Исследование влияния  спектральных  характеристик зрительной  системы на качество изображений

Цель работы: дать качественную и количественную оценку качества изображений различных объектов при изменении ширины спектра его изображения.

Оборудование: ПК, программный пакет Heurisko.

 

Общие положения

Программный пакет “Heurisko Developer 5.2.1” (Demo - версия) предназначен для решения задач цифровой обработки изображений с помощью компьютера для различных областей техники, медицины и т.д., в том числе для процессов телевидения с учетом особенностей зрительной системы человека. В пакете предоставлен широкий набор упрощений, предоставляющих работу с различными изображениями в интерсистемном режиме: цветными (color), черно-белыми (grayscale), перемещениями последовательностями изображений (sequences) и объемными изображениями (volumetric).

Работа в пакете “ Heurisko”. Вход в систему осуществляется путем обращения к ярлыку “Heurisko” на рабочем столе компьютера или при нажатии кнопки «пуск» - ярлык “Heurisko”. При этом открывается интерфейс программы, который состоит из двух основных окон: окна выполнения операций над изображениями и выходного окна “Heurisko-Out” с результатами действий. Системное окно состоит из меню команд и полей регистрации программных модулей. Меню команд содержит выпадающие подменю Workspace (рабочие операции), Edit (редактирование), Options, Operators, Objects, Windows и Help. При этом многие команды имеют пиктограммы быстрого вызова, расположенные на панели инструментов (ввод новых операций в окне, уничтожения частей, уничтожение активного окна, вызов операций, сохранение, печать, вырезка, копирование, загрузка окна выбора изображений на рабочий стол, исполнение и др).

Обращение к пиктограмме “Load Imidg” открывает окно загрузки объектов “Loadan Object”, в котором у казывается папки типов изображений: цветные (color), черно-белые (grayscale), последовательности положений (фаз) объектов (sequences) и объемные последовательности фаз объектов (volumetric). В папках расположены файлы изображений объектов. Выбор требуемого изображения объекты из соответствующей папки осуществляется путем обращения к соответствующему файлу. При этом на рабочем столе открывается окно с изображением объекта и окно инструментов контролера «inspectortools», где выбираются виды операций над изображениям.

Получение спектрального изображения объекта. При обращении к пиктограмме «спектр» в окне «inspectortools» выводится окно гистограммы спектра изображения. Для цветных изображений выдаются три спектра основных цветов (красного, синего и зеленого). Наложения спектров друг на друга дает промежуточные цвета (желтый, белый и т.д.).

 

 

Рисунок 2.1 - Цветное изображение и ее спектр

Для черно-белых изображений выдается гистограмма спектра в красном цвете.

 

 

Рисунок 2.2 - Полутоновое изображение и ее спектр

При работе в интерактивном режиме с изображением объекта можно изменить параметры изображения и его спектр. Для этого в окне «inspectortools» с помощью пиктограммы линейного изменения выводится на рабочий стол окно задания пределов показаний (регулятор) «displayrange», в котором вверху располагается линейка шкалы с указанием нижнего предела (слева) и верхнего предела (справа). Верхний движок регулятора изменяется плавно параметр (волновое число, уровень квантования и т.д.) «сверху вниз», а нижний движок изменяет плавно величину нижнего предела. В окнах указываются значения параметров. Для установки пределов изменения параметра включается режим «of displayrange limits», с помощью прокрутки устанавливаются значения пределов, кратные 2ⁿ, и регулятор возвращается в рабочий режим «off displayrange». Нижний предел в рабочем режиме можно изменять вручную.

Внимание! При совмещении движков регулятора программа выдает значения ошибки. Для выхода необходимо нажимать “OK” с перемещением курсора в сторону предела.

Формирование изображения зрительной системой человека происходит поэтапно:

- формирование изображения объекта путем получения отраженного светового потока излучения;

- выделение при приеме светового потока полос спектров (красный, зеленый, голубой) с помощью рецепторов;

- обработка их с целью получения изображения в зрительной системе (рис 2.3).

Поскольку любой материальный объект характеризуется определенным набором параметров (габаритами, вещественным и структурным составом, механическими характеристиками, цветом и др.), то изображение этого объекта определяется взаимодействием потоков излучения с веществом объекта, характеризуемого набором оптических параметров (излучающей, отражающей и поглощающей способностью материалов).

 

Рисунок 2.3 – Структурная схема процесса формирования образа объекта в зрительной системе человека

О – источник освещения со световым потоком и его энергией W;

Фе – отраженный энергетический световой поток объекта;

Р – рецепторы глаза, выделяющие цвета R, G, B;

Ф – световой поток в зрительной системе (физиологический аспект);

СР – среда распространения светового потока.

 

В зависимости от вида объекта и его свойств, изображения объектов могут быть динамическими и статическими, объемными и плоскими, цветными, ахроматическими и монохроматическими, непрерывными и дискретными. Изображение образует пространственное распределение энергетической освещенности на плоскости сетчатки глаза, экрана и т.д.

Оптическое излучение объекта – это электромагнитное излучение с длинами волн от 1 нм до 1 мм. Излучение объекта характеризуется спектральной световой эффективностью (видностью излучения) , равной отношению светового потока  к потоку энергии излучений , создающему этот световой поток, т.е.:

 

.                                      (2.1)

 

Так, поток энергии монохроматических излучений 1 Вт создает световой поток в 1 Лм. В формуле (2.1) поток энергии  характеризует свет как физическое явление, а световой поток  – как физиологическое явление. Величина  показывает, какое количество энергии проходит через некоторую поверхность в единицу времени, а определяет ощущение, которое вызывает эта энергия в органе зрения человека.

Световая энергия Ф, излучаемая объектом, является функцией длины волны света и равна произведению энергии излучения W на спектральную световую эффективность:

 

.                                      (2.2)

 

Таким образом, объект характеризуется излучением набора электромагнитных волн и амплитуд, т.е. спектром.

Зрительная система человека реагирует только на электромагнитные излучения, имеющие длины волн в диапазоне 360-800 нм. Зависимость параметра дальновидности зрения  представлена в таблице 1, а т.к. излучение определяется спектральной характеристикой, то оценка параметра излучения, яркости, определяется как суммарная мощность

 

                      (2.3)

 

Цветовое зрение обеспечивается за счет трех различных типа фотопигментов в колбочках сетчатки глаз, что в свою очередь делают их чувствительными к различным спектральным диапазонам. Исходя из спектрального представления, цветовое зрение человека может рассматриваться, как смесь сигналов по полосам с максимальными значениями чувствительности при 455, 535 и 575 нм соответственно.

 

Таблица 2.1 – Зависимость спектральной световой эффективности  для фотооптического зрения.

, нм		, нм		, нм		, нм		, нм		, нм
380	0,00004	450	0,038	520	0,71	590	0,757	660	0,061	730	0,00052
390	0,00012	460	0,060	530	0,862	600	0,631	670	0,032	740	0,00025
400	0,0004	470	0,091	540	0,954	610	0,503	680	0,017	750	0,00012
410	0,0012	480	0,139	550	0,995	620	0,381	690	0,0082	760	0,00006
420	0,0040	490	0,208	560	0,995	630	0,265	700	0,0041	770	0,00003
430	0,0116	500	0,323	570	0,992	640	0,175	710	0,0021	780	0,000015
440	0,023	510	0,503	580	0,87	650	0,107	720	0,00105

 

Также, исходя из совместимости полос спектров изображения объекта и зрительной системы человека, ширина спектра изображения ограничивается полосой 360-800 нм с выделением отдельных полос для передачи цвета. Если излучение каждого элемента объекта воспроизводимого изображения, как по спектральному составу, так и по энергии одинаково с исходным с точностью, определяемой флуктуациями излучения, воспроизведение называют физически точным. В условиях наблюдения изображения глазом стремятся к физиологически точному воспроизведению, когда визуально не обнаруживаются различия между изображением и оригиналом. Реальные отличия изображения и оригинала могут находиться в пределах пороговых характеристик глаза по яркости, цветности и другим параметрам.

 

Порядок выполнения работы

1. По указанию преподавателя выбрать полутоновое изображение и вызвать его начальный спектр. Определить мощность излучения изображения по спектральной характеристике :

 

,                                            (2.4)

 

где  - частоты спектра;

 - мощность спектра изображения.

 

,                                         (2.5)

 

а также качественное изменение изображения.

2. Изменить нижнюю границу частотного спектра () и оценить мощность спектра излучения. Дать характеристику изменениям в изображении.

3. Изменить верхнюю границу частотного спектра () и оценить мощность спектра излучения. Дать характеристику изменениям в изображении.

4. По указанию преподавателя выбрать цветное изображение и оценить мощность спектра излучения. При этом считается, что:

 

.                             (2.6)

 

5. Выполнить пп. 2-3 и проанализировать полученные изображения.

6. Сделать вывод о влиянии частотных характеристик на качество изображения.

 

Содержание отчета

В отчете привести изображения, их спектры и расчет спектральной мощности. Сделать выводы о зависимости изменения качества изображения от изменения его спектральной мощности.

 

4. Контрольные вопросы

1. Опишите структуру формирования образа объекта в зрительной системе.

2. Что подразумевается под выражением «оптическое излучение объекта»?

3. Чем может быть охарактеризован объект с точки зрения оптических характеристик?

4. Объясните такой физический процесс, как цветовое зрение человека.

Лабораторная работа №  3