э., Ордер Э.Дж. (май 2003 г.). «Превосходное подводное зрение у человеческой популяции морских цыган». Курс. Биол . 13 (10): 833–6. Бибкод : 2003CBio...13..833G. дои : 10.1016/S0960-9822(03)00290-2 . PMID  12747831. S2CID  18731746.
  14. ^ Gislén A, Warrant EJ, Dacke M, Kröger RH (октябрь 2006 г.). «Визуальная тренировка улучшает подводное зрение у детей». Vision Res . 46 (20): 3443–50. doi : 10.1016/j.visres.2006.05.004 . PMID  16806388.
  15. ^ «Как мокены видят ясно под водой, Строительство вашего мозга, Внутри человеческого тела - BBC One». BBC . 13 мая 2011 г. Получено 4 мая 2018 г.
  16. ^ Смит; Бейкер (1995). Дэвис-Колли, Р. Дж.; Смит, Д. Г. (ред.). «Оптически чистые воды в источниках Вайкоропупу («Пупу»), Нельсон, Новая Зеландия». Новозеландский журнал морских и пресноводных исследований . 29 (2). Королевское общество Новой Зеландии: 251–256. Bibcode : 1995NZJMF..29..251D. doi : 10.1080/00288330.1995.9516658 .0028-8330/95/2902-0251
  17. ^ ab Zaneveld, J. Ronald V.; Pegau, W. Scott (2003). «Надежный параметр подводной видимости». Optics Express . 11 (23). Optica Publishing Group: 2997–3009. Bibcode : 2003OExpr..11.2997Z. doi : 10.1364/OE.11.002997 . PMID  19471421.
  18. ^ abcd Дэвис-Колли, Р. Дж.; Смит, Д. Г. (1995). «Оптически чистые воды в источниках Вайкоропупу («Пупу»), Нельсон, Новая Зеландия» (PDF) . Новозеландский журнал морских и пресноводных исследований . 29 (2). Королевское общество Новой Зеландии: 251–256. Bibcode :1995NZJMF..29..251D. doi : 10.1080/00288330.1995.9516658 . Получено 19 октября 2013 г. .0028-8330/95/2902-0251
  19. ^ Россье, Роберт Н. (3 ноября 1995 г.). «Что такое видимость? Проясняющие факты о неясной ситуации». dtmag.com . Журнал Dive Training Magazine . Получено 14 октября 2021 г. .
  20. ^ abc Томсон, Ричард Э.; Эмери, Уильям Дж. (2014). "Глава 1 - Сбор и запись данных". В Томсон, Ричард Э.; Эмери, Ричард Э. (ред.). Методы анализа данных в физической океанографии (третье изд.). Elsevier. стр. 1–186. doi :10.1016/B978-0-12-387782-6.00001-6. ISBN 9780123877826.
  21. ^ Сотрудники (9 июля 2014 г.). «Дайвинг в условиях плохой видимости» (PDF) . Политика 0308. Управление морских и авиационных операций NOAA. стр. 2. Получено 26 ноября 2016 г.
  22. ^ Сотрудники. "Руководство по действиям при затерянном дайвере" (PDF) . Партнеры по безопасности дайвинга . Получено 4 января 2017 г. .

Дальнейшее чтение