Формирование имиджа

Изучение формирования изображений охватывает радиометрические и геометрические процессы, с помощью которых формируются 2D-изображения 3D-объектов. В случае цифровых изображений процесс формирования изображения также включает аналого-цифровое преобразование и дискретизацию .

Визуализация

Процесс визуализации представляет собой отображение объекта на плоскости изображения. Каждая точка изображения соответствует точке объекта. Освещенный объект рассеивает свет по направлению к линзе, а линза собирает и фокусирует свет, создавая изображение. Отношение высоты изображения к высоте предмета и есть увеличение. Пространственная протяженность поверхности изображения и фокусное расстояние линзы определяют поле зрения линзы. Формирование изображения зеркала имеет центр кривизны, а фокусное расстояние зеркала составляет половину центра кривизны.

Освещение

Объект может быть освещен светом источника излучения, такого как солнце, лампочка или светоизлучающий диод. Свет, падающий на объект, отражается способом, зависящим от свойств поверхности объекта. На шероховатых поверхностях отраженный свет рассеивается способом, описываемым функцией распределения двунаправленного отражения ( BRDF ) поверхности. BRDF поверхности — это отношение выходной мощности на квадратный метр на стерадиан ( излучение ) к падающей мощности на квадратный метр ( освещенность ). ^[1] BRDF обычно меняется в зависимости от угла и может меняться в зависимости от длины волны, но особым важным случаем является поверхность с постоянным BRDF. Этот тип поверхности называется ламбертовским , а величина BRDF равна R/π, где R — отражательная способность поверхности. Часть рассеянного света, распространяющаяся к линзе, собирается входным зрачком формирующей линзы в поле зрения.

Поле зрения и изображения

Поле зрения объектива ограничено размером плоскости изображения и фокусным расстоянием объектива. Связь между местоположением на изображении и местоположением на объекте равна y = f*tan(θ), где y — максимальная протяженность плоскости изображения, f — фокусное расстояние объектива, а θ — поле зрения. . Если y — максимальный радиальный размер изображения, то θ — поле зрения объектива. Хотя изображение, создаваемое линзой, является непрерывным, его можно смоделировать как набор дискретных точек поля, каждая из которых представляет точку на объекте. Качество изображения ограничено аберрациями объектива и дифракцией, создаваемой конечной диафрагмой.

Ученики и остановки

Диафрагменная диафрагма объектива представляет собой механическую диафрагму, ограничивающую сбор света для каждой точки поля зрения. Входной зрачок – это изображение диафрагменной диафрагмы, создаваемое оптическими элементами на предметной стороне объектива. Свет, рассеянный объектом, собирается входным зрачком и фокусируется на плоскости изображения с помощью ряда преломляющих элементов. Конус сфокусированного света на плоскости изображения определяется размером входного зрачка и фокусным расстоянием линзы. Это часто называют диафрагменным числом или диафрагменным числом объектива. f/# = f/D, где D – диаметр входного зрачка.

Пикселизация и цвет по сравнению с монохромным

В типичных системах цифровой обработки изображений датчик размещается в плоскости изображения. Свет фокусируется на датчике, и непрерывное изображение пикселизируется. Свет, падающий на каждый пиксель датчика, интегрируется внутри пикселя и генерируется пропорциональный электронный сигнал. ^[2] Угловое геометрическое разрешение пикселя определяется выражением atan(p/f), где p — шаг пикселя. Это также называется полем зрения пикселя. Датчик может быть монохромным или цветным. В случае монохромного датчика свет, падающий на каждый пиксель, интегрируется, и результирующее изображение представляет собой изображение в оттенках серого. Для цветных изображений мозаичный цветовой фильтр обычно помещается поверх пикселей для создания цветного изображения. Примером является фильтр Байера . Сигнал, падающий на каждый пиксель, затем оцифровывается в битовый поток.

Качество изображения

Качество изображения зависит как от геометрических, так и от физических элементов. Геометрически более высокая плотность пикселей по изображению даст менее блочную пикселизацию и, следовательно, лучшее геометрическое качество изображения. Аберрации объектива также влияют на качество изображения. Физически дифракция из-за диафрагмы будет ограничивать разрешаемые пространственные частоты в зависимости от числа f.

В частотной области функция передачи модуляции ( MTF ) является мерой качества системы формирования изображения. MTF — это мера видимости синусоидального изменения освещенности в плоскости изображения в зависимости от частоты синусоиды. Он включает в себя эффекты дифракции, аберраций и пикселизации. Для линзы MTF — это автокорреляция функции зрачка, ^[3] таким образом, это объясняет конечную протяженность зрачка и аберрации линзы. MTF датчика — это преобразование Фурье геометрии пикселя. Для квадратного пикселя MTF(ξ) = sin(πξp)/πξp, где p — ширина пикселя, а ξ — пространственная частота. MTF комбинации линзы и детектора является произведением двух компонентных MTF.

Восприятие

Цветные изображения можно воспринимать двумя способами. В случае компьютерного зрения свет, падающий на датчик, составляет изображение. В случае зрительного восприятия человеческий глаз реагирует на свет в зависимости от цвета, поэтому это необходимо учитывать. Это важно учитывать при преобразовании в оттенки серого .

Формирование изображения в глазу

Принципиальное отличие хрусталика глаза от обычной оптической линзы состоит в том, что первая является гибкой. Радиус кривизны передней поверхности хрусталика больше радиуса его задней поверхности. Форма хрусталика контролируется напряжением волокон цилиарного тела . Чтобы сфокусироваться на удаленных объектах, контролирующие мышцы заставляют хрусталик относительно сплющиваться. Точно так же эти мышцы позволяют хрусталику становиться толще, чтобы фокусироваться на объектах рядом с глазом.

Расстояние между центром хрусталика и сетчаткой ( фокусное расстояние ) варьируется примерно от 17 мм до примерно 14 мм, поскольку преломляющая сила хрусталика увеличивается от минимума до максимума. Когда глаз фокусируется на объекте, находящемся на расстоянии более 3 м, хрусталик демонстрирует наименьшую преломляющую силу. Когда глаз фокусируется на близком объекте, хрусталик имеет наиболее сильную преломляющую способность.

Ссылки

^ Росс., МакКлюни (1994). Введение в радиометрию и фотометрию . Бостон: Артех Хаус. ISBN 0890066787 . ОСЛК 30031974 .
^ Э., Умбо, Скотт (2017). Цифровая обработка изображений и анализ с помощью MATLAB и CVIPtools, третье издание (3-е изд.). ISBN 9781498766029 . OCLC 1016899766 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ В., Гудман, Джозеф (1996). Введение в оптику Фурье (2-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0070242542 . OCLC 35242460 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[1] Росс., МакКлюни (1994). Введение в радиометрию и фотометрию . Бостон: Артех Хаус. ISBN 0890066787 . ОСЛК 30031974 .

[2] Э., Умбо, Скотт (2017). Цифровая обработка изображений и анализ с помощью MATLAB и CVIPtools, третье издание (3-е изд.). ISBN 9781498766029 . OCLC 1016899766 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[3] В., Гудман, Джозеф (1996). Введение в оптику Фурье (2-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. ISBN 0070242542 . OCLC 35242460 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[1]

[2]

[3]