Hệ thống thị giác

Một phần của tài liệu Xử lý âm thanh và hình ảnh (Trang 81 - 85)

f Fr Rg Gb B′ +′ (2.1.9)

2.1.6.4 Hệ thống thị giác

Tuy lý thuyết xử lý ảnh chủ yếu dựa trên nền tảng lý thuyết tốn và xác suất thống kê, nhưng việc lựa chọn các phương pháp xử lý khác nhau cũng như việc đánh giá chất lượng hình ảnh ởđầu ra của hệ thống chủ yếu dựa trên cảm nhận chủ quan của cơ quan thị giác. Vì vậy sau đây chúng ta sẽ làm quen với một số vấn đề cơ bản về cấu tạo và khả năng phân tích hình ảnh của hệ thống thị giác. võng mạc hoàng điểm thần kinh thị giác thấu kính thủy tinh dịch giác mạc điểm mù mống mắt trục nhìn mô mạc Hình 2.1.18 Cấu tạo của mắt người

Cấu tạo của mắt người (cắt dọc) được trình bày trên Hình 2.1.18. Trịng mắt cĩ dạng hình cầu, đường kính khoảng 24 mm. Phía trước mắt là giác mạc (cornea) – là màng trong suốt , cĩ cấu trúc tương đối cứng, cĩ đường kính khoảng 12 mm. Hai lớp tiếp theo của mắt là mơ mạc (choroid) và võng mạc (retina)̀. Mơ mạc bao gồm một mạng mạch máu nhỏđể nuơi dưỡng các cơ quan của mắt. Nối tiếp với mơ mạc là hệ thống cơ mắt và mống mắt. Mống mắt cĩ thể co giãn để điều tiết lượng ánh sáng đi vào mắt, độ mở mống mắt thay đổi với đường kính từ 2 đến 8 mm. Hệ thống cơ mắt cho phép thay đổi độ cong của hai bề mặt thấu kính, do

đĩ thay đổi tiêu cự thấu kính nhằm hội tụ hình ảnh lên võng mạc. Thấu kính chứa 60-70% nước, cĩ màu vàng nhạt, nĩ hấp thụ khoảng 8% ánh sáng nhìn được (độ hấp thụ tỷ lệ nghịch với bước sĩng), các tia cĩ bước sĩng ngắn (hồng ngoại, cực tím …) được hấp thụ bởi protein trong cấu trúc của thấu kính.

Phần lớn ánh sáng được hội tụ ở vùng hồng điểm (fovea) trên võng mạc, nơi mật độ

các tế bào thần kinh thị giác lớn nhất. Cĩ hai loại tế bào cảm nhận ánh sáng (receptors) là tế

bào hình nĩn (cones) và tế bào hình que (rods). Trong thành phần võng mạc cĩ khoảng 7 triệu tế bào hình nĩn và 130 triệu tế bào hình que.

Hình 2.1.19 Mật độ phân bố tế bào thần kinh thị giác trên võng mạc

Mật độ phân bố các tế bào thần kinh thị giác trên võng mạc khơng đồng đều: Đồ thị trên Hình 2.4.19 cho ta thấy mật độ phân bố các tế bào hình nĩn (đồ thị 1) và hình que (đồ thị 2) trên 1 mm2

võng mạc (tính từ tâm hồng điểm). Cĩ thể thấy các tế bào hình nĩn tập trung tại vùng hồng điểm, cịn gọi là vùng “nhìn rõ nhất”. Vùng này cĩ hình bầu dục rộng 0.8 mm, dài 2 mm). Tế bào hình que phân bố xung quanh hồng điểm. Các tế bào hình que nhạy cảm với ánh sáng hơn tế bào hình nĩn, nhưng chúng khơng cĩ cảm thụ về màu sắc. Tế bào hình nĩn ngược lại kém nhậy cảm với sự kích thích của ánh sáng, nhưng cĩ khả năng phân biệt màu sắc. Theo thuyết ba thành phần cảm thụ màu của mắt người, trong võng mạc tồn tại 3 loại tế bào hình nĩn, các tế bào này cĩ phản ứng khác nhau đối với các màu khác nhau. Cụ

thể, qua thí nghiệm ta thấy rằng ba loại tế bào hình nĩn nhạy cảm với ba màu khác nhau là

Đỏ, Lục, và Lam. Sự cảm thụ màu của mắt sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ mức độ kích thích của mỗi loại tế bào nĩi trên.

Hình 2.1.20 Tế bào hình que và hình nĩn trong võng mạc

Các tế bào cảm quang biến đổi năng lượng ánh sáng thành các xung điện để truyền đến bộ phận xử lý hình ảnh trong não qua hệ thống dây thần kinh thị giác (khoảng 800000 dây). Một vùng nhỏ trên võng mạc khơng nhạy cảm với ánh sáng là nơi tập hợp các dây thần kinh thị giác. Vùng này gọi là điểm mù của mắt. Sở dĩ số dây thần kinh ít hơn số tế bào cảm quang vì mỗi dây được nối với hàng trăm tế bào hình que và hàng chục tế bào hình nĩn. Riêng các tế

bào hình nĩn trong vùng hồng điểm được nối trực tiếp với tế bào hạch, do đĩ, độ phân giải của mắt tại vùng này là cao nhất.

Theo một số cơng trình nghiên cứu về mắt, người ta thấy rằng các tế bào cảm nhận ánh sáng trong mắt biến đổi năng lượng ánh sáng thành các xung điện, năng lượng nhiệt và năng lượng hố học. Được biết, năng lượng các xung điện đi vào dây thần kinh thị giác lớn hơn nhiều so với năng lượng áng sáng rọi vào mắt, do đĩ cĩ thể kết luận là ở võng mạc tín hiệu hình ảnh khơng chỉ được tiếp nhận mà cịn được biến đổi và ánh sáng là tín hiệu điều khiển quá trình biến đổi đĩ. Quá trình biến đổi quan trọng nhất trong mắt là quá trình biến đổi quang-hĩa học. Dưới tác động của ánh sáng, chất cảm quang rodopxin cĩ trong những tế bào que tách ra thành retinen và opxin tự do. Retinen là một dạng vitamin A. Ở nơi ánh sáng càng mạnh thì rodopxin bị phân huỷ càng nhiều. Phản ứng phân huỷ này kích thích các tế bào thị

giác làm cho các tế bào thị giác phát ra luồng xung động truyền vào trung ương thần kinh. Khi ánh sáng tắt, retinen lại kết hợp với opxin để tái tạo rodopxin. Phản ứng phục hồi địi hỏi một thời gian ngắn; sau thời gian đĩ, tế bào thị giác sẽ hưng phấn trở lại. Trong khoảng thời gian này hình ảnh được lưu lại trên võng mạc (thời gian lưu ảnh kéo dài khoảng 0.1-0.3s). Khả

năng nhìn phụ thuộc vào lượng rodopxin, nên khi mới ở nơi sáng vào chỗ tối, chúng ta hầu như khơng nhìn thấy gì. Sau vài phút, lượng rodopxin tăng lên, khả năng nhìn cĩ thể tăng lên hàng trăm lần.

Phạm vi các mức sáng mà mắt cĩ thể cảm nhận được rất rộng. Các tế bào que bắt đầu cảm nhận được hình ảnh cĩ độ chĩi từ 10-4-10-5 cd/m2, các tế bào nĩn từ 1 cd/m2. Khi độ chĩi xấp xỉ 10cd/m2các tế bào que bị “lố” dần vì lúc này, tốc độ phân hủy rodopxin lớn hơn tốc

độ tái tạo, do đĩ lượng rodopxin trong các tế bào hình que giảm đi nhanh chĩng. Ởđộ chĩi từ

10-104 cd/m2, chỉ cịn các tế bào nĩn làm việc. Phản ứng quang - hố học nĩi trên và cơ chế

tựđiều chỉnh lượng ánh sáng đi vào võng mạc là nguyên nhân để mắt cĩ phạm vi cảm nhận ánh sáng rộng như vậy (~109).

Tuy nhiên mắt khơng thể cảm nhận được cùng một lúc tất cả mức sáng trong phạm vi rộng nhưđã nĩi trên. Trên thực tế, mắt người chỉ cĩ thể cảm nhận một khoảng nhỏ giới hạn từ

min max

L ÷ L xung quanh mức chĩi trung bình của ảnh, khoảng này ta gọi là phạm vi động của mắt. Đối với hình ảnh cĩ mức chĩi trung bình nào đĩ, tất cả mức chĩi lớn hơn Lmax sẽ

cảm nhận như mức trắng, tất cả mức chĩi nhỏ hơn Lmin sẽđược cảm nhận như mức đen. Khi mức chĩi trung bình thay đổi, mắt người sẽ tựđộng điều tiết để di chuyển phạm vi động theo mức chĩi trung bình. Đây chính là tính chất thích nghi với độ sáng của mắt người. Thí nghiệm cho thấy, khi mức sáng tăng lên, thời gian mắt điều tiết để thích nghi với mức mới rất nhanh (khoảng vài giây). Ngược lại, khi mức chiếu sáng giảm thì mắt điều tiết để thích nghi tương

đối chậm (vài phút).

Nhưđã nĩi ở trên, mắt cĩ độ nhậy khác nhau với các tia bức xạ cĩ bước sĩng khác nhau (đồ thị 1, Hình 2.1.21). Nhưng khi cường độ ánh sáng nhỏ (vùng scotopic) đồ thịđộ nhậy của mắt di chuyển về phía ánh sáng cĩ bước sĩng ngắn hơn (đồ thị 2, Hình 2.1.21).

Hình 2.1.21 Đáp ứng phổ (độ nhạy) của mắt người.

Khả năng mắt người cảm nhận sự thay đổi độ chĩi là khơng liên tục.

n

Hình 2.1.22 Khảo sát khả năng cảm nhận độ chĩi của mắt người

Nếu tăng dần độ chĩi của chi tiết trong một ảnh từ mức chĩi nền (Hình 2.1.22), lúc đầu mặc dù đã cĩ sự khác biệt vềđộc chĩi giữa chi tiết và nền, nhưng người quan sát khơng phát hiện ra chi tiết này. Khi sự chênh lệch đạt tới mức ngưỡng, người quan sát bắt đầu nhận dạng

được chi tiết ảnh.

Người ta định nghĩa ngưỡng cảm nhận ánh sáng tuyệt đối của mắt ε là đại lượng ngược với giá trịđộ chĩi nhỏ nhất của điểm sáng trên nền đen mà mắt phát hiện được trong bĩng tối: ε =1/Lmin. Trên thực tế ta thường gặp hình ảnh cĩ khoảng chĩi động là

min max

L ÷ L và cĩ độ chĩi của nền là Ln. Độ tương phản của ảnh là tỷ lệ k L= max/Lmin. Các chi tiết ảnh cĩ độ chĩi khác với độ chĩi nền Δ =L (L Ln), nếu ΔLmin là mức khác biệt nhỏ nhất mà mắt cịn nhận biết được, thì tỷ lệ ΔLmin /Ln = Δ( L L/ n mi) n =σ gọi là ngưỡng tương phản. Giá trị σ phụ thuộc vào kích thước của chi tiết hình ảnh và độ chĩi của nền

Kết luận quan trọng rút ra được ở dây là giá trị ngưỡng tương phản của mắt người

0

σ > , hay nĩi cách khác, khả năng cảm nhận độ tương phản của mắt mang tính rời rạc (tương tự nhưđộ phân giải của mắt). Chính vì vậy, số lượng các mức xám cần cĩ là hữu hạn trong dải động các mức chĩi Lmin ÷ Lmax của ảnh số.

Số lượng mức xám mà mắt người cảm nhận được cùng một lúc phụ thuộc vào giá trị

ngưỡng tương phản và độ tương phản của ảnh:

(1 ) 1 ln ln k m σ = + + (2.1.15)

Thay vào cơng thức (2.1.15) giá trịđộ tương phản trung bình của hình ảnh trên display 100

k = , giá trị ngưỡng tương phảnσ =0 03 0 04. ... . , ta nhận được số sọc xám cực đại để

mắt cảm nhận được sẽ là m=100 150÷ .

Trên thực tế, độ tương phản k và số lượng mức xám m bị hạn chế bởi:

¾ thơng số kỹ thuật của màn hình hiển thị: kích thước, độ chĩi cực đại, đặc tuyến gamma v.v.

¾ chếđộ làm việc của màn hình: độ chĩi, độ tương phản;

¾ điều kiện quan sát: khoảng cách từ nơi quan sát đến màn hình, ánh sáng bên ngồi.

Nguồn ánh sáng bên ngồi Lng chiếu vào màn hình sẽ làm giảm độ tương phản của ảnh gốc, vì độ tương phản trong trường hợp này là:

max max min min ng ng L L L k k L L L + ′ = < = + ,

do đĩ số mức xám tính theo (2.1.15) cũng sẽ giảm đi.

Một phần của tài liệu Xử lý âm thanh và hình ảnh (Trang 81 - 85)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(175 trang)