6. Спектральная чувствительность человеческого глаза. Суммарно-разностные схемы. Болезни связанные с цветовосприятием (примеры нарушения цветовосприятия)
Помогутка
Человеческий глаз воспринимает свет в диапазоне 380–780 нм. За цвет отвечают колбочки трех типов, каждая из которых чувствительна к своей части спектра.
1. Спектральная чувствительность
Пикми чувствительности колбочек:
S-тип (Short): короткие волны, «синий» (~420–440 нм).
M-тип (Medium): средние волны, «зеленый» (~530–540 нм).
L-тип (Long): длинные волны, «красный» (~560–580 нм).
Важно: кривая общей световой чувствительности (кривая видимости) имеет пик на 555 нм (желто-зеленый цвет) при дневном освещении.
2. Суммарно-разностные схемы (Оппонентная теория)
Мозг не получает сигналы от колбочек «как есть». На уровне сетчатки и зрительного нерва они преобразуются в три оппонентных канала:
Яркостный канал (Суммарный): складывает сигналы L + M + S(яркость).
Красно-зеленый канал (Разностный): вычитает сигнал M из L (L-M).
Сине-желтый канал (Разностный): вычитает сумму L+M- S. Это объясняет, почему мы не можем видеть «красновато-зеленый» или «синевато-желтый» цвет одновременно.
3. Болезни и нарушения цветовосприятия
Нарушения обычно связаны с отсутствием или дефектом одного из пигментов в колбочках:
Основная причина большинства этих состояний — генетическая (сцеплена с X-хромосомой), поэтому мужчины страдают ими чаще.
1. Аномальная трихромазия
Это не полная цветослепота, а «цветослабость». Все три типа колбочек работают, но один из пигментов имеет сдвинутый спектр поглощения.
Протаномалия: снижена чувствительность к красному. Красные оттенки кажутся менее яркими и более бледными.
Дейтераномалия: снижена чувствительность к зеленому. Это самый распространенный вариант (около 5% всех мужчин). Цвета смешиваются, но человек все же различает их при хорошем освещении.
Тританомалия: искажение сине-желтой части спектра. Встречается крайне редко.
2. Дихромазия (Выпадение одного канала)
Здесь один тип колбочек полностью не функционирует. Мозг пытается построить картинку только на основе двух оставшихся сигналов.
Протанопия (Слепота на красный (L)):
Красный цвет воспринимается как темно-серый, коричневый или темно-зеленый.
Фиолетовый не отличим от синего.
Оранжевый и желтый кажутся оттенками зеленого.
Дейтеранопия (Слепота на зеленый (M)):
Зеленый воспринимается как светло-серый или светло-желтый.
Пурпурный и розовый кажутся серыми.
Для таких людей красный и зеленый цвета выглядят почти одинаково — как грязно-желтый или коричневый.
Тританопия (Слепота на синий(S)):
Синий цвет кажется зеленым.
Желтый воспринимается как розовый или серый.
Мир выглядит в основном в красно-зеленых тонах.
3. Монохромазия и Ахроматопсия
Самые тяжелые формы, когда цвет отсутствует как понятие.
Палочковая монохромазия: колбочки не работают совсем. Человек видит мир как в старом черно-белом кино. Поскольку палочки предназначены для сумерек, при дневном свете такие люди страдают от сильной светобоязни (фотофобии) и имеют низкую остроту зрения.
Колбочковая монохромазия: работает только один тип колбочек. Цветов тоже нет, но острота зрения обычно выше, чем при палочковой форме.
4. Приобретенные нарушения
В отличие от врожденных, они могут проявляться на одном глазу и прогрессировать:
Катаракта: помутнение хрусталика действует как желтый фильтр, «съедая» синие оттенки.
Дистрофия сетчатки или поражение зрительного нерва: могут привести к прогрессирующему сужению цветового охвата.
7. Оптические схемы, используемые для получения изображений. Фокусное расстояние. Матрицы для получения черно-белого и цветного изображений. Связь разрешения на объекте и разрешения на изображении.
Помогутка
1. Оптические схемы получения изображений
В основе большинства систем лежит принцип камеры-обскура, где свет проходит через отверстие и формирует перевернутое изображение. В современных устройствах применяются:
Диоптрические (линзовые) схемы: Самые распространенные. Используют систему линз для фокусировки света. Бывают с фиксированным фокусным расстоянием или зум-объективы (варифокальные).
Катадиоптрические (зеркально-линзовые): Сочетают линзы и зеркала. Позволяют получить большие фокусные расстояния при компактных размерах корпуса (часто используются в телескопах).
Зеркальные (рефлекторы): Строят изображение только с помощью вогнутых зеркал (например, схема Ньютона).
2. Фокусное расстояние (f)
Это физическая характеристика объектива — расстояние от его оптического центра до точки (матрицы), в которой собираются параллельные лучи света.
Влияние на угол обзора: Чем меньше f, тем шире угол обзора (широкоугольные объективы). Чем больше f, тем сильнее «приближение» (телеобъективы).
Эквивалентное фокусное расстояние (ЭФР): Учитывает размер матрицы относительно кадра 35 мм (кроп-фактор).
Википедия
Фо́кусное расстоя́ние — физическая характеристика оптической системы, определяющая её основные свойства и, главным образом, увеличение и угловое поле[1]. Для центрированной оптической системы, состоящей из сферических поверхностей, описывает способность собирать лучи в одну точку при условии, что эти лучи идут из бесконечности параллельным пучком параллельно оптической оси.
Для системы линз, как и для простой линзы конечной толщины, фокусное расстояние зависит от радиусов кривизны поверхностей, показателей преломления оптических материалов и толщин элементов системы.
Определяется как расстояние от передней главной точки до переднего фокуса (для переднего фокусного расстояния), и как расстояние от задней главной точки до заднего фокуса (для заднего фокусного расстояния)[2]. При этом под главными точками подразумеваются точки пересечения передней (задней) главной плоскости с оптической осью.
Величина заднего фокусного расстояния является основным параметром, которым принято характеризовать любую оптическую систему.
Сверху вниз:
фокусное расстояние собирающей линзы — положительное;
фокусное расстояние рассеивающей линзы — отрицательное;
фокусное расстояние вогнутого зеркала — положительное;
фокусное расстояние выпуклого зеркала — отрицательное
3. Матрицы для получения черно-белого и цветного изображений
Матрица — массив светочувствительных элементов (пикселей), преобразующих энергию фотонов в электрический сигнал.
Черно-белые (монохромные): фотодиоды не накрыты светофильтрами. Каждый пиксель регистрирует полную интенсивность падающего света во всем видимом диапазоне. Обладают максимальной квантовой эффективностью.
Цветные (с фильтром Байера): поверх пикселей нанесен массив микрофильтров (RGB). Каждый пиксель воспринимает только узкую часть спектра (красную, зеленую или синюю). Итоговый цвет каждой точки вычисляется через интерполяцию соседних значений (дебайеризация).
4. Связь разрешения на объекте и на изображении
Разрешение определяет способность системы различать мелкие детали.
Пространственное разрешение на объекте (GSB— Ground Sample Distance): Расстояние на реальном объекте, которое соответствует одному пикселю на матрице.
Математическая связь: Зависит от фокусного расстояния (f), высоты (или дистанции) съемки (H) и физического размера пикселя на матрице (p):
Вывод: Чтобы видеть более мелкие детали на объекте (уменьшить ), нужно либо увеличить фокусное расстояние, либо уменьшить размер пикселя, либо подойти ближе к объекту.
Связь между разрешением на объекте (физический размер элемента местности/объекта) и на изображении (количество пикселей) определяет качество детализации, получаемой на снимке. Это ключевое понятие в цифровой фотографии и дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ).
Ключевые аспекты связи:
Разрешение на объекте (GSD - Ground Sample Distance): Это расстояние между центрами двух соседних пикселей, измеренное на поверхности объекта съемки. Если GSD равен 10 см, это означает, что один пиксель изображения соответствует квадрату 10х10 см на местности. Чем меньше число GSD, тем выше пространственное разрешение и лучше детализация.
Разрешение изображения (пиксели): Это количество пикселей, из которого состоит цифровое изображение (например, 1920x1080 или 12 Мп).
Взаимосвязь: Для получения детального изображения маленького объекта с большого расстояния (например, со спутника или дрона) необходимо высокое разрешение сенсора (маленький GSD). Если разрешение на объекте низкое (пиксель покрывает большую площадь), мелкие детали сливаются, и их невозможно различить.