Основы теории света и глаз человека

Свет – это электромагнитное излучение. Человеческий глаз может реагировать на это излучение и различать частоты, которые воспринимаются глазом как цвет. Посмотрите на рис. 2.1 электромагнитное излучение включает все частоты, или длины волн. Видимый свет занимает лишь небольшое «окно» этого диапазона. Это окно лежит в диапазоне от 380 нм до 780 нм. Чтобы легче было запомнить, мы приближенно примем границы диапазона равными 400 нм и 700 нм. 400 нм соответствует фиолетовому цвету, а 700 нм – красному. По мере увеличения длины волны цвет непрерывно переходит от фиолетового к голубому, зеленому, желтому, оранжевому и красному. Для определения средней чувствительности человеческого глаза было проделано множество экспериментов и тестов, и, как видно из рисунка, не все цвета оказывают одинаковое воздействие на сетчатку глаза.

Рис. 2.1. Электромагнитный спектр и чувствительность человеческого глаза

Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету. Другими словами, если собрать все длины волн с равной энергией, то зеленый будет иметь наибольший «выход» на сетчатке. Частоты выше фиолетового (длины волн короче 400 нм) и ниже красного (длины более 700 нм) не воспринимаются «средним» человеческим глазом. Я подчеркиваю здесь «средним», потому что чувствительность человеческого глаза – это статистическая величина. Есть люди с «цветовой слепотой», чья спектральная чувствительность отличается (обычно уже) от показанной на рисунке. Некоторые люди с «цветовой слепотой» не видят красный цвет, другие не различают голубой. Натренированный профессиональный глаз художника или фотографа может развить очень высокую чувствительность, различая такие частоты (цвета), которые другим могут казаться одинаковыми. Некоторые могут даже выйти за минимальный и максимальный предел воспринимаемых частот, то есть различать темно‑фиолетовый или красный цвет, невидимый для других индивидов.

Есть один интересный вопрос, который мы можем задать сами себе: почему максимум спектральной чувствительности лежит в зеленом цветовом диапазоне (около 555 нм)? Возможно, это связано с тем фактом, что большая часть солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, сконцентрирована на длинах волн порядка 555 нм.

В течение миллионов лет, когда проходила эволюция жизни на планете, у нас (и почти у всех животных) развивалось зрение, способное воспринимать те длины волн, которые были наиболее доступны (по крайней мере, в дневное время). Альтернативой является ночное зрение животных, которые охотятся на теплокровных млекопитающих. Тепло, излучаемое телом, – это и есть инфракрасная радиация. Вот типичные представители: змеи, кошки и совы. Некоторые змеи, к примеру, кроме глаз для общего зрения, обладают инфракрасно‑чувствительными органами, при помощи которых змея может определить температурные изменения менее 0.5 °C (1° F). Кошки, в том числе и дикие – леопард, пума и другие члены семейства кошачьих, известны своим прекрасным ночным зрением, а это означает, что их реакция в ближнем инфракрасном диапазоне намного лучше, чем реакция человеческого глаза.

Мы остановимся на глазе человека, а для этого важно понимать его «конструкцию».

Эти вопросы и сами по себе интересны, но, кроме этого, мы найдем еще и массу концептуальных аналогий между устройством глаза и ТВ‑камеры.

На рис. 2.2 мы видим глазную линзу (хрусталик), которая и фокусирует изображение на сетчатке.

Сетчатка – это на самом деле «фоточувствительная область», состоящая из миллионов клеток – колбочек и палочек. Эти клетки можно рассматривать как часть нашей нервной системы. Колбочки чувствительны к средней и яркой интенсивности света и воспринимают цвета. Палочки чувствительны к низким уровням света и не способны различать цвета. Ночью мы видим благодаря палочкам, поэтому в темноте мы не можем различать цвета.

Число колбочек в каждом глазе приблизительно составляет 10 млн., а палочек – около 100 млн. Колбочки сконцентрированы вокруг области прохождения оптической оси. Эта область окрашена желтым пигментом и называется желтым пятном. Желтое пятно является основной областью, которую обрабатывает наш мозг, и, хотя она очень мала, концентрация колбочек в ней составляет около 50 000. Среднее фокусное расстояние глаза (то есть расстояние между хрусталиком и сетчаткой при разглядывании бесконечно удаленного объекта) составляет около 17 мм. Такое фокусное расстояние дает резкое изображение в пространственном угле, равном примерно 30°. Это также и размер области, где больше всего колбочек. Именно поэтому угол в 30° считается стандартным углом зрения.

Концентрация колбочек возрастает по направлению к центру оптической оси, достигая максимума лишь на 10°. Каждая из клеток‑кол бочек соединяется с мозгом отдельным зрительным нервом, по которому электрические импульсы посылаются в мозг. Конечно, глаз видит и под гораздо большим углом, так как сетчатка охватывает пространственный угол почти в 90°, и колбочки есть и вне желтого пятна, но к одному нерву в этом случае подсоединена группа колбочек. В этой области мы видим не так четко, как в области, где к каждой колбочке подсоединен отдельный нерв, поэтому эта часть сетчатки называется областью периферического зрения.

Рис. 2.2. Схема устройства глаза

Рис. 2.3. Аналогии между устройством глаза и камерой

«Секция обработки изображения» в головном мозге сконцентрирована на 30°, хотя видим мы лучше примерно на 10°. Обработка поддерживается постоянными движениями глаза во всех направлениях, что аналогично панорамной головке в видеонаблюдении.

В SLR‑камерах (однообъективных зеркальных фотоаппаратах) стандартный угол зрения в 30° достигается при помощи 50‑мм объектива, для 2/3" камеры – это 16‑мм объектив, для 1/2" камеры – 12‑мм и для 1/3" камеры – 8‑мм объектив. Другими словами, изображения, полученные при помощи любого типа камер с соответствующими стандартными объективами, будут иметь довольно близкие размеры и перспективу, похожую на то, что мы видим своими глазами.

Объективы с меньшим фокусным расстоянием дают более широкий угол зрения и называются широкоугольными объективами. Объектив с большим фокусным расстоянием сужает угол зрения, и поэтому кажется, что он приближает удаленные объекты, отсюда и название: телеобъектив («теле» означает далекий). Еще один интересный вопрос, касающийся видеонаблюдения, связан с тем, что, зная фокусное расстояние глаза и максимальный диаметр раскрытия радужной оболочки, равный примерно 6 мм, мы можем найти эквивалентное F – число глаза (которое мы обсудим позже в этой книге):

F_глаза= 17/6 = 2.8

С полностью раскрытой радужной оболочкой мы можем довольно хорошо видеть в полнолуние (освещенность объектов равна примерно 0.1 люкса). Помните это число, когда будете сравнивать минимальные характеристики освещенности для разных камер.

Фокусировка, которую выполняет глаз, чтобы человек мог видеть объекты на различных расстояниях, достигается за счет изменения толщины хрусталика (линзы). Толщина хрусталика меняется цилиарными мышцами. Если глаз в порядке, он может фокусироваться от бесконечности до минимального расстояния, равного примерно 20 см в раннем детстве, 25 см – в возрасте 20 лет, 50 см – в 40 лет и 5 м – в 60 лет. Если мы смотрим на очень удаленный объект, то есть глаз фокусируется на бесконечность, цилиарные мышцы расслабляются, и линза становится тонкой.

Если же глаз не может фокусироваться на бесконечности, то такой дефект зрения называется близорукостью или миопией. В этом случае нужны очки, которые помогут «дефективной» глазной линзе сфокусировать изображение на сетчатке. Такие очки иногда называют уменьшающими очками, потому что они имеют отрицательный фокус (или диоптрии).

Диоптрия – это величина, обратная фокусному расстоянию линзы, где фокус выражен в метрах.

Уменьшающие очки имеют отрицательные диоптрии. Итак, «уменьшающие» очки в ‑0.5 диоптрий, например, имеют отрицательный фокус, равный 1/(‑0.5) = ‑2 м.

Другой дефект глаза заключается в том, что глаз не может сфокусироваться на очень близком изображении, то есть глазная линза по тем или иным причинам не может стать достаточно толстой. Этот дефект называется дальнозоркостью или гиперметропией.

Людям с гиперметропией, чтобы разглядеть близкие предметы, требуются очки. Такие очки должны иметь характеристики, противоположные рассмотренным выше, то есть они должны увеличивать изображение и иметь положительный фокус (или диоптрии).

Когда мы смотрим на объект двумя глазами, то в мозг проецируется зрительный образ, создающий стереоскопический эффект, и мы воспринимаем объемность пространства. Если прикрыть один глаз, то будет очень трудно воспринимать «трехмерность» окружающего нас пространства.

Рис. 2.4. Как работает глаз

Рис. 2.5. Корректирование дефектов зрения при помощи очков

Расстояние между глазами (60–70 мм) обеспечивает наше восприятие трехмерного пространства вплоть до 10–15 метров. На более далеком расстоянии очень трудно судить, какой из двух предметов ближе. Вы можете провести такой эксперимент: посмотрите на два достаточно удаленных от вас, но удаленных на разные расстояния, находящиеся в воздухе объекта. Если мы смотрим, скажем, на два дерева, мозг делает заключение о расстоянии на основе земли и перспективы того, что находится перед нами, но перспективное «решение» в этом случае будет сделано не на основе «стереоскопического механизма» глаза.

Когда задумываешься о сложности строения глаза и мощности мозга при «обработке изображений», не перестаешь удивляться. Мы проделываем эти операции сотни раз на дню и даже не думаем об этом.

Не говоря уже о том, что изображение на сетчатке перевернуто, ведь такова природа оптической рефракции, и мы совершенно не замечаем мелких движений глаза, которые происходят во всех направлениях, когда мы смотрим на что‑то. Все это расшифровывается и контролируется мозгом.

Конфигурация «глаз/мозг» намного совершеннее любой камеры, которую человек изобрел или изобретет в будущем. Но как люди техники, мы можем сказать, что понимание «работы» глаза и использование непрерывно усовершенствующихся визуальных технологий как на уровне технического, так и на уровне программного обеспечения, позволяет нам получать более совершенные изображения и более полную информацию об окружающем мире. Мы можем видеть вещи, недоступные человеческому глазу, и отслеживать объекты в таких местах, где человек не может находиться.

Рис. 2.6. Разрешающая способность человеческого глаза

Многочисленные эксперименты и тесты показали, что человеческий глаз может различить самое большее 5–6 пар линий на миллиметр. Этот показатель подразумевает оптимальное расстояние между глазом и объектом 30 см, то есть, когда мы, например, читаем достаточно мелкий текст. Это дает минимальный угол примерно в 1/60 градуса. Таким образом, это значение 1/60 градуса считается пределом угловой разрешающей способности для нормального зрения. Мы можем использовать угловую разрешающую способность глаза для лучшего понимания того, как человек воспринимает мелкие детали, что затем позволит нам применить наши теоретические познания на практике.

При расчете оптимальной дистанции между наблюдателем и монитором существует простая рекомендация, которая предписывает умножать высоту экрана монитора на семь. Подробнее о мониторах читайте в соответствующей главе этой книги. Вообще, необходимо понимать, что расстояние до монитора – это крайне важный аспект психофизиологического восприятия деталей в изображении. Человеку, который смотрит в монитор, совершенно не нужно находиться слишком близко к экрану, но и очень далеко от экрана располагаться зрителю тоже не стоит.

Световые единицы

Свет – это физическое явление, интерпретируемое психологическими процессами в нашем мозге. И поэтому его сложнее оценивать или измерять, чем любой другой физический процесс. Чтобы проделать объективные измерения, необходимы некоторые предварительно заданные условия.

Одно из них – это полоса рассматриваемых частот излучения, обычно лежащая в пределах от 400 нм до 700 нм. Все частоты вносят свой вклад в световую энергию, излучаемую источником.

Для начала давайте рассмотрим различные типы источников света.

Обычно их делят на две основные группы:

– первичные источники (солнце, уличное освещение, лампы накаливания, ЭЛТ‑мониторы);

– вторичные источники (все объекты, которые не генерируют свет, а только отражают).

Для измерения количества света, излученного, например, лампой накаливания, и света, отраженного от объекта, мы применяем различные способы. И если мы анализируем свет, испускаемый источником во всех направлениях и в узком телесном угле, – то это совсем не одно и то же. Есть несколько причин того, почему мы используем различные единицы измерения света.

Наука, изучающая все эти аспекты, называется фотометрией, а соответствующие единицы измерения – фотометрическими единицами.

Различные ученые, в зависимости от своих взглядов, вводили различные единицы света. Поэтому возникают определенные трудности при попытке понять или описать характеристики телекамер. Но давайте все‑таки попробуем пролить свет на эти вопросы и объяснить, что есть что. Начнем в логическом порядке, то есть вначале рассмотрим источники света, затем распространение света в пространстве, падение на объект и, наконец, отражение.

Сила света (/) характеризует световую энергию первичного источника, излучающего во всех направлениях. Единица измерения силы света – кандела (кд). Одна кандела примерно равна количеству световой энергии, испускаемой обычной свечой. В 1948 г. появилось более точное определение канделы: кандела – это сила света, излучаемая черным телом, нагретым до температуры перехода платины из жидкого в твердое состояние.

Световой поток (F) – это сила света в некотором телесном угле. И, следовательно, единица светового потока получается делением силы света на 4π радиан (в сфере 4π = 12.56 стерадиан) и измеряется в люменах (лм). Один люмен – это световой поток, испускаемый источником с силой света в 1 кд внутри единичного телесного угла (угла в 1 стерадиан).

Поскольку ощущение яркости зависит от чувствительности человеческого глаза, то световой поток зависит также и от длины волны. Например, свет мощностью в 1 ватт на 555 нм (зеленый цвет) дает световой поток приблизительно равный 680 лм, а все другие длины волн с такой же силой света дают меньший световой поток (см. кривую спектральной чувствительности глаза). Поэтому бессмысленно выражать энергию света в ваттах, несмотря на то, что теоретически световая энергия, как и любой другой вид энергии, может быть выражена в ваттах.

Освещенность (Е) – это наиболее часто используемый в видеонаблюдении термин, особенно при описании характеристик минимальной освещенности камер. Освещенность очень похожа на яркость, за исключением того, что в этом случае имеются в виду объекты, являющиеся вторичными источниками света.

Итак, освещенность поверхности – это величина светового потока, приходящегося на единицу площади.

Если световой поток в 1 люмен падает на поверхность площадью в 1 м² (квадратный метр), он измеряется в люменах на квадратный метр или метр‑свечах, более известных под названием люкс (лк). Это означает, что если у нас есть сфера радиусом 1 метр и источник света с силой света в 1 канделу, расположенный внутри сферы, то освещенность на внутренней поверхности сферы будет равна 1лк. Математически это соотношение может быть записано следующим образом:

E = Flux/Area = F/A [лк] (1)

Поток F_по определению равен силе света, умноженной на телесный угол, то есть:

F = I∙ω [лм] (2)

Предполагая, что источник света является точечным, и, опираясь на формулы сферической тригонометрии, мы можем выразить ω через освещаемую площадь А и расстояние до источника d :

ω = A/d² [рад] (3)

Подставив (2) и (3) в (1), получаем:

E = I/d² [лк] (4)

Это означает, что освещенность перпендикулярной площадки обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Если же площадка расположена под некоторым углом к падающему свету, то мы можем оценить действительную поверхность, сделав проекцию на угол θ как на схеме на рис. 2.7. В этом случае формула (4) принимает вид:

E = I∙cos θ/d² [лк] (5)

Типичные уровни освещенности приведены на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Некоторые типичные уровни освещенности

Очень редко, в малых областях пространства и при очень сильных источниках света могут обеспечиваться уровни освещенности выше 100 000 лк (например, вблизи сильной импульсной лампы).

Для описания таких освещенностей иногда используются другие, более крупные единицы –фоты .

Один фот равен 10 000 лк.

В американской терминологии, где все еще широко используется квадратный фут вместо единиц СИ, освещенность выражается в канделах на квадратный фут, или фут‑свечах. Поскольку соотношение между квадратным метром и квадратным футом равно примерно 10 (или точнее 9.29), то довольно просто перевести люксы в фут‑свечи и наоборот. Если освещенность задана в фут‑свечах, достаточно разделить эту величину на 10, и вы получите приблизительное значение в люксах, а если значение задано в люксах, то, чтобы перевести его в фут‑свечи, умножьте его на 10.

Термин Яркость (L) характеризует свечение поверхности первичного или вторичного источника света. Поскольку свечение имеет субъективный подтекст, то в качестве объективного, научного термина используется понятие «яркость». Яркость зависит от силы света самой поверхности и от угла наблюдения, поэтому рассчитывается на единицу перпендикулярной направлению взгляда площадки. Существует всего несколько единиц яркости. Предпочитаемся в мире метрическая единица яркости – это нит. Один нит равен одной канделе на квадратный метр спроектированной площадки (I/A). Если для измерения светового потока источника вместо кандел использовать люмены, то яркость будет выражена в апостильбах (асб). Все становится несколько более сложным, если мы имеем дело с поверхностью, на которую световой поток падает под углом θ к нормали (или отражается); в этом случае световой поток прямо пропорционален cosθ. Тогда со всех направлений будет казаться, что поверхность имеет одинаковую яркость, потому что и отраженный свет, и спроектированная поверхность подчиняются одним и тем же тригонометрическим законам. Такой тип поверхности называется ламбертовским радиатором или рефлектором (в зависимости от того, является ли поверхность первичным или вторичным источником света) и обычно описывается как равномерно рассеивающая поверхность. Для измерения яркости в этом случае в метрическую систему была введена еще одна единица – ламберт. Эквивалентная американская единица – фут‑ламберт.

То, какова будет освещенность, воспринимаемая камерой, на самом деле зависит от силы света самого источника и от отражательной способности освещаемого объекта. Объект может быть черным или белым и, понятно, что это не одно и то же. Если объекты белые, то, естественно, при одном и том же количестве света мы сможем видеть больше. Поэтому, говоря об освещенности, необходимо ввести еще один фактор: коэффициент отражения, выраженный в процентах. Определение коэффициента отражения можно задать следующим простым соотношением:

р = отраженный от поверхности свет/падающий на поверхность свет = E/L [%] (6)

На практике эта величина меняется от очень низкого значения в 1 % для черного бархата, 32 % для обычной поверхности почвы до 93 % для чистого белого снега. Кожа человека европеоидной расы имеет коэффициент отражения от 19 до 35 %. Испытательная таблица CCTV Labs, которая напечатана на обложке этой книги, имеет коэффициент отражения около 60–70 %.

Этот фактор очень важен при определении минимальной освещенности камеры, так как при одинаковом уровне освещенности, но различных коэффициентах отражения, объекты будут иметь различную яркость, косвенно влияя на производительность камеры.