Bản thân võng mạc là một màng mỏng được xếp thành từng lớp cư trú bởi hai loại tế bào nhận sáng – hình que và hình nón – đáp ứng với ánh sáng có bước sóng từ 330 nm tới 730 nm (từ tím tới đỏ). Các tế bào hình nón kém nhạy sáng hơn và chủ yếu là để nhìn ban ngày. Chúng có trách nhiệm cảm nhận màu sắc. Có ba loại tế bào hình nón tương ứng nhạy với các phổ ánh sáng khác nhau (đỏ, lục, lam) giữ vai trò chủ đạo trong nhận thức màu. Có khoảng 100 triệu tế bào hình que và 5 triệu tế bào hình nón trong mắt người. Phân bố khơng gian của chúng thay đổi về hai phía của võng mạc. Vùng trung tâm (macula lutea) ở chính giữa võng mạc ở đó tập trung các tế bào hình nón với mật độ cao và ảnh được hội tụ sắc nét mỗi khi mắt
Góc cân đối với điểm vàng (deg)
S ố t ế b ào c ả m th ụ Hình que Hình nón Điểm mù
tập trung sự chú ý của nó vào một đối tượng. Các tế bào hình nón tập trung cao nhất tại điểm vàng (fovea), là một chỗ lõm giữa vùng trung tâm, đạt tới 2.6105/mm2 (hình 2.3). Ngược lại, khơng có các tế bào hình que trong điểm vàng, nhưng mật độ tế bào hình que tăng về phía rìa của trường nhìn. Cũng có một điểm mù trên võng mạc, ở đó các sợi tế bào hạch đi vào võng mạc và tạo dây thần kinh quang học.
Các tế bào hình que là các tế bào nhận kính thích ánh sáng cực kỳ nhạy: chúng có khả năng đáp ứng với chỉ một photon, nhưng chúng đem đến chi tiết không gian tương đối kém bởi vì nhiều tế bào hình que cùng đổ về neuron giống nhau trong võng mạc. Trái lại, các tế bào hình nón trở thành tích cực tại mức ánh sáng cao hơn, nhưng tín hiệu lối ra của mỗi tế bào hình nón trong điểm vàng được mã hoá bởi một vài neuron, đem lại độ phân giải cao trong vùng đó.
2.2.2 Camera
Những ống kính camera ghi hình là những máy móc đầu tiên bắt chước mắt người. Camera có thể có hoặc khơng trang bị thấu kính. Mơ hình buồng tối camera đầu tiên được phát minh vào thế kỷ 16 khơng có các thấu kính, nhưng thay vào đó là một lỗ (pinhole) để hội tụ các tia sáng lên trên tường hoặc tấm mờ. Các lỗ dần dần được thay thế bởi các thấu kính càng ngày càng phức tạp.
Nói chung camera thường có hai bộ phận cơ bản một là hệ thống tạo ảnh và hai là bề mặt tạo ảnh có chứa chất nhạy cảm quang. Bề mặt tạo ảnh của một camera thơng thường là hình chữ nhật, nhưng các camera tồn cảnh có thể trang bị mặt tạo ảnh hình trụ để tăng trường nhìn. Những phần tử nhạy tạo ảnh có những đặc trưng khác nhau. Chúng có thể ghi nhận một ảnh rời rạc hoặc một ảnh liên tục về mặt không gian. Hệ thống tạo ảnh có thể là lỗ hoặc là hệ thấu kính trong các camera hiện đại. Ta sẽ khảo sát các quá trình tạo ảnh và các phần từ nhạy tạo ảnh dưới đây.
Phép chiếu phối cảnh
Hãy tưởng tượng ta cầm một cái hộp, châm một lỗ nhỏ vào một trong số các mặt của hộp bằng một đinh ghim, và thay thế mặt đối diện bằng một tấm mờ. Nếu ta đặt
nguồn sáng nào đó (một ngọn nến chẳng hạn), ta sẽ nhìn thấy hình ngọn nến lộn ngược xuất hiện trên tấm mờ (hình 2.4a).
Hình 2.4 (a)Mơ hình tạo ảnh qua lỗ(b)Minh hoạ cách tính phương trình phối cảnh
Ảnh này được hình thành bởi những tia sáng phát ra từ cảnh gần với mặt hộp. Nếu lỗ được giảm nhỏ tới một điểm (dĩ nhiên không thể đạt được về mặt vật lý), thì chính xác một tia sáng sẽ đi qua xuyên qua mỗi điểm trong mặt phẳng tấm mờ (mặt phẳng ảnh), lỗ và một điểm cảnh tương ứng nào đó.
Trong thực tế, lỗ có một kích thước nào đó (mặc dù nhỏ), và mỗi điểm trong mặt phẳng ảnh tập hợp ánh sáng từ một hình nón của những tia sáng, vì vậy mơ hình được lý tưởng hố và đơn giản này của tạo ảnh hình học có ít hiệu quả. Tuy vậy, mơ hình chiếu phối cảnh lỗ (cũng được gọi là phối cảnh trọng tâm), đầu tiên được đề xuất bởi Brunelleschi hồi đầu thế kỷ 15, rất tiện lợi về toán học. Bất chấp sự đơn giản, nó thường cung cấp một sự xấp xỉ chấp nhận được của quá trình tạo ảnh. Đơi khi để dễ tính ta thay ảnh thật bằng một ảnh ảo đối xứng với ảnh thật qua lỗ.
Bằng các phép tính hình học đơn giản, ta dễ dàng thu được các phương trình cho phép chiếu phối cảnh (hình 2.4b). Trong hình điểm C’ là giao điểm của trục quang và ’ được gọi là tâm ảnh. Điểm này có thể được sử dụng như là gốc toạ độ ảnh và là điểm tâm để tính trong các thủ tục chuẩn hố (calibration) camera.
Lấy điểm P là một điểm thuộc quang cảnh có toạ độ (x,y,z) và P’ là ảnh của
P có toạ độ là (x’,y’,z’). Do P’ nằm trên mặt phẳng ảnh ta có z’=f’. Từ ba điểm P, O,
và P’ cùng nằm trong một đường thẳng, ta có OP'OP, do vậy
Vậy z y f y z x f x ' ' ' ' (2.1) Phép chiếu Affine
Như đã nói trong phần trên, phối cảnh lỗ chỉ là một xấp xỉ của quá trình tạo ảnh hình học. Ngồi ra ta cịn có một lớp xấp xỉ thơ hơn được gọi là mơ hình chiếu affine, cũng được sử dụng trong một số trường hợp. Hai phép chiếu affine có thể kể ra là phép chiếu phối cảnh yếu và phép chiếu trực giao. Phép chiếu phối cảnh yếu là một mơ hình có thể chấp nhận được trong nhiều điều kiện tạo ảnh, nhưng phép chiếu trực giao thuần tuý thường không thực tế. Ta sẽ không mô tả chi tiết mà kể tên chúng vì chúng chỉ có ý nghĩa mang tính lịch sử.
Các camera có thấu kính
Đa số các camera được trang bị hệ thấu kính. Có hai lý do chính là: Trước hết là để tập hợp ánh sáng từ một tia sáng đơn lẻ sẽ đến mỗi điểm khác nhau trong mặt phẳng ảnh dưới phép chiếu lỗ lý tưởng. Thực tế các lỗ tất nhiên có một kích thước hữu hạn, vì vậy mỗi điểm trong mặt phẳng ảnh được chiếu bởi một hình nón của những tia sáng trương một góc đặc hữu hạn. Lỗ lớn hơn hình nón rộng hơn và ảnh sáng hơn, nhưng một pinhole lớn sẽ cho ảnh không rõ nét. Làm co lỗ tạo ra ảnh sắc nét, nhưng làm giảm số lượng ánh sáng đến mặt phẳng ảnh, và có thể đưa đến hiệu ứng nhiễu xạ. Lý do chính thứ hai là khi sử dụng một thấu kính sẽ giữ ảnh sắc nét trong khi tập hợp được ánh sáng từ một vùng lớn.
Bỏ qua sự nhiễu xạ, giao thoa và các hiện tượng quang học vật lý khác, hoạt động của thấu kính tuân theo các định luật quang hình.
Ta minh hoạ quá trình tạo ảnh của điểm P qua thấu kính mỏng trong hình
2.5a. Ta có được phương trình 2.2 để tính vị trí ảnh P’
f z z 1 1 ' 1 (2.2)
ở đó ) 1 ( 2 n R
f là tiêu cự của thấu kính.
Hình 2.5 Q trình tạo ảnh qua thấu kính mỏng (a) và thấu kính dầy (b)
Ta thấy rằng phương trình thể hiện qua hệ vị trí của P và P’ là chính xác
giống như phép chiếu phối cảnh lỗ nếu ta lấy z’=f’. Từ P và P’ nằm trên đường
thẳng xuyên qua tâm của thấu kính và các điểm ở vị trí –z chỉ hội tụ sắc nét khi mặt phẳng ảnh ở ví trí z’. Khi z, là các vật như các vì sao, sẽ được ảnh tại vị trí cách tâm thấu kính một khoảng là f. Hai điểm F và F’ tại vị trí cách tâm thấu kính một khoảng f trên quang trục được gọi là hai tiêu điểm của thấu kính.
Trong thực tế khi ánh sáng đến thấu kính bị khúc xạ trên biên giới phải sẽ khơng lập tức khúc xạ tiếp trên biên giới trái mà giữa hai q trình khúc xạ trên nó phải truyền qua mơi trường vật chất chế tạo thấu kính, do đó q trình tạo ảnh của các thấu kính thực sẽ khác. Mơ hình hiện thực hơn của hệ quang học đơn giản là thấu kính dầy. Các phương trình mơ tả q trình tạo ảnh của nó dễ dàng đạt được từ phương trình khúc xạ và chúng cũng giống như các phương trình phối cảnh lỗ và phép chiếu thấu kính mỏng ngoại trừ một sai khác (hình 2.5b). Nếu H và H’ là hai
điểm chính của thấu kính, thì phương trình 2.2 giữ ngun khi –z (tương ứng là z’) là khoảng cách giữa điểm P (tương ứng là P’) và mặt phẳng chứa điểm H (tương
ứng là H’) trực giao với trục quang.
Trong thực tế, các vật nằm trong một phạm vi khoảng cách hội tụ nhỏ (được gọi là chiều sâu của trường hoặc chiều sâu tiêu điểm). Chiều sâu trường tăng theo số
f của thấu kính (số f là tỷ lệ giữa tiêu cự của thấu kính và đường kính nó). Trường
nhìn của một camera là phần của khơng gian cảnh mà thật sự chiếu lên trên phim
của camera. Nó khơng được định nghĩa chỉ bởi tiêu cự, mà cịn phụ thuộc vào vùng phim có thể được lộ sáng trong một camera chụp ảnh, hoặc vùng nhạy CCD trong một camera số (hình 2.6).