Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений (3-е изд., 2012) (1246138), страница 18
Текст из файла (страница 18)
2.10.ИнфракрасноеизлучениеКрасный0,7 × 10–6Оранжевый0,6 × 10–6ЖелтыйЗеленыйГолубой0,5 × 10–6СинийФиолетовыйУльтрафиолетовоеизлучение0,4 × 10–6Спектр электромагнитных колебаний. Видимый спектр показанв растянутом виде, но следует подчеркнуть, что он занимает весьмаузкий участок всего электромагнитного спектраc(2.2-1)λ= ,νгде c — скорость света (2,998 ⋅ 108 м/с). Энергия составляющей электромагнитного спектра определяется выражениемE = h ν,(2.2-2)где h — постоянная Планка. Длина волны измеряется в метрах, но столь же часто в качестве единиц измерения употребляются микрон (1 мкм = 10 –6 м) и нанометр (1 нм = 10 –9 м)1.
Частота измеряется в герцах (Гц); 1 Гц соответствуетколебанию с частотой один период в секунду. Общеупотребительной единицейизмерения энергии фотонов является электрон-вольт (эВ).Электромагнитные волны можно трактовать как распространяющиеся синусоидальные колебания с длиной волны λ (рис. 2.11), а можно — как поток частиц с нулевой массой, движущихся со скоростью света. Каждая такая частицане имеет массы, но обладает определенной энергией и называется квантом излучения (фотоном).
Из соотношения (2.2-2) видно, что энергия пропорциональна частоте, поэтому электромагнитные колебания более высокой частоты (т. е.с более короткой длиной волны) обладают большей энергией фотона. Такимобразом, радиоволны характеризуются малой энергией фотона, у микроволнэнергия больше, у инфракрасного излучения еще больше, далее энергия фотона1Весьма распространенной единицей измерения длины световой волны являетсятакже ангстрем (1 Å = 10 –10 м). — Прим. перев.76Глава 2.
Основы цифрового представления изображенийλРис. 2.11.Графическое представление длины волны колебанийпоследовательно возрастает для диапазонов видимого спектра, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей и, наконец, гамма-лучей, обладающихсамой большой энергией. Именно по этой причине гамма-излучение так опаснодля живых организмов.Свет является особым видом электромагнитного излучения, которое воспринимается человеческим глазом. Видимый (цветовой) спектр приведенна рис.
2.10 в растянутом виде только для сведения; более подробно цвет рассматривается в главе 6. Этот видимый диапазон электромагнитного спектра охватывает длины волн приблизительно от 0,43 мкм (фиолетовый цвет) до 0,79 мкм(красный цвет).
Для удобства цветовой спектр делят на семь широких полос(цветов): фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный; но это разграничение не резкое, а скорее, один цвет плавно переходитв другой, как показано на рис. 2.10, подобно любой другой составляющей электромагнитного спектра.Различаемые зрением человека цвета предметов определяются характеромсвета, отраженного от этих предметов. Тело, которое отражает свет приблизительно одинаково во всем видимом диапазоне волн, представляется наблюдателю белым, тогда как тело, отражающее свет в каком-то ограниченном диапазонедлин волн, воспринимается с некоторым цветовым оттенком.
Например, зеленый предмет в основном отражает свет с длинами волн 500—570 нм, поглощаябольшинство энергии в других интервалах длин волн.Свет, лишенный цветовой окраски, называется монохроматическим илиахроматическим. Единственным параметром такого освещения является егоинтенсивность, или яркость. Для описания монохроматической яркости такжеиспользуется термин уровень серого, поскольку яркость изменяется от черногодо белого, с промежуточными серыми оттенками. В дальнейшем термины «яркость» и «уровень серого» будут использоваться в одинаковом значении. Диапазон измеренных значений монохроматической яркости от черного до белогопринято называть шкалой полутонов, и монохроматические изображения частоназывают полутоновыми изображениями.Хроматический (цветной) свет охватывает, как уже отмечалось, спектр электромагнитного излучения в диапазоне длин волн приблизительно от 0,43 мкмдо 0,79 мкм.
Помимо частоты, хроматические источники света характеризуются тремя основными величинами: энергетическим потоком, световым потокоми (субъективной) яркостью. Энергетический поток — это общее количествоэнергии, излучаемой источником света, обычно измеряемое в ваттах (Вт). Световой поток, измеряемый в люменах (лм), характеризует количество энергии,которое наблюдатель воспринимает от светового источника. Например, световой источник, работающий в дальнем инфракрасном диапазоне, может давать2.2. Свет и электромагнитный спектр77значительный энергетический поток, но наблюдатель его практически не ощущает, так что световой поток такого источника почти нулевой. Наконец, как ужеобсуждалось в разделе 2.1, яркость описывает субъективное восприятие светаи практически не поддается измерению.
Она олицетворяет понятие интенсивности в ахроматическом случае и является одним из ключевых факторов приописании цветового ощущения.Продолжая обсуждение рис. 2.10, заметим, что коротковолновая сторонаспектра электромагнитного излучения представлена гамма- и рентгеновскимилучами. Мы уже обсуждали в разделе 1.3.1 важность использования изображений в гамма-лучах для медицины, астрономии и ядерной энергетики.
Жесткое(с более высокой энергией) рентгеновское излучение используется для получения изображений в промышленности. Для получения рентгеновских изображений грудной клетки и в стоматологии используется мягкое рентгеновскоеизлучение (с меньшей энергией). Мягкие рентгеновские лучи плавно переходятв дальний ультрафиолетовый диапазон, длинноволновый участок которого,в свою очередь, — в видимый спектр. Двигаясь дальше в сторону увеличениядлин волн, мы встретим инфракрасный диапазон, в котором излучается тепло, что делает его полезным для получения изображений на основе тепловойкартины объекта. Участок инфракрасного диапазона, соседствующий с видимым спектром, называется ближним инфракрасным диапазоном, а противоположный участок — дальним инфракрасным диапазоном.
Последний плавнопереходит в микроволновый диапазон, хорошо известный благодаря кухонныммикроволновым печам, но также используемый во многих других целях, в томчисле для связи и радиолокации. Наконец, в диапазоне радиоволн осуществляется теле- и радиовещание, а в области высоких энергий этого диапазона проводятся астрономические наблюдения радиосигналов, испускаемых некоторымизвездными телами. Примеры изображений для большинства перечисленныхдиапазонов излучения были приведены в разделе 1.3.В принципе, если сконструировать чувствительный элемент, способныйобнаруживать излучаемую энергию в некотором диапазоне электромагнитногоспектра, то можно получить изображение интересующих объектов в этом диапазоне.
Однако важно заметить, что длина электромагнитных волн, используемых для «наблюдения» некоторого объекта, должна быть меньше его размера.Например, размер молекулы воды равен порядка 10 –10 м, поэтому для исследования этих молекул необходимо применять источник излучения в диапазонахультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. Подобные ограничения, наряду с физическими свойствами материала, из которого изготовленчувствительный элемент, определяют физические пределы возможностей сенсоров, применяемых для регистрации изображений, в частности оптических,инфракрасных или других.Хотя подавляющее большинство получаемых цифровых изображений основано на энергии излучения электромагнитных волн, это не единственный способгенерации изображений.
Например, как говорилось в разделе 1.3.7, отраженныеот объектов звуковые волны могут использоваться для построения ультразвуковых изображений. Другие важные источники цифровых изображений — электронные пучки, применяемые в электронной микроскопии, и компьютерныйсинтез, используемый для визуализации и в компьютерной графике.78Глава 2. Основы цифрового представления изображений2.3. Ñ÷èòûâàíèå è ðåãèñòðàöèÿ èçîáðàæåíèÿБольшинство интересующих нас изображений есть двумерное отображениенаблюдаемой сцены (как правило, двух- или трехмерной), возникающее какрезультат регистрации лучистой энергии, исходящей из наблюдаемой сцены,с помощью некоторого устройства — сенсора (или совокупности сенсоров одновременно).
Мы предполагаем, что регистрируемый сенсором сигнал возникаетв результате взаимодействия источника «освещения» с элементами изображаемой «сцены» в условиях эффектов отражения и поглощения энергии этого источника. Мы берем слова освещение и сцена в кавычки, чтобы подчеркнуть тотфакт, что они носят значительно более общий характер, чем в привычной ситуации, когда источник видимого света освещает обычную трехмерную бытовуюсцену. Например, освещение не только может порождаться источником другоабвЭнергия излученияФильтрПриложеннаяэлектроэнергияКорпусРис.
2.12.Чувствительный материалСигнал выходного напряжения(а) Одиночный чувствительный элемент. (б) Линейка чувствительных элементов. (в) Матрица чувствительных элементов2.3. Считывание и регистрация изображения79го диапазона электромагнитного излучения, например радиолокационным,инфракрасным или рентгеновским, но и происходить из менее традиционныхисточников, например ультразвукового или даже виртуального, синтезированного компьютерной программой.
В роли элементов сцены могут выступать знакомые предметы, но вполне могут быть и молекулы, структуры подземных пластов или мозг человека. В зависимости от природы источника и особенностейсцены, энергия освещения отражается от объектов сцены или проходит сквозьних. Примером первого вида может быть свет, отраженный от поверхностипредметов. Второй вид взаимодействия имеет место, например, при пропускании рентгеновских лучей через тело пациента для получения диагностическогорентгеновского снимка на пленке. В некоторых прикладных задачах отраженная или проходящая энергия направляется на фотопреобразователь (напримерэкран, покрытый флюоресцирующим материалом), который преобразует этуэнергию в видимый свет.
Такой подход обычен для электронной микроскопиии регистрации изображений в гамма-лучах.На рис. 2.12 изображены три основные схемы размещения чувствительных элементов (сенсоров), которые используются для преобразования энергии«освещения» в цифровое изображение. Сама идея преобразования очень проста: падающая энергия преобразуется в напряжение благодаря сочетанию материала, обладающего чувствительностью к интересующему виду излучения,и приложенной к нему электрической энергии. В ответ на энергию внешнегоизлучения такой чувствительный элемент выдает сигнал выходного напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму. В этом разделе мы рассмотрим основные способы получения и регистрации изображений, а вопросыдискретизации и квантования изображений обсуждаются в разделе 2.4.2.3.1.
Регистрация изображения с помощью одиночногосенсораНа рис. 2.12(а) показаны компоненты одиночного сенсора (чувствительного элемента). Вероятно, наиболее известным сенсором такого типа является фотодиод, изготовленный из полупроводникового материала (кремния), напряжениевыходного сигнала которого пропорционально освещенности. Установка фильтра перед чувствительным элементом обеспечивает избирательность сенсора.Например, если установить перед сенсором зеленый пропускающий фильтр, товыходной сигнал будет выше для зеленого участка видимого спектра, чем длявсех остальных.Для получения двумерного изображения с помощью одиночного сенсора необходимо обеспечить его перемещение в двух взаимно перпендикулярных направлениях (по осям x и y) относительно регистрируемой области.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
