палочек (100 - 125 млн ) ( ~10 0 00 x 10 0 00)

1. палочек (100 - 125 млн) (~10 000 x10 000) • колбочек (4 - 6.5 млн)(~ 2 500 x2 500)(~1 на квадрат 4x4 палочек) • зрительный нерв (800 000) (~900 x 900 точек) Глаз человека различает около 10 миллионов цветовых оттенков Зрительная система человека

2. Радужная оболочка, в центре которой находится круглое отверстие - зрачок играет роль диафрагмы, её диаметр определяется освещенностью объекта и расстоянием до него. Диаметр зрачка меняется от ~ 2 мм (при ярком свете) до ~ 8 мм (при малой освещенности). Прозрачный хрусталик выполняет роль объектива с переменным фокусным расстоянием, изменяющимся под воздействием кольцевой мышцы. Это явление носит название аккомодации. На сетчатке образуется перевёрнутое изображение объектов Если света чрезмерно много, то возможно повреждение сетчатки. Нельзя, например, смотреть на солнце, свет ультрафиолетовой лампы или газовую сварку. Особенно опасны ультрафиолетовые и в значительной мере синие лучи солнечного света.Радужная оболочка изменяет количество света, проходящего в глаз.Окраска радужной оболочки аналогична цветным светофильтрам в очках.

3. Резкость наводится перемещением линзы объектива или передвижением самого объектива. <=Устройство фотоаппарата Устройство, встроенное в объектив, которое позволяет изменять световое отверстие объектива, называется диафрагмой. Чаще всего применяется ирисовая диафрагма

4. Современные фотоаппараты снабжаются объективами с относительными отверстиями 1 : 1,5; 1:2; 1 : 2,8; 1 : 3,5; 1 : 4; 1 : 4,5; 1 : 6,3. Относительное отверстие обозначается отношением единицы к числу, показывающему, во сколько раз диаметр полного отверстия данного объектива меньше его фокусного расстояния. • Числа на шкале диафрагм являются знаменателями фактических (действующих) относительных отверстий объектива. Числитель, всегда равный единице, для удобства опускается. • Отверстие объектива имеет форму круга. Как известно из геометрии, площади кругов относятся, как квадраты их диаметров. • С уменьшением диаметра круга в два раза площадь круга уменьшается в четыре раза. Диаметры кругов А, Б, В относятся как 1 : 1/2 : 1/4, а площади их - как 1 : 1/4 : 1/16

5. Современные фотоаппараты снабжаются объективами с относительными отверстиями 1 : 1,5; 1:2; 1 : 2,8; 1 : 3,5; 1 : 4; 1 : 4,5; 1 : 6,3. Относительное отверстие обозначается отношением единицы к числу, показывающему, во сколько раз диаметр полного отверстия данного объектива меньше его фокусного расстояния. • Числа на шкале диафрагм являются знаменателями фактических (действующих) относительных отверстий объектива. Числитель, всегда равный единице, для удобства опускается. Относительное отверстие объектива телескопической системы (D – диаметр объектива, f -фокусное расстояние)

6. Чем ниже значение числовой апертуры диафрагмы, тем больше света, пропускает объектив, и наоборот, чем больше значение диафрагмы, тем меньше света проходит через него. Эту зависимость наглядно иллюстрирует следующая схема: 1.4,2.0, 2.8, 4.0, 5.6, 8, 11, 16, 22<=== Больше света ~ Меньше света ==> • Общая зависимость такова: при увеличении диафрагмы на одно деление, количество света, проходящего через объектив, увеличивается, в два раза, а при уменьшении - в два раза уменьшается

7. Цвет Свет имеет волновую природу. Свет - это видимая часть спектра электромагнитных волн. Каждая волна характеризуется своей длиной. Область электромагнитного спектра, которую может воспринимать человеческий глаз, находится в промежутке приблизительно от 350 до 780 нанометров Видимый свет, есть форма электромагнитных колебаний, лежащих в узкой области спектра от 350 до 780 нм

8. Внутри человеческого глаза находятся сенсоры, чувствительные к разным волнам видимого спектра. Когда электромагнитные волны попадают на эти сенсоры, в них формируется сигнал, который затем поступает в мозг. И мозг уже принимает решение о том, свет какого цвета видит человек 380 – 470 нм – фиолетовый, синий 500 – 560 нм – зеленый 560 – 590 нм – желтый, оранжевый 590 – 760 нм – красный

9. Сетчатка состоит из светочувствительных элементов двух типов: палочек и колбочек. Цвет воспринимается колбочками. При низкой освещённости, колбочки теряют чувствительность и работают только палочки, и предметы кажутся черно-белыми. (В темноте все кошки серые) • Эти элементы сложным образом соединяются между собой, образуя многослойную нервную сеть. Максимальную плотность эти элементы имеют в зоне центрального жёлтого пятна, расположенного в центре сетчатки, на её оптической оси

10. Квант света поглощается светочувствительной молекулой (пигмент - родомин или родопсин). Таких молекул в одной зрительной клетке 109 (миллиард). Молекула работает как фотоумножитель. • Квант света запускает каскад ферментативных реакций. Они приводят к быстрому, эффективному размножению и усилению почти в миллион раз первичного светового сигнала. Эта фотохимическая реакция происходит за фантастически короткое время - менее чем за 200 фемтосекунд (одна фемтосекунда равняется 10-15 секунды)

11. I (интенсивность) I (λ) λ • Три пигмента имеют максимальные поглощения приблизительно на430, 530 и 560 нм. Этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый

12. В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т.е. если изображение сфокусировано для одной из частот, то на других частотах изображение расфокусированно • Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 555 нм. Так как пики чувствительности средне- длинноволновых колбочек (530 и 555 нм, соответственно) близки к друг к другу, поэтому изображения для этих колбочек могут быть одновременно сфокусированными. Изображение же для коротковолновых палочек будет размытым

13. Так степень фокусировки разная, то не требуется одинаковой разрешающей способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну коротковолновую колбочку приходится 20 средне- и 40 длинноволновых • Существование трех видов колбочек дало толчок к появлению теории цветовых моделей на основе смешения основных цветов

14. Цветовая модель RGBRGB (Red, Green, Blue) • Используется в цветных мониторах, которые излучают свет • При сложении (смешении) лучей основных цветов результат светлее составляющих. Цвета этого типа называются аддитивными

15. Cyan (0,1,1) Blue (0,0,1) Magenta (1,0,1) White (1,1,1) Black (0,0,0) Green (0,1,0) Red (1,0,0) Yellow (1,1,0)

16. Цветовая модель CMYKCMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK) • Используется при отражении объектов, которые отражают свет • Смешение составляющих затемняет результирующий цвет (объект поглощает больше цвета). • Цвета этого типа называются субтрактивными (разностными)

17. Magenta (1,0,1) Blue (0,0,1) Black (0,0,0) Red (1,0,0) Cyan (0,1,1) White (1,1,1) Green (0,1,0) Yellow (1,1,0)

18. Аддитивная Cубтрактивная(RGB слева) (CMYK справа)цветовые системы

19. Чтобы переключиться из системы RGB в систему CMY, достаточно всего лишь повернуть куб Преобразование к модели RGB и обратно осуществляетсяследующими уравнениями: [C] [1] [R] [R] [1] [C] [M] = [1] - [G] [G] = [1] - [M] [Y] [1] [B] [B] [1] [Y] Если R,G,B и C,M,Y меняются от 0 до 255 (8-бит на каждый цвет) [C] [255] [R] [R] [255] [C] [M] = [255] - [G] [G] = [255] - [M] [Y] [255] [B] [B] [255] [Y]

20. Главная трудность при переходе из системы RGB в CMYK заключается в том, что на бумаге (в системе CMYK) не могут быть представлены некоторые цвета, которые с легкостью можно представить на экране (невозможно точно подобрать полиграфические красители). Поэтому часто то, что на экране выглядит хорошо, на бумаге выглядит блекло и некрасиво. • Это приводит к тому, что смешение трех основных красок, которое должно дать черный цвет, дает неопределенный ("грязный") темный цвет • Для компенсации этого недостатка в число основных полиграфических красок была внесена черная краска. Именно она добавила последнюю букву в название модели (К - blacK -последняя буква (В - занята под обозначение Blue) или, (другая версия) главная - ключевая Key)

21. Из CMY в CMYK [K] = min(C,M,Y) [C] [C] [K] [M] = [M] - [K] [Y] [Y] [K]

22. Цветовая модель YIQ • Y - яркость, I и Q - цветоразностные сигналы.Эта цветовая модельиспользуется в цветном телевизионномвещании • Для передачи и воспроизведения цветногоизображениянеобходимо передать 4 сигнала: 3 сигнала о каждом цвете, исигнал опорного белого, называемый сигналом яркости Yw = rR + gG + bB r,g,b - коэффициенты, подобранные в соответствии с чувствительностью глаза

23. При наличии информации о яркости нет необходимости передавать информацию о трех цветах. Достаточно передать информацию о двух из них, а третью получить из выражения для Yw • Кроме того, поскольку информация несет в себе яркостные соотношения, можно исключит при передаче их яркостные составляющие и передавать какие-либо две из трех цветных разностных сигналов: R-Y, G-Y, B-Y • При этом, все помехи яркостного характера, к которым глаз особо чувствителен будут сказываться только в канале Y. Эта схема совместима также с черно-белым телевидением. Если воспроизводить только канал Y - будет черно-белое изображение • В цветовой модели YIQ используется полезное свойство человеческого зрения, которое более чувствительно к изменениям интенсивности, чем к переменам цветового фона или насыщенности. Отсюда следует, что для представления координаты Y следует выделить большее количество бит (или более широкую полосу частот, чем для I и Q)

24. Из трех цветовых составляющих выбрано две, к которым глаз менее чувствителен: R-Y и B-Y • Таким образом полную информацию о передаваемом цветном изображении можно закодировать в трех составляющих: Y=W; R-Y; B-Y. Такой способ кодирования используется в SECAM • С целью использования свойств зрения, системы кодирования PAL и NTSC строятся так, чтобы оси были сдвинуты на 33 градуса. Новые оси I и Q выбираются так, чтобы вектор I, отображающий оранжевые и сине-зеленые тона опережал вектор R-Y, a Q вектор B-Y на 33 градуса

25. Преобразование к модели RGB и обратно осуществляетсяследующими уравнениями: [Y] [0.299 0.587 0.114] [R] [ I ] = [0.596 -0.274 -0.322] [G] [Q] [0.211 -0.522 0.311] [B] или, если использовать цветоразностные сигналы Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114B I = 0.493 (B - Y) Q = 0.877 (R - Y) Для обратного преобразования используется обратная матрица [R] [1.0 0.956 0.623] [Y] [G] = [1.0 -0.272 -0.648] [ I ] [B] [1.0 -1.105 0.705] [Q]

26. Цветовая модель HSV HSV - модель, ориентированная на человека и обеспечивающаявозможность явного заданиятребуемого оттенка цвета • Hue - цветовой тон • Saturation - насыщенность • Value - количество света или светлота.

28. Цветовая модель HLS • Hue - цветовой тон. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т.д. • Lightness - светлота. Светлота отражает полутоновое представление от интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности. • Saturation - насыщенность. Насыщенность характеризует чистоту, т.е. степень ослабления (разбавления) данного цвета белым, и позволяет отличать розовый от красного, небесно-голубой от ярко-синего и т.п.

29. HLS можно представить как полученную из HSV "вытягиванием" точки V=1, S=0,задающей белый цвет, вверх для образования верхнего конуса

30. Цветовой круг

31. Основные цвета: красный, желтый и синий • Дополнительные цвета: зеленый, оранжевый и фиолетовыйЭти цвета получаются путем попарного смешения основных цветов. Дополнительные цвета находятся напротив друг друга. (Линия их соединяющая проходит через центр круга). Они взаимно связаны. При их смешивании образуется черный (если это краски) или белый (если это световые лучи) цвет. Сочетания этих цветов действует на глаз раздражающе. Уменьшая количество одного цвета, увеличивается содержание дополнительного. Например, увеличивая зеленый, тем самым уменьшается содержание пурпурного

32. Производные цвета: желто-оранжевый, красно-оранжевый, красно-фиолетовый, сине-фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый. Эти цвета образуются путем смешения основного и рядом стоящего дополнительного цветов • Смежные цвета позволяют влиять друг на друга. Чтобы усилить пурпурный, можно усилить красный и синий. Малоконтрастное сочетание смежных цветов делает рисунок строгим. Такое сочетание применимо в деловой графике

33. Триады- цвета равноотстоящие друг от друга на цифровом круге (желтый, пурпурный, голубой или оранжевый, изумрудный, бордовый). Их сочетание создает палитру насыщенных, гармоничных цветов и оттенков) • Чтобы увеличить содержание определенного цвета, нужно уменьшить содержание цветов, соседних с противоположным (и наоборот). Например, чтобы ослабить пурпурный (Magenta) цвет, достаточно усилить голубой (Cyan) и желтый (Yellow)

34. Цветовая модель L*A*B • Аппаратно-независимая модель для определения цветов без оглядки на особенности устройства (монитора, принтера, печатающего устройства) • В LAB цвет отделен от яркости. Яркость объектов определяется в канале светлоты (L), а цвет - двумя хроматическими каналами (А - от зеленого к красному, B - от синего до желтого). Значения А и B могут быть отрицательными • Photoshop и CorelDRAW поддерживают LAB

35. Возможность подбирать свет при помощи трех основных цветов весьма привлекательна. Однако при переводе из одной системы в другую могут возникать отрицательные веса, что неудобно при расчетах • В настоящее время для правильного определения соответствия цветов производятся спектральные замеры каждого из устройств, участвующих в процессе, при этом в одинаковых условиях освещенности • В 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО) (Commission Internationale de l’Eclairage – CIE)были введены три основных цвета (X,Y,Z). Комбинацией трех основных цветов c положительными весами можно описать любые световые ощущения, которые испытывают наши глаза

36. Цветовое зрение человека обусловлено наличием трёх видов рецепторов на сетчатке глаза, максимумы спектральной чувствительности которых локализованы в области 420, 534 и 564 нм. Они являются базовыми, все остальные тона воспринимаются как их смешение в определённой пропорции • Например, чтобы получить жёлтый цвет, совсем необязательно воспроизводить его истинную длину волны 570—590 нм, достаточно создать такой спектр из-лучения, который возбуждает рецепторы глаза сходным образом. Это явление называется метамерией. • Комитет CIE провёл множество экспериментов с огромным количеством людей, предлагая им сравнивать различные цвета, а затем с помощью совокупных данных этих экспериментов построил так называемые функции соответствия цветов (color-matchingfunctions) и универсальное цветовое пространство (universalcolorspace), в котором был представлен диапазон видимых цветов, характерный для среднестатистического человека.

37. Функции соответствия цветов — это значения каждой первичной составляющей света — красной, зелёной и синей, которые должны присутствовать, чтобы человек со средним зрением мог воспринимать все цвета видимого спектра. • Этим трём первичным составляющим были поставлены в соответствие координаты X, Y и Z. Основное свойство, присущее этой системе — положительная определённость — любой физически ощутимый цвет представляется в системе XYZ только положительными величинами. С другой стороны, не всем точкам в пространстве XYZ соответствуют реальные цвета в силу неортогональности функций соответствия цветов. Говоря об «эталонных» оттенках, часто говорят только о паре x, y, считая z = 1-x-y.   • Говоря о «яркости» цвета (например,  для перевода изображения в чёрно-белое), часто имеют в виду величину Y.

38. Пусть (X,Y,Z) - веса основных цветов МКО. Пронормируем цвета по значению яркостиx = X/(X+Y+Z),    y = Y/(X+Y+Z),    z = Z/(X+Y+Z), и учтем, что x+y+z=1 Если отобразить x и y для всех видимых цветов, получим цветовой график МКО. Длины волн выражены в нанометрах. Другое название

39. История цветовых моделей • Большинство моделей привязывало цветовую гамму к основным геометрическим фигурам. Круги, которые позднее стали сферами, были наиболее популярными. Также достаточно часто встречаются треугольники, которые потом превратились в конусы и пирамиды. • Однако со временем для отображения видимых цветов в теории стали все чаще использовать квадратные и кубические модели. Среди прочих моделей, на которые стоит обратить внимание, - сферы Мюнселя (MunsellSpheres) и диаграммы CIE, которые каждая по своему, являются теми стандартами, по которым сейчас измеряются цвета.

43. Основные типы светочувствительной матрицы CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП) • Светочувствительные матрицы (сенсоры) бывают двух основных типов ― CCD (ПЗС) и CMOS (КМОП).

44. CCD - ChardgeCoupledDevice • В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве систем ввода изображений используются ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой связью, по-английски - CCD - ChardgeCoupledDevice). Принцип работы ПЗС-матрицы следующий: на основе кремния создается матрица светочувствительных элементов (секция накопления). При изготовлении матрицы ПЗС на полупроводниковую кремниевую подложку, покрытую слоем диэлектрика из оксида кремния, наносится линейка (ряды) из отдельных, регулярно расположенных тончайших и поэтому прозрачных металлических электродов, очень маленького размера ~5x5 мкм. Поэтому в большинстве современных ПЗС над пикселом устанавливается микролинза

45. Металлические электроды вместе с оксидом кремния и полупроводниковой подложкой из кремния образуют элементарные светочувствительные ячейки (фотодатчики). Каждый светочувствительный элемент обладает свойством накапливать заряды пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом, за некоторое время (время экспозиции) на секции накопления возникает двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения Фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата. Микролинза субпикселя. Красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера. Прозрачный электрод. Изолятор кварцевый (оксид кремния). Кремниевый канал n-типа. Зона потенциальной ямы (карман n-типа). Кремниевая подложка p-типа.

46. На рис. показана упрощенная структура сразу целого фрагмента столбца матрицы. Пластина из так называемого p-кремния (то есть кремния определенного характера проводимости) покрывается тонким прозрачным слоем изолирующего окисла (двуокиси кремния, SiO2). На месте будущих фотоячеек наносятся прозрачные электроды (они же светофильтры). Свет проникает внутрь кремния на небольшую глубину и генерирует пару зарядов: положительный и отрицательный. Под электродом, на который в данный момент подано напряжение (на рис. 3 — второй слева), заряды разделяются, и образуется некий «карман», количество зарядов в котором пропорционально освещенности участка. После некоей выдержки напряжение с данного электрода снимается и тут же подается на следующий справа, потом на следующий — при этом накопленный заряд сдвигается вслед за волной подаваемого напряжения. Накопленные заряды сдвигаются строка за строкой вниз, пока не попадают в специальную область хранения (серые квадратики). Пока на матрице происходит накопление зарядов для очередной строки, из этой области хранения заряды предыдущей строки последовательно «выталкиваются» наружу и попадают в выходной усилитель.

47. CCD-матрицы много потребляют (до 2–5 Вт, что примерно в 100 раз больше, чем CMOS), требуют нескольких разнополярных напряжений питания, дороже в производстве, имеют меньшее быстродействие и капризнее в эксплуатации. • Зато у них намного меньше уровень шумов и с последними легче бороться. Упоминавшийся коэффициент заполнения у CCD-матриц вполне может быть доведен до величины, близкой к 100%. • Несмотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС-матрицы, используемые в них, практически одни и те же, поскольку их массовое и крупносерийное производство осуществляется всего несколькими фирмами. Это Sony, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak

48. CMOS (КМОП; комплементарный металлооксидный полупроводник;  CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor) • В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП (CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили сколько-нибудь заметного развития. • В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология производства были значительно улучшены. Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (JetPropulsionLaboratory — JPL) NASA успешно реализовали ActivePixelSensors (APS). Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ. • В результате к 2008 году КМОП стали альтернативой ПЗС.

49. Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в статическом состоянии. • Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части, что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем. • С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowingreadout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную съёмку с меньшим размером кадра и разрешением. • Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

50. Сигнал снимается индивидуально с каждой ячейки. Это полезное свойство — можно снимать картинку только в некоем окне (реализуя тем самым «цифровой зум» без дополнительных усилий), и быстродействие много выше (его можно довести до 500 кадров в секунду). • Это позволяет успешно использовать CMOS-матрицы в системах машинного зрения и для анализа быстродвижущихся объектов. Наконец, у таких матриц, как и у любых CMOS-элементов вообще, — очень низкое энергопотребление и требуется только один низковольтный источник питания.