사람 눈의 초점거리와 (피사계)심도는 어느 정도 일까? - "동공의 최대 크기와 최소 크기 그리고 사람 눈의 초점거리에 대해서" / Pupil size & DOF of human eye

Notice - 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 

 

 

카메라의 광학계와 촬상소자(필름, 디지털 이미지 센서) 등에 관심에 비해, 사람의 시각이나 시력에 대해 별 관심을 두지 않고 살았던 것 같다. 이번 기회에 사람 시각(視覺)은 피사계 심도와 사물을 보는 방식에 대해 다뤄 보자. 사람 눈의 시야 범위(FOV & AOV)에 대해 이전에 다룬 바 있는데, 시각과 관련해서 함께 참고하면 사람의 시각적 능력이나 특성을 이해하는데 도움이 되지 싶다. 반복을 피하기 위해 이전 수다에서 언급했던 부분을 생략하다 보니 전체적인 수다의 맥락이 매끄럽지 못한 점이 아쉽다.

 

일반적인 광학계의 심도의 정도를 파악하기 위해서는 "조리개 개구의 크기와 광학계의 초점거리"에 대해 주목해야 한다.  사람 눈의 동공 크기와 초점거리에 대해서 순차적으로 쫓아보자. 참고한 주요 자료의 링크를 함께 첨부할 생각이다.

 

 

▶ 동공의 크기 / Pupil size

 

사람의 동공은 최대 확대되었을 때 어느 정도의 크기일까? 그리고 최소로 축소되었을 때는 어떨까? (최대 동공의 크기는 카메라의 광학계/렌즈 등에서 조리개 최대 개방 정도에 해당할 것이다)

 

한국인의 동공 크기는 최대일 때 - 5 lux 수준의 어두운 곳에서 암순응 후 - 동공의 크기는 한국인 평균 약 7.2mm 정도라고 한다. 그리고 최소 크기에 대해서는 2~4mm 수준이다. 대략적인 수치만의 자료를 찾았는데, 이는 동공 크기 촬영을 위하여 사용된 조도 환경과 관련 있다. 최소 동공을 촬영하기 위해서는 강한 빛을 비추어야 하고, 이때 발생하는 눈부심 등의 불편함을 인체 실험에 바로 적용하기는 곤란한 지점이 있다. 강한 햇빛이 내려쬐는 경우 실제 조도는 10,000 Lux를 초과하므로 최소 동공의 크기는 대략 2mm 정도가 일반적인 최소 동공의 크기가 아닐까 생각한다. 

 

빛의 밝기에 대한 단위나 개념에는 조도, 광도, 광속, 휘도 등 여러 개념과 용어가 있으므로 이에 대해서는 각자 검색으로 개념을 이해하는 것이 좋겠다.

 

<참고 자료> https://synapse.koreamed.org/Synapse/Data/PDFData/0035JKOS/jkos-52-401.pdf "한국인의 연령 및 조도에 따른 동공크기에 대한 연구" 

 

- 일반적인 조도 수준은 아래 이미지를 참고하자.

 

 

 

동공의 크기는 개인적인 편차가 꽤 있고, 일반적으로 7mm 이상이면 동공이 큰 편이라고 한다. 그리고 연령에 따라 동공 최대 크기도 차이를 보이는데, 주로 젊은 시절일수록 최대 동공크기가 크다가 나이가 들수록 최대 동공 크기가 감소한다고 한다.

 

한국의 정상성인에서 어두운 조도하 동공크기를 알아보기 위하여 20대에서 50대까지 남녀지원자 60명을 대상으로 0, 20, 60, 100룩스에서 근접카메라와 슬라이드필름을 이용하여 동공크기를 측정하고 대조군으로 밝은 조도 200룩스에서도 측정하였다. 동공크기는 나이가 젊을수록 조도가 어두울수록 커지며 동공크기(logmm)=4.57 -0.0388x연령(year) -0.005x조도(lux)인 관계에 있었다.전체연령에서 동공크기의평균은 어두운 곳부터 7.0mm, 6.56mm, 5.97mm, 5.43mm 였고 밝은 곳(200룩스)에서는 4.77mm였다. 특히 야간활동이 활발한 20-30대의 젊은 연령에서 20룩스이하시 동공이 평균 7.18mm나 되고 최대 8.4mm까지도 측정되어 임상적인 의의가 크다. 

<출처> "정상인에서 암순응 상태에서의 동공 크기" http://kiss.kstudy.com/thesis/thesis-view.asp?key=1965465

 

 나이가 들 수록 밤눈이 어두워진다는 것도 어느 정도 과학적 근거가 있는 것이지 싶다. 

 

 

▶ 사람 눈의 초점거리와 심도 / Focal length & Depth of field of Human eye

 

심도와 관련해서는 조리개 개구의 크기가 직접 연관되는 요소이고, 개구의 크기를 통해 각 초점거리별 렌즈에 대입하여 카메라 광학계 등에서 경험한 심도와 비교를 통해 사람 눈의 심도를 유추해 볼 수 있겠다. 참고로 정상 성인의 눈의 광학적 초점거리는 17mm 정도이므로 이를 17mm 초점거리의 렌즈 f 값으로 나타낸다면 어느 정도 일까? 

 

- https://hypertextbook.com/facts/2002/JuliaKhutoretskaya.shtml " Focal length of a Human Eye"

 

 

 

앞에서 언급한 사람 눈의 최대 동공 크기(7.2mm)를 근거로 17mm 초점거리의 광학계에 대입하면 대략 F/2.36 정도 수준이라고 생각한다. (17mm/ 7.2=f/2.36) 그리고 빛이 강한 곳에서 최소 동공은 2~4mm 정도이므로 가장 심도가 깊을 때에는 일반적으로 17mm 초점거리의 약 f/8.5 (17mm/2=f/8.5)에 해당하는 심도로 사물을 본다고 할 수 있겠다. 따라서 사람의 눈은 일반적인 조도 환경 (야간의 달빛부터 주간의 일광이 내려 쬐는 밝은 조도 환경 등)에서 17mm 초점거리에 심도는 f/2.36~f/8.5 정도에 해당한다고 결론을 유추할 수 있겠다. 그리고 완전한 암흑 상태에서 암 순응한 조건이라면 최대 동공의 크기는 조금 더 확장될 수도 있지 않을까 싶고, 최소 동공의 크기 또한 빛의 회절이 문제 되지 않는 선에서 좀 더 축소될 여지도 있다.

 

유념할 점은 사람의 눈에 대해 인공의 광학 장치에서의 개념을 빌어 대략적인 수치의 언급에 불과하다는 점을 간과하지 않았으면 한다. 엄밀한 의미에서 사람 눈이나 보는 방식에 영향을 받아서 고안된 카메라 장치라는 전제가 있고, 이렇게 고안된 카메라 장치의 개념을 빌어 역으로 사람의 눈을 설명하는 것은 불완전한 방식일 수밖에 없다. 그리고 사람 눈에 대한 수치 또한 대략적인 평균이라고 짐작되는 수치에 불과하므로, 예외나 오차 등을 감안하여 판단하는 것이 좋겠다. 수다의 전체적인 매락과 이전 수다에서 언급했던 부분에 대한 이해를 전제로 하는 것이 좋겠다. 단순히 한 부분만을 뚝 잘라 앞뒤 맥락 없이 이야기한다면 이상한 결론에 도달하기 쉽고, 이 점이 언제나 염려된다. 

 

오해의 소지가 다분한 F/값(광학계의 초점거리와 유효 개구의 비율) 만으로 심도의 정도를 언급하는 것은 심도(파사계 심도)의 정도를 추측하기에는 부족한 면이 있다. 광학계의 심도의 정도만을 나타내는 별도의 단위나 체계는 없는 것 같고(광학 유효 개구의 크기로 어느 정도 설명이 되지만, 이 또한 긴 이야기가 덧붙여져야 하므로 이 정도로만 다루자), F값은 촬상면에 도달하는 빛의 양 조절을 위한 즉, 노출 조정을 위한 용도에 적합하고,  결상하는 상의 심도의 정도를 나타내기 위해서는 해당 광학계의 초점거리와 함께 F값이 기술되어야 한다고 생각한다. 따라서 사람 눈의 심도가 (초점거리에 대한 언급없이) F2.5~8 정도 수준이라고 이야기한다면 이는 막연하고 적절한 설명은 아니다. 사람 눈 또는 광학계의 초점거리 (대략 17mm)와 함께 F값(동공의 크기)을 언급해야지 비로소 어느 정도 수준의 심도를 보이는지 추정할 수 있다. 

 

그리고 시야 범위(FOV 또는 화각-AOV)는 17mm 초점거리와 망막의 범위/영역과 관련되어 있는 점을 오해하지 않았으면 한다. 좀 더 이해하기 쉽게 설명하자면 동일한 17mm 초점거리의 렌즈를 장착한 카메라의 촬상소자(필름이나 이미지 센서)의 규격에 따라 FOV 또는 AOV는 큰 차이를 보이는 사실을 이미 알고 있을 것이고, 사람 눈의 망막에는 원추세포와 간상세포가 넓은 영역에 분포(망막에서 밀도는 이들 세포의 분포는 모든 영역에서 균일한 것은 아니며 색을 인식하는 원추세포는 중심부에 집중하여 분포하고 명암을 인식하는 간상세포는 원추세포에 비해서는 상대적으로 넓게 분포한다)하고 일반적인 카메라와 달리 망막은 곡선 형태이고 상이 맺히는 면적도 달라서 특정 카메라 '포맷'을 근거로 하여, 광학계의 초점거리에 대비한 '화각(AOV)'과는 차이를 보일 수밖에 없다. 그리고 사람의 시야는 중심시와 주변시 등으로 구분되는 특성이 있으며 형태나 윤곽 또는 움직임만을 대략적으로 인식할 수 있는 범위 등으로 나뉘기도 하며, 색을 인식할 수 있는 범위 등에서 카메라와는 다른 다채로운 특징을 가진다. 그리고 이러한 범위 또한 명확하게 구분되지 않는 것 또한 특징이라면 특징이지 싶다. 사람 눈의 시야(視野, FOV)와 시각(視角, AOV)에 대해서는 이전 수다의 링크로 대신하자.

 

2018/01/31 - [사진과 카메라 이야기/사진과 카메라에 얽힌 잉여로운 감상] - 시각- 視覺, 시야- 視野 그리고 시각과 화각(視角과 畵角) / Visual perception, Visual field, FOV & AOV

시각- 視覺, 시야- 視野 그리고 시각과 화각(視角과 畵角) / Visual perception, Visual field, FOV & AOV

 

<출처> 구글링

 

 

이 외에도 사람의 시각, 시력은 현존하는 그 어떤 카메라에 비교할 수 없는 빠른 자율 초점 능력과 트래킹, 이미지 안정화(스테빌라이저) 능력을 갖추고 있고, 주변시와 중심시, 단순히 형체나 움직임 만을 인식하거나 색을 인색하는 범위 그리고 눈을 통해 얻은 시각 정보(상)를 전달하는 신경 조직, 그리고 이런 정보를 취합하여 처리하는 뇌의 기능 등에서 카메라 장치와 유사하지만 또한 구분되는 뚜렷한 특징이 있다고 생각한다. 전체적으로 사람이 보는 것은 카메라로 이미지를 촬영하는 것과 유사한 면이 있지만, (카메라가 사람의 시각을 흉내 낸 것이라고 보는 것이 더 타당하지 싶다) 구체적으로는 여러 가지 다른 방식 등이 눈에 띄어 흥미롭다. 이에 대해서는 다음 기회를 기약하자. 아마도 이를 한 번에 다룬다면 너무 방대하고 복잡한 수다가 될 듯하다.

 

2022.11.07 - [Stories about photography and cameras/Personal delusions about photography] - 시각의 인식 특성과 사진의 표현에 대하여 (part_1)

시각의 인식 특성과 사진의 표현에 대하여_I / Visual perception & depth of field photography. I