Тоискин В.С., Красильников В.В., Петренко В.И. Основы радиосвязи и телевидения: Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Эта зависимость поясняется следующей формулой:

= К

(2.17)

где Ф

- световой поток для данной длины волны; К

- коэффициент про-

порциональности (световой эквивалент мощности); Ф

- мощность излуче-

ния. К

показывает взаимосвязь между мощностью излучения и создаваемой

ею световым потоком.

В общем случае К

зависит от длины волны и может быть записан в

виде:

= К

) = 683V(

(2.18)

где К

=const и равен максимальному значению К

=683; V (

) - спектраль-

ная чувствительность.

Зависимость V(

) представлена на рис. 2.6.

700600500400

Фиол КрасныйЖелтыйСиний

V(λ)

λ,нм

Рис. 2.6. График относительной спектральной чувствительности

Важной особенностью зрения является свойство спектральной адди-

тивности. Ее сущность заключается в том, что если имеется два или более

лучистых потока, например, Ф

е1

и Ф

е2

с длинами волн

, то суммарное

воздействие их на сетчатку глаза определяется выражением:

= 683[V(

)Ф

е1

+ V(

)Ф

е2

(2.19)

Разрешающая способность зрения

Разрешающая способность определяется минимальным углом наблю-

дения

min

, при котором две черные тонкие линии на белом фоне различают-

ся с заданной вероятностью. Толщина линии d равна промежутку между ни-

ми (рис. 2.7). Наблюдатель находится в точке О.

При рассмотрении вопроса о влиянии дискретности структуры сетчат-

ки на разрешающую способность глаза в первом приближении можно счи-

тать, что для различения

двух деталей изображения необходимо, чтобы рас-

стояние между ними в плоскости изображения было не менее диаметра ре-

цептора (между двумя возбужденными должен быть, по крайней мере, один

невозбужденный рецептор). В желтом пятне сетчатки глаза расстояние меж-

ду центрами смежных колбочек составляет около 2 мкм, следовательно, рас-

стояние между возбужденными рецепторами r

должно составлять не менее

4 мкм. Если учесть геометрию глазного яблока, то можно показать, что это

расстояние на сетчатке соответствует углу разрешения ϕ

min

≈ 0,06'.

Рис. 2.7. К определению разрешающей способности

Следует заметить, что в случае, когда расстояние между двумя точка-

ми на сетчатке меньше диаметра рецептора, эти точки все же могут быть

различимы, так как интенсивность возбуждения этого рецептора меньше,

чем смежных. Эксперименты подтверждают, что минимальный темный про-

межуток, регистрируемый глазом, может соответствовать углу, значительно

меньшему, чем 0,06'.

Рассматривая вопрос о влиянии

структуры сетчатки на разрешающую

способность, следует иметь в виду, что размер светочувствительного эле-

мента сетчатки лишь в предельном случае определяется размером рецептора.

В процессе преобразования светового раздражения в нервное возбуждение

при малых освещенностях объекта полезный сигнал становится соизмери-

мым с помехами (темновые шумы сетчатки, которые вызываются спонтан-

ным разложением зрительного

пурпура, флуктуации поглощенного светово-

го потока и др.). В этом случае вступает в действие механизм пространст-

венного суммирования возбуждений—от нескольких рецепторов, что при-

водит к увеличению полезного сигнала. Размер эквивалентного светочувст-

вительного элемента, интегрирующего по площади изображения световое

воздействие, возрастает, образуется так называемое рецептивное поле. В

этом случае разрешающая способность

, естественно, определяется размера-

ми рецептивных полей. По мере дальнейшего уменьшения освещенности

размеры рецептивных полей увеличиваются, что приводит к падению разре-

шающей способности.

В реальных условиях наблюдения изображения разрешающая способ-

ность глаза в значительной мере определяется влиянием хроматической

аберрации в хрусталике, механизм влияния которой не отличается от меха-

низма влияния хроматической

аберрации на разрешающую способность оп-

тических приборов.

Измерения показали, что для нормального зрения усредненное значе-

ние ϕ может быть принято равным одной угловой минуте (

min

К числу принципиальных физических факторов, влияющих на разре-

шающую способность глаза, прежде всего следует отнести: дифракцию све-

та, дискретность структуры сетчатки и аберрации в оптической системе гла-

за.

Острота зрения S

зр

оценивается величиной, обратной разрешающей

способности:

зр

-1

min

(2.20)

Разрешающая способность зрительного аппарата зависит от яркости и

цвета фона, контрастности деталей на фоне, времени наблюдения, четкости

изображения. При этом весьма существенными являются исследования, про-

веденные в 1933 г. Я.А. Рыфтиным. Для этого были изготовлены несколько

серий изображений с различной степенью дискретизации (разным числом

элементов). Испытуемым предлагалось выбрать одинаковые по

восприятию

качества изображения. Обработка результатов показала, что кажущееся при-

ращение четкости

G пропорционально относительному приращению числа

элементов

n/n, из которых формируется изображение:

ΔG =

Δn/n,

(2.21)

где

- коэффициент пропорциональности.

Преобразуя (2.21) в дифференциальную форму, получим:

ΔG =

dn/n.

(2.22)

Интегрируя (2.22), получим зависимость кажущейся четкости G от

числа элементов изображения:

G =

ρ∫

dn/n =

ln(n) + C.

(2.23)

При n=1 кажущаяся четкость равна нулю (G=0), тогда, как следует из

(2.23), С=0.

С другой стороны, при n = n

max

кажущаяся четкость равна единице

(G=1), тогда из (2.23) следует, что

= 1/ln(n

mqx

Подставляя значения С и

в (2.23), окончательно получим:

G = ln(n)/ln(n

mqx

). (2.24)

Вид функции (2.24) представлен на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Зависимость кажущейся четкости от числа элементов

Из рисунка видно, что снижение элементов n в два раза от n

mаx

до n

max

приводит к снижению кажущейся четкости с 1 до 0,949, то есть на 1,5%.

Этот эффект широко используется при проектировании телевизионных сис-

тем.

Характеристики разрешающей способности глаза являются основными

для расчетов разрешающей способности ТВС. Зная расстояние до телевизи-

онного экрана, размеры изображения и его яркость, пользуясь приведенны-

ми данными о разрешающей способности глаза, нетрудно определить необ-

ходимую степень дискретизации изображения (число элементов в поле изо

бражения). Однако использование приведенных данных для расчета систем

воспроизведения изображения не всегда оправдано, так как они относятся к

пороговым (предельным) характеристикам зрения.

Инерционность зрительного ощущения

Пороговое ощущение при воздействии светового раздражения опреде-

ляется, в конечном счете, общим числом квантов света, поглощенных пло-

щадью рецептивного поля. При фиксированной интенсивности раздражения

это

число зависит от площади рецептивного поля и времени воздействия

света. Следовательно, между моментом воздействия света на сетчатку и мо-

ментом возникновения соответствующего зрительного ощущения проходит

некоторое время, называемое временем ощущения.

Для возникновения зрительного ощущения при условии фиксированной

площади рецептивного поля необходимо, чтобы произведение светового по-

тока ΔФ, вызывающего раздражение, на

время воздействия τ (экспозиция)

достигло определенного порога

const

Ф .

Если ΔФ в течение времени воздействия не постоянен, то справедливо

соотношение

const)(

=Δ

∫

dttФ

Инерционность проявляется в том, что после начала воздействия света

на зрительный анализатор зрительное ощущение возрастает постепенно

(0,1...0,25 с). После прекращения светового возбуждения ощущение яркости

убывает постепенно.

Физически инерционность процессов возбуждения и торможения обу-

словлена конечным временем протекания фотохимических реакций, а также

конечным временем распространения нервного возбуждения и его регистра-

ции зрительными

центрами головного мозга.

Продолжительность ощущения яркости после прекращения светового

возбуждения называется временем зрительной инерции.

Спад ощущения подчиняется экспоненциальному закону:

виз

(t) = L

exp(-t/

зр

(2.25)

где L

виз

- визуально воспринимаемая яркость, L

- яркость в начале светового

возбуждения,

зр

- постоянная времени - время инерции, в течение которого

зрительное ощущение яркости после прекращения светового возбуждения

изменяется в е раз, е - основание натурального логарифма

(

зр среднее

=0,1...0,15 с).

Экспериментальная зависимость времени ощущения от яркости представле-

на на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Зависимость времени ощущения от яркости

Инерционность зрения оказывается важным свойством, используемым

в телевизионных системах. Если на зрительный аппарат воздействуют пе-

риодические кратковременные вспышки света, то возникающие ощущения

существенно зависят от частоты и скважности вспышек.

При низких частотах, когда время между вспышками больше времени

инерции, каждая вспышка видна отдельно (мигания). При увеличении час-

тоты мелькания пропадают

и кажутся незаметными (промежуток между

вспышками становится меньше времени инерции).

Минимальная частота, при которой с достаточной достоверностью

мелькания становятся незаметными, называется критической частотой

мельканий - F

кр

Сущность критической частоты поясняется рис. 2.10.

Критическая частота мельканий зависит от яркости источника света,

его цвета и углового размера поля зрения. Для яркостей, не превышающих

500...1000 кд/м

и скважности 0,5, справедлива формула:

кр

= 10lgL + 30. (2.26)

Примеры: L=100 кд/м

, тогда F

кр

=50 Гц; при L=30 кд/м

и скважности

световых импульсов, равной двум, критическая частота мельканий f

кр

=41

Гц.

Пример зависимости F

кр

от длины волны и яркости приведен на

рис. 2.11.Рассмотренный параметр определяет выбор частоты смены изо-

бражений (частоты кадров) в кино и телевидении. Интересно отметить, что

критическая частота мельканий у некоторых животных и насекомых отлича-

ется от критической частоты мельканий у человека.

Например, пчела или муха отличают источник непрерывного излуче-

ния от источника, мелькающего с частотой до 200 Гц, что не под силу чело-

веку.

пор

виз

пор

виз

Импульсы светового возбуждения, f<f

кр

Восприятие яркости

Импульсы светового возбуждения, f>f

кр

Восприятие яркости

Рис. 2.10. Пояснение смысла критической частоты мельканий

Рис. 2.11. Зависимость критической частоты от яркости

Восприятие цвета

Современное представление о цвете и его восприятии основывается на

трехкомпонентной теории зрения, предложенной М.И. Ломоносовым и раз-

витой Г. Гельмгольцем.

Эта теория основывается на экспериментально установленном факте:

подавляющее большинство цветов может быть получено путем сложения

трех определенным образом выбранных основных цветов, например, красно-

го, желтого и голубого. Необходимое

условие выбора основных цветов за-

ключается в их взаимонезависимости. Это означает, что ни один из основ-

ных цветов не может быть получен путем смешения каких-либо других цве-

тов.

Человеческий глаз не способен реагировать по-разному на все сочета-

ния световых лучей, которые попадают на его поверхность, поскольку в сет-

чатке глаза есть только три вида колбочек-клеток, воспринимающих цвет.

Например, при относительно слабом освещении человек видит желтый цвет,

если в глаз попадает небольшая часть лучей из желтой области спектра. Но

точно так же глаз реагирует и на определенные смеси красных и зеленых лу-

чей. Белый солнечный свет состоит из всех лучей спектра, однако хороший

белый свет можно получить также при смешении лучей только двух длин

волн — из красной и

сине-зеленой частей спектра.

Каждый воспринятый глазом цвет может соответствовать огромному

количеству сочетаний длин волн, более того, ограниченное число цветных

световых лучей с данной длиной волны может дать при смешении в различ-

ных пропорциях почти любой цвет.

Если спроецировать на белый экран в правильном соотношении лучи

густого красного, синего и

зеленого цвета, то в месте их совмещения полу-

чится белый цвет. Изменяя их относительную яркость, можно получить поч-

ти любой цвет. Например, коричневый получается от смешения тусклого зе-

леного луча с чуть более ярким красным и с малой примесью или даже без

примеси синего. Если увеличить яркость всех трех лучей, то

коричневый по-

светлеет и превратится в желто-красный.

При таком аддитивном смешении насыщенные красный, синий и зеле-

ный цвета называют «основными». При смешении двух основных цветов по-

лучают «дополнительный». Например, если к красному добавлять в расту-

щей пропорции зеленый, получаются очень насыщенные желто-красные,

желтые, желто-зеленые и зеленые тона.

Если к зеленому добавлять в расту-

щей пропорции синий, это приведет к появлению глубоких сине-зеленых то-

нов. Смешение синего с разными количествами красного даст насыщенные

оттенки пурпурного.

При добавлении к такому дополнительному цвету третьего основного

получившаяся смесь начинает приближаться к белому (то есть к стволу цве-

тового дерева Манселла). Эти

ненасыщенные цвета называют «третичны-

ми».

Рис. 2.12. Аддитивный метод образования цветов:

а) схема оптического сложения основных световых потоков: 1 - белый экран; 2, 3, 4 - со-

ответственно красный, зеленый, синий светофильтры; 5 - источники белого света; б) цве-

та смеси.

Сложение основных лучей спектра в том месте, где они пересекаются,

дает новые цвета (рисунок 2.12). Цвета, образованные смешением двух из

трех основных цветов — красного, зеленого и синего, называются дополни-

тельными и включают пурпурный, голубой и желтый, которые можно видеть

на рисунке. При смешении всех трех основных лучей в одинаковой пропор-

ции появляется

белый свет.

Аддитивное смешение цветов было использовано в фотографии еще в

60-х годах XIX века физиком Джеймсом Кларком Максвеллом. Он зафикси-

ровал яркость красных, зеленых и синих лучей объекта на отдельных черно-

белых негативах, каждый из которых воспринимал лучи только одного цве-

та. Затем он перевел их в диапозитивы и спроецировал

каждый на экран при

помощи лучей соответствующего цвета, позаботившись, чтобы изображения

точно совпадали. Глаз наблюдателя реагировал на смешение световых лучей,

отраженных от экрана примерно так же, как на объект съемки.

Такое аддитивное воспроизведение цвета сегодня не используется, по-

скольку получать отдельные изображения и точно совмещать их при про-

ецировании неудобно.

Но дробное воспроизведение цвета, которое частично

основано на разновидности аддитивного смешения, обеспечило первый

коммерческий успех цветной фотографии и применяется в настоящее время

в цветном телевидении. Если наблюдатель рассматривает удаленное изобра-

жение, составленное из разноцветных точек, он не различает эти точки, и

цвета сливаются. Восприятие цвета небольшой части такой картинки зависит

от

относительного количества, размеров и яркости точек каждого цвета в

данной части. Так, смешение красных и зеленых точек одинакового размера

и количества вызовет появление желтого цвета. Способ «Автохром», кото-

рый братья Люмьер продали еще в 1907 году, основан на принципе дробного

воспроизведения. Их снимки состояли из черно-белых фотодиапозитивов,

покрытых прозрачным слоем

зерен крахмала, окрашенных в красный, синий

и зеленый цвета при равном количестве зерен. Они создали мозаику из то-

чек, яркость которых зависела от плотности изображения. Изображение в

цветном телевидении также состоит из светящихся красных, синих и зеле-

ных точек или штрихов.

В цветной полиграфии применяются сетки из мелких точек, отцентро-

ванных

так, что некоторые из них пересекаются друг с другом, а некоторые

расположены рядом. Эти точки печатаются в черном и еще в трех цветах.

Однако цвета эти иные: желтый (отражающий красные и зеленые лучи),

пурпурный (отражающий красные и зеленые лучи) и голубой (отражающий

синие и зеленые лучи). Чтобы понять, почему выбор

пал на упомянутые цве-

та, необходимо разобраться в воспроизведении цвета на основе вычитания.

Все объекты обязаны своим цветом вычитанию других спектральных

лучей из падающего на них света. Таким образом, красная краска излучает

преимущественно красный свет, потому что поглощает большую часть си-

них и зеленых лучей светового потока, и ей остается отражать

красные лучи.

Если смешать эту краску с другой, то каждая будет по-прежнему вычитать

положенную долю лучей, и смесь отразит еще меньше света. Поэтому, когда

смешивают красную краску с зеленой, красный красящий пигмент поглоща-

ет много зеленых и синих лучей, а зеленый пигмент тоже вычитает синие

лучи и к тому же большую часть

красных. В результате цвет получается

темным, но это не серый цвет. Ведь цвет лучей, отражаемых несмешанными

красной и зеленой красками, далеко не чистый. Он состоит из цветовых по-

лос, которые частично пересекаются. Красная краска, возможно, отразит

значительное количество желтых лучей, а зеленая — наверняка отразит мно-

го и желтых, и синих

лучей. Итак, обе составляющие отразят какое-то коли-

чество желтых лучей и смесь приобретет темно-желтый цвет, то есть корич-

невый. Это называется смешением цветов путем вычитания. Если смешать

красную краску с желтой, очевидно, получится оранжевый цвет, поскольку

обе составляющие активно отражают лучи только с такой длиной волны.

Смешение желтой и

синей красок обычно дает неяркий зеленый цвет, и то

же происходит при совмещении желтого светофильтра с синим, хотя теоре-

тически эти два цвета вычитают из светового потока основные цвета.

Пурпурный

Желтый

Голубой

Синий

Красный

Зеленый

Черный

Рис. 2.13. Получение цветов на основе вычитания

При смешении путем вычитания цвета всегда затемняются, так как по-

добная смесь обязательно содержит меньше света, чем любой из ее компо-

нентов. Это явилось одной из причин, по которой импрессионисты писали

точками и мазками ярких спектральных цветов, а не смешивали краски.

Необходимо, чтобы пересекающиеся красители, которые образуют

цвета на бумаге, содержали

красный, синий и зеленый — основные цвета, —

но они не должны быть чересчур темными. Поэтому в полиграфии приме-

няются голубой, пурпурный и желтый красители. Голубой поглощает крас-

ные лучи и пропускает синие и зеленые; пурпурный поглощает зеленые и

пропускает красные и синие, а желтый поглощает синие и пропускает крас-

ные и

зеленые. В том месте, где пересекаются голубой и пурпурный, образу-

ется синий и так далее. Желтый, голубой и пурпурный — это главные до-

полнительные цвета, поскольку каждый из них содержит равные доли двух

100

основных лучей спектра и каждый в состоянии вычесть из светового потока

третий основной цвет.

В настоящее время в качестве основных цветов в системе цветного те-

левидения SECAM, принятой в России, выбраны красный (

= 700 нм), зе-

леный (

=546,1 нм) и синий (

=435,8 нм).

Для воспроизведения сложного цвета из трех основных практически

могут использоваться три способа: локальный, пространственный и биноку-

лярный. Сущность способов поясняется рис. 2.14

Рис. 2.14. Способы смешения цветов

Отметим, что трехкомпонентная теория цветового зрения справедлива

при наблюдении цветных объектов относительно больших размеров. Разре-

шающая способность глаза максимальна для черно-белых деталей и лучше

для желтых и зеленых цветов по сравнению с синими и красными. Кроме то-

го, детали объектов размером до 3 - 4 элементов воспринимаются зрением

как черно-белые (серые),

то есть в этих случаях глаз становится цветно-

слепым.

Цветовой контраст

При раздражении сетчатки световым потоком с неполным спектром

возникает ощущение цвета. При восприятии цветного изображения сущест-

венную роль играет цветовой контраст – различие в восприятии одного цвета

перед другим. Цветовой контраст зависит от условий наблюдения, измене-

ния которых могут вызвать усиление

или ослабление восприятия данного

цвета. Различают три вида цветового контраста: одновременный, биноку-

лярный и последовательный.

Одновременный цветовой контраст проявляется в том, что восприятие

данного цвета может изменяться (по яркости, цветовому тону и насыщенно-

сти) при изменении соседствующего с ним цвета (фона). Преимущественно

цвет изменяется в сторону наибольшего удаления (по шкале

цветов) от цвета

фона: например, желтое поле на красном фоне кажется зеленоватым, а на

синем – более насыщенным желтым. Цветовой контраст наиболее ярко про-

является на границе раздела двух цветных полей. Это явление называется

краевым контрастом.