СОТ

31

2. Качество телевизионного изображения

2.1. Характеристики света и его восприятие человеком

Изображение — это физическое явление, представляющее собой со-

вокупность световых электромагнитных волн, которая детектируется фо-

торецепторными клетками глаза и интерпретируется психологическими процессами в мозге человека. Поэтому технические устройства съема и воспроизведения видеоинформации должны быть ориентированы на осо-

бенности субъективного восприятия этого явления человеком. Термин

субъективное здесь имеет значение «присущее человеку». Для среднеста-

тистического человека можно определить типичные параметры строения глаза, физические и психические характеристики восприятия видимого оп-

тического излучения. Учет анатомических особенностей зрения в системе

«технические средства – человек» обязателен для обеспечения естествен-

ности восприятия оператором формируемого системой изображения. В

этом смысле субъективность человеческого зрения имеет вполне объек-

тивный характер.

Шкала электромагнитных волн

На рис. 2.1 представлена шкала электромагнитных волн, которую принято делить на несколько диапазонов. В таблице 2.1 приведены соот-

ветствующие значения длин волн и частот. Видимое человеческим глазом электромагнитное излучение — свет — занимает лишь незначительную часть частотного спектра электромагнитного излучения, но с позиций объ-

ема данных для ориентации в окружающей обстановке является наиболее информативным. Видимый свет по мере увеличения длины волны цвет не-

прерывно переходит от фиолетового к синему, голубому, зеленому, жел-

тому, оранжевому и красному. Электромагнитное излучение с длинами волн короче 380 нм и длиннее 760 нм не воспринимается человеческим зрением. Однако инфракрасный и ультрафиолетовый диапазоны играют важную роль в жизни людей и непрерывно осваиваются в научном и тех-

32

нологическом отношениях. Современные СОТ часто «заглядывают» за пределы видимого, расширяя свои функциональные возможности, делая надежнее и эффективнее комплекс физической защиты объектов.

Рис. 2.1. Шкала электромагнитных волн

Особенности зрения человека

В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток

(рецепторов): высокочувствительные палочки, отвечающие за сумеречное

(ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цвет-

ное зрение. Не все цвета одинаково воздействуют на сетчатку глаза. Счи-

тается, что в сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы

33

чувствительности которых приходятся на красный, зелѐный и синий уча-

стки спектра, то есть соответствуют трѐм «основным» цветам (рис. 2.2).

Кривые спектральной чувствительности трѐх видов колбочек частично пе-

рекрываются, что способствует явлению метамерии. Они обеспечивают распознавание цветов и оттенков изображения.

Свет с разной длиной волны по-разному стимулирует разные типы колбочек. Желто-зеленый свет в равной степени стимулирует колбочки L-

и M-типов, но существенно слабее — колбочки S-типа. Красный свет сти-

мулирует колбочки L-типа намного сильнее, чем колбочки M-типа, а S-

типа не стимулирует почти совсем. Зелено-голубой свет сильнее осталь-

ных стимулирует рецепторы S-типа, колбочки M-типа также чувствитель-

ны к нему, рецепторы L-типа наименее чувствительны к свету с этой дли-

ной волны. Зелено-голубой свет наиболее сильно стимулирует также па-

лочки. Фиолетовый свет стимулирует почти исключительно колбочки S-типа.

Мозг воспринимает комбинированную информацию от разных ре-

цепторов, что обеспечивает цветовое восприятие света с разной длиной волны. Очень сильный свет возбуждает все три типа рецепторов и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета. Равномерное раз-

дражение всех трѐх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета.

35

Рис. 2.3. Внутреннее строение глаза

Аккомодационный аппарат глаза обеспечивает фокусировку изобра-

жения на сетчатке, а также приспособление глаза к изменяющейся в широ-

ких пределах интенсивности освещения. Он включает в себя радужную оболочку (радужку) с отверстием в центре — зрачком — и ресничное тело с ресничным пояском хрусталика.

36

Фокусировка изображения обеспечивается за счѐт изменения кри-

визны и толщины хрусталика, которая регулируется цилиарной мышцей.

При увеличении кривизны хрусталик становится более выпуклым и силь-

нее преломляет свет, настраиваясь на наблюдение близко расположенных объектов. При расслаблении мышцы хрусталик уплощается, и глаз приспо-

сабливается для наблюдения удалѐнных предметов.

Зрачок представляет собой круглое отверстие переменного диаметра в радужке. Он исполняет роль диафрагмы глаза, регулируя количество све-

та, падающего на сетчатку. При ярком свете кольцевые мышцы радужки сокращаются, а радиальные расслабляются, при этом зрачок сужается, и

количество света, попадающего на сетчатку, уменьшается. При слабом свете, наоборот, сокращаются радиальные мышцы, и зрачок расширяется,

пропуская в глаз больше света. Механизм аккомодации «согласовывает» текущую чувствительность глаза с яркостью наблюдаемой картинки, оп-

тимально использует динамический диапазон интенсивности света, вос-

принимаемой человеком, позволяя видеть бледное изображение на сильно освещенном фоне, предохраняет сетчатку глаза от повреждения.

Рецепторный аппарат (сетчатка) глаза располагается за стекловид-

ным телом и содержит фоторецепторные клетки — палочки и колбочки, а

также тела и аксоны нейронов, образующих зрительный нерв. Сетчатка имеет слоистое строение. Свет проходит последовательно через роговицу,

сквозь жидкость передней камеры, хрусталик, стекловидное тело и попа-

дает на отростки светочувствительных клеток. В палочках и колбочках протекают фотохимические процессы, обеспечивающие цветовое зрение.

В заднем полюсе сетчатки находится небольшое углубление — цен-

тральная ямка — наиболее чувствительный участок сетчатки, в котором содержатся только колбочки. Место на сетчатке, где нет ни палочек, ни колбочек называется слепым пятном; оттуда из глаза выходит зрительный нерв.

37

Расстояние между хрусталиком и сетчаткой, соответствующее на-

блюдению бесконечно удаленного объекта, называется средним фокусным расстоянием глаза и имеет значение около 17 мм. Оно обеспечивает рез-

кость изображения в пространственном угле, равном примерно 30o , кото-

рый считается стандартным «человеческим» углом зрения, и на работу в котором ориентированы участки мозга, ответственные за обработку полу-

ченного изображения. Несмотря на то, что сетчатка глаза охватывает го-

раздо больший пространственный угол (до 90o ). Наилучшая видимость системы «глаз – мозг» достигается в пространственном угле в 10о, где обеспечивается максимальное разрешение оптической системы и сосредо-

точение внимания. Большинство современных стандартных объективов любых систем технического зрения ориентированы на пространственный угол в 30o , что обеспечивает согласование угла зрения и перспективы тех-

нической системы с тем, что и как видит человек.

Характеристики и источники света

Построение телевизионной системы любого назначения немыслимо без учета целого ряда объективных физических явлений, связанных с осо-

бенностями возникновения, формирования и распространения электромаг-

нитных волн оптического диапазона, таких как преломление, отражение,

дисперсия, дифракция, интерференция, поглощение, рефракция, рассеяние и т. п. Начать знакомство с энергетическими характеристиками оптическо-

го излучения целесообразно с понятия об источнике света.

Все источники света принято разделять на две группы:

первичные источники, непосредственно испускающие свет (звез-

ды, лампы накаливания, мониторы, гниющие пни, новогодние гирлянды,

светлячки и пр.);

вторичные источники — объекты, которые не генерируют элек-

тромагнитную энергию, а отражают ее. Практически весь окружающий мир мы видим в отраженном солнечном свете. Снежный покров, лист бу-

38

маги с формулами, красивая одежда — все является вторичными источни-

ками излучения.

Способы измерения количества света от первичных и вторичных ис-

точников различны между собой, поскольку первичный источник, как пра-

вило, излучает свет во всех направлениях, а вторичный отражает свет, ко-

торый можно наблюдать только под определенным телесным углом.

Если на некотором расстоянии от источника излучения находится некоторая поверхность S , через которую проходит электромагнитное из-

лучение, то средняя мощность, переносимая электромагнитным полем за единицу времени, называется потоком излучения . Поток излучения имеет физический смысл мощности и измеряется в ваттах (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Поток светового излучения Сила света — это поток излучения, приходящийся на единицу телес-

ного угла, в пределах которого он распространяется:

где – величина телесного угла в стерадианах (ст).

Под телесным углом понимают часть пространства, ограниченную конической поверхностью (рис. 2.5). В системе СИ сила света измеряется в канделах (кд). Одна кандела соответствует силе света, излучаемой черным телом, нагретым до температуры перехода платины из жидкого в твердое состояние, и равна 1/638 Вт/ст.

Для оценки действия излучения на человеческий глаз используют понятие светового потока.

39

Световой поток — это поток излучения, приведенный к чувстви-

тельности глаза. При этом речь идет о чувствительности «среднего» чело-

веческого глаза, поскольку каждый конкретный человек имеет индивиду-

альные характеристики восприятия света. Иначе говоря, световой поток

– это сила света в некотором телесном угле. Световой поток в системе СИ измеряется в люменах лм кд / ст . Один люмен — это световой поток,

испускаемый источником с силой света в один кандел внутри единичного телесного угла (угла в один стерадиан).

При оценке условий освещения прибегают к понятию светового по-

тока, падающего на единицу поверхности. Поверхностная плотность пото-

ка излучения, падающего на данную поверхность, называется освещенно-

стью:

где S – площадь поверхности (рис. 2.4). Единицей освещенности в системе СИ является люкс лк лм / м2 . Люксом называется освещен-

ность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает световой поток в один люмен.

Сосредоточенный точечный источник излучения характеризуется силой света. Сила света — величина, имеющее направление. За направле-

ние силы света принимают ось телесного угла , в пределах которого распространяется световой поток I (рис. 2.5).

I

Рис. 2.5. Точечный источник излучения

40

Для характеристики протяженного участка объекта как источника света, используется яркость. Яркость — величина светового потока, излу-

чаемого единицей площади (элементарной площадкой) в единицу телесно-

го угла в данном направлении. Если излучающая площадка перпендику-

лярна направлению излучения, то яркость определяется как отношение си-

лы света к площади элементарной площадки:

В системе СИ за единицу яркости принимается яркость такой по-

верхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света в один кандел с площади в один квадратный метр кд м2 .

В общем случае яркость зависит от угла между направлением из-

лучения и нормалью к площадке (рис. 2.6):

I

dS

Рис. 2.6. Точечный источник излучения

Поток света по определению (см. формулу 2.1), равен силе света,

умноженной на телесный угол: