Электромагнитное излучение с длиной волны λ в диапазоне примерно от 400 до 700 нанометров возбуждает рецепторы зрительной системы человека и порождает цветовые ощущения (рис. 1). Нанометр равен 10-9 метра и иногда называется миллимикроном. Длина волны синего света равна 400 нм (400×10-9м). Это значит, что на метре укладывается 2.5×106 периодов волны, а на сантиметре — 25000 периодов. Свет в вакууме распространяется со скоростью 3×108 м/с.
Рис.1 - Видимый диапазон электромагнитного спектра
С учетом этого можно вычислить частоту синего света: она равна 0.75×1015 Гц. Частота рентгеновского излучения в тысячу раз больше, а частота радиоволн —в миллиард раз меньше. Существуют датчики для обнаружения излучения за пределами видимого диапазона, например, разработаны устройства для детектирования коротковолнового ультрафиолетового и даже рентгеновского излучения. Длинноволновое инфракрасное излучение можно обнаружить с помощью многих твердотельных камер, а еще более длинные радиоволны - с помощью радиоприемника. В научных и промышленных целях было сконструировано много различных устройств для восприятия и преобразования в видимый диапазон результатов измерений, выполненных за пределами видимого диапазона. Примерами таких устройств являются рентгеновский аппарат и спутниковый метеорологический инфракрасный сканер.
1.1 Восприятие освещенных объектов
На рис. 1.1 иллюстрируется освещение поверхности объекта точечным источником света. В результате взаимодействия падающего света с атомами объекта часть света отражается от поверхности и попадает на элемент датчика камеры или на рецептор человеческого глаза.
Рис. 1.1 - Свет от источника отражается от поверхности объекта и попадает на элемент датчика
Возникающее цветовое ощущение зависит от трех основных факторов:
- Энергетический спектр. Описывает распределение падающей на поверхность объекта световой энергии по длинам волн.
- Спектральная отражательная способность поверхности объекта. Определяет преобразование спектра падающего света в спектр отраженного.
- Спектральная чувствительность датчика, на который падает свет от поверхности объекта.
Белый свет представляет собой смесь световых компонент всех длин волн видимого спектра, имеющих примерно одинаковую энергию.
Поверхность объекта, который выглядит синим, сделана из материала, который кажется синим при освещении белым светом. При освещении красным светом этот объект будет выглядеть фиолетовым. Синий автомобиль при интенсивном (белом) солнечном освещении нагревается и при прикосновении кажется горячим. Автомобиль излучает в инфракрасном диапазоне. Это излучение недоступно зрению человека, но может быть обнаружено с помощью инфракрасной камеры.
1.2. Дополнительные факторы
Кроме перечисленных выше трех основных факторов, от которых зависит цветовое ощущение, существует ряд дополнительных усложняющих модель факторов. Они связаны как с физическими свойствами, так и с особенностями человеческого восприятия. Отражающие свойства поверхностей различны. Например, поверхности различаются зеркальными свойствами (поверхность больше или меньше напоминает зеркало). Матовые поверхности отражают свет равномерно по всем направлениям. Энергия (интенсивность) падающего излучения зависит от расстояния — чем дальше поверхностные элементы от источника света, тем меньше они получают энергии. В результате интенсивности пикселов изображения, соответствующие поверхностям из одного и того же материала, могут иметь неодинаковые значения из-за различий в расстоянии от пикселов датчика до поверхностей объектов вдоль проектирующих лучей. Для определения энергии, отраженной по направлению к датчику, еще большее значение, чем расстояние, имеет ориентация в поверхностного элемента относительно источника света.
1.3 Чувствительность рецепторов
Все известные рецепторы чувствительны к излучению только в некотором диапазоне длин волн. Обычно чувствительность рецепторов в этом диапазоне неравномерна. Примеры кривых чувствительности приведены на рис.1.2. Три из них соответствуют разнотипных колбочкам сетчатки человеческого глаза. В этих колбочках содержатся различные химические пигменты, чувствительные к различным длинам волн. Кривая Человек1 соответствует колбочкам, которые чувствительны к синему свету с длинами волн примерно от 400 до 500 нм. Кривая Человек2 построена для колбочек, наиболее восприимчивых к зеленому свету, но также обладающих меньшей чувствительностью к синему и красному свету. При формировании ощущения некоторого видимого цвета мозг учитывает отклики от окрестности из нескольких колбочек. Довольно интересно, что для этого достаточно рецепторов всего трех типов, хотя длины волн света могут иметь любые значения из видимого диапазона. Глаза многих животных содержат рецепторы только одного или двух типов. Вероятно, цветовое восприятие этих животных беднее по сравнению с человеком. Твердотельные датчики обычно характеризуются хорошей чувствительностью в диапазоне, превышающем видимый диапазон. При нагреве объектов сцены система машинного зрения иногда может формировать изображения, которые будут отличаться от результатов наблюдения оператором. Главным образом это объясняется повышенной чувствительностью ПЗС - датчиков к инфракрасному излучению.
Рис. 1.2. Сравнение относительной чувствительности человеческих колбочек трех типов и твердотельного датчика
Резниченко А.Г., 29.07.2009
