Formování obrazu - Image formation - Wikipedia

Studium tvorba obrazu zahrnuje radiometrické a geometrické procesy, kterými se vytvářejí 2D obrazy 3D objektů. V případě digitální obrázky zahrnuje proces tvorby obrazu také analogově-digitální převod a vzorkování.

Zobrazování

Proces zobrazování je mapování objektu na rovinu obrazu. Každý bod na obrázku odpovídá bodu na objektu. Osvětlený objekt bude rozptylovat světlo směrem k objektivu a objektiv bude shromažďovat a zaostřovat světlo, aby vytvořil obraz. Poměr výšky obrazu k výšce objektu je zvětšení. Prostorový rozsah povrchu obrazu a ohnisková vzdálenost objektivu určují zorné pole objektivu.

Osvětlení

Objekt může být osvětlen světlem ze zdroje záření, jako je slunce, žárovka nebo dioda emitující světlo. Světlo dopadající na objekt se odráží způsobem závislým na povrchových vlastnostech objektu. U drsných povrchů je odražené světlo rozptýleno způsobem popsaným funkcí obousměrného rozložení odrazu (BRDF ) povrchu. BRDF povrchu je poměr vystupující síly na metr čtvereční na steradský (záře ) k dopadajícímu výkonu na metr čtvereční (ozáření ).[1] BRDF se obvykle mění s úhlem a může se měnit s vlnovou délkou, ale konkrétním důležitým případem je povrch, který má konstantní BRDF. Tento typ povrchu se označuje jako Lambertian a velikost BRDF je R / π, kde R je odrazivost povrchu. Část rozptýleného světla, která se šíří směrem k čočce, je shromažďována vstupní zornicí zobrazovací čočky přes zorné pole.

Illum room.jpg

Zorné pole a snímky

Zorné pole objektivu je omezeno velikostí obrazové roviny a ohniskovou vzdáleností objektivu. Vztah mezi místem na obrázku a místem na objektu je y = f * tan (θ), kde y je maximální rozsah obrazové roviny, f je ohnisková vzdálenost objektivu a θ je zorné pole . Pokud y je maximální radiální velikost obrazu, pak θ je zorné pole čočky. Zatímco obraz vytvořený objektivem je spojitý, lze jej modelovat jako sadu diskrétních bodů pole, z nichž každý představuje bod na objektu. Kvalita obrazu je omezena aberacemi v objektivu a difrakcí vytvářenou zarážkou konečné clony.

Žáci a zastávky

Zarážka clony objektivu je mechanická clona, ​​která omezuje sběr světla pro každý bod pole. Vstupní zornice je obraz zarážky clony vytvořený optickými prvky na straně objektivu objektivu. Světlo rozptýlené objektem je shromažďováno vstupní zornicí a zaostřeno na rovinu obrazu pomocí řady refrakčních prvků. Kužel zaostřeného světla v obrazové rovině je dán velikostí vstupní pupily a ohniskovou vzdáleností čočky. Toto se často označuje jako f-stop nebo f-číslo objektivu. f / # = f / D, kde D je průměr vstupní pupily.

Pixelace a barevné vs. černobílé

V typických digitálních zobrazovacích systémech je senzor umístěn v obrazové rovině. Světlo je zaostřeno na senzor a souvislý obraz je pixelován. Světlo dopadající na každý pixel ve snímači bude integrováno do pixelu a bude generován proporcionální elektronický signál.[2] Úhlové geometrické rozlišení pixelu je dáno vztahem atan (p / f), kde p je výška pixelu. Toto se také nazývá zorné pole pixelu. Senzor může být černobílý nebo barevný. V případě monochromatického snímače je světlo dopadající na každý pixel integrováno a výsledný obrázek je obrázek ve stupních šedi. U barevných obrázků je barevný filtr mozaiky obvykle umístěn přes pixely a vytváří tak barevný obrázek. Příkladem je filtr Bayer. Signál dopadající na každý pixel je poté digitalizován do bitového proudu.

Kvalita obrazu

Kvalita obrazu závisí na geometrických i fyzických položkách. Geometricky, vyšší hustota pixelů napříč obrazem poskytne méně blocky pixelace a tím lepší geometrickou kvalitu obrazu. Aberace objektivu také přispívají ke kvalitě obrazu. Fyzicky bude difrakce způsobená zastavením clony omezovat vyřešitelné prostorové frekvence jako funkci f-čísla.

Ve frekvenční doméně je funkce modulačního přenosu (MTF ) je měřítkem kvality zobrazovacího systému. MTF je měřítkem viditelnosti sinusové variace ozáření na rovině obrazu jako funkce frekvence sinusoidy. Zahrnuje účinky difrakce, aberací a pixelace. U objektivu je MTF autokorelace funkce zornice,[3] odpovídá tedy konečnému rozsahu zornice a aberacím čočky. Senzor MTF je Fourierova transformace geometrie pixelů. U čtvercového pixelu MTF (ξ) = sin (πξp) / πξp, kde p je šířka pixelu a ξ je prostorová frekvence. MTF kombinace objektivu a detektoru je produktem dvousložkových MTF.

Vnímání

Barevné obrázky lze vnímat dvěma způsoby. V případě počítačového vidění světlo dopadající na senzor zahrnuje obraz. V případě vizuálního vnímání má lidské oko barevně závislou reakci na světlo, takže to musí být zohledněno. To je důležité při převodu na stupně šedi.

Tvorba obrazu v oku

Hlavní rozdíl mezi čočkou oka a běžnou optickou čočkou je v tom, že první je flexibilní. Poloměr zakřivení přední plochy čočky je větší než poloměr její zadní plochy. Tvar čočky je řízen napětím ve vláknech řasnaté tělo. Chcete-li zaostřit na vzdálené objekty, ovládací svaly způsobí, že čočka bude relativně zploštělá. Podobně tyto svaly umožňují zesílení čočky, aby bylo možné zaostřit na objekty v blízkosti oka.

Vzdálenost mezi středem čočky a sítnice (ohnisková vzdálenost ) se pohybuje od přibližně 17 mm do přibližně 14 mm, protože refrakční schopnost čočky se zvyšuje z minima na maximum. Když oko zaostří na předmět dále než asi 3 m, vykazuje čočka nejnižší refrakční schopnost. Když oko zaostří na blízký objekt, je objektiv nejsilněji lomivý.

Reference

  1. ^ Ross., McCluney (1994). Úvod do radiometrie a fotometrie. Boston: Artech House. ISBN  0890066787. OCLC  30031974.
  2. ^ E., Umbaugh, Scott (2017). Digitální zpracování a analýza obrazu s MATLAB a CVIPtools, třetí vydání (3. vyd.). ISBN  9781498766029. OCLC  1016899766.
  3. ^ W., Goodman, Joseph (1996). Úvod do Fourierovy optiky (2. vyd.). New York: McGraw-Hill. ISBN  0070242542. OCLC  35242460.