CƠ SỞ CỦA XỬ LÝ ẢNH SỐ
2.1.3 Đáp ứng và phân biệt độ sáng
Hình 2.4 Dải đáp ứng độ sáng của mắt người
Do ảnh số được thể hiện bởi các điểm ảnh rời rạc, khả năng phân biệt các điểm ảnh của mắt rất quan trọng trong việc thể hiện kết quả xử lý ảnh. Khoảng biến đổi của cường độ ánh sáng mà mắt người có thể xử lý rất lớn, khoảng , từ khoảng ánh sáng chói đến mức phải cố sức để nhìn rõ. Các thí nghiệm cho thấy độ sáng chủ quan (là độ sáng đánh giá bởi thị giác người) là một hàm logarit của cường độ ánh sáng nhận bởi mắt. Hình 2.4 là đồ thị của cường độ ánh sáng và độ sáng chủ quan. Đường cong dài thể hiện khoảng cường độ ánh sáng mà mắt người đáp ứng. Đối với thị giác ánh sáng mạnh, khoảng này là , khoảng chuyển đổi từ thị giác ánh sáng yếu đến thị gác ánh sáng mạnh chừng 0.001 đến 0.1 mililambert (-3 đến -1 mL theo log).
Tuy có khoảng đáp ứng với cường độ ánh sáng rất rộng, ta cần chú ý là thị giác người không thể hoạt động trong cả dải đó cùng một lúc. Thay vào đó, nó phải thay đổi hệ thống thị giác, hiện tượng này gọi là đáp ứng độ sáng. Với một hệ điều kiện cho trước, mức độ cảm giác hiện thời của thị giác gọi là mức độ đáp ứng độ sáng. Nó tương ứng với cường độ ánh sáng. Đường cong ngắn thể hiện dải độ sáng chủ quan mà mắt người thu đươc. Khoảng này bị giới hạn bởi và .
Khả năng của mắt phân biệt sự thay đổi của cường độ ánh sáng tại bất kỳ mức đáp ứng đặ trưng nào rất được quan tâm. Các thí nghiệm cổ điển đã xác định khả năng phân biệt của mắt với sự thay đổi độ sáng bằng cách cho người nhìn vào một khoảng không gian rộng, phẳng, đồng nhất và có độ lớn vượt quá tầm nhìn của mắt. Vùng này thường được chế tạo bởi thủy tinh đục. Phía sau nó là một nguồn sáng có cường độ ánh sáng I thay đổi được. Trên màn đó, người ta gia tăng cường độ sáng ΔI dưới dạng
một xung ánh sáng thời gian ngắn, dang tròn tại trung tâm của màn, thể hiện trong hình 2.5
Hình 2.5 Thí nghiệm phân biệt độ sáng của mắt
Nếu ΔI không đủ sáng thì đánh giá chủ quan sẽ báo là không, tức không nhận được. Nếu ΔI đủ lớn thì đánh giá chủ quan sẽ báo là có, thể hiện có nhận ra sự thay đổi. Tỉ số với là độ thay đổi mà mắt người báo là có trong 50% trường hợp thí nghiệm gọi là tỉ số Weber. Giá trị này càng nhỏ, tức là có thể nhận biết sự thay đổi càng nhỏ về độ sáng. Tức là mắt phân biệt độ sáng tốt. Ngược lại giá trị này càng lớn thì mắt phân biệt độ sáng càng kém.
Hình 2.6 Tỉ số Weber theo hàm cường độ sáng
Đồ thị của theo logI được biểu diễn trong hình 2.6. Nó thể hiện khả năng phân biệt độ sáng là kém ở ánh sáng yếu và tăng rất nhanh khi độ sáng tăng. Hai nhánh đường cong đại diện cho khả năng phân biệt độ sáng của tế bào hình nón và tế bào hình que của mắt. Ta thấy tế bào hình nón có khả năng phân biệt độ sáng tốt hơn.
Nếu màn sáng được giữ cố định và cường độ ánh sáng là của nguồn khác (chứ không phải xung ánh sáng) có khả năng thay đổi độ sáng từ không thể nhận ra đến luôn luôn nhận thấy ánh sáng thay đổi, chúng ta có thể tìm ra từ 1 đến khoảng một tá khoảng thay đổi cường độ sáng khác nhau. Tóm lại, kết quả cho thấy độ thay đổi cường độ sáng mà con người nhận thấy tại 1 điểm trong môi trường đơn sắc. Kết quả này không có nghĩa là mắt có thể nhận ra sự thay đổi độ sáng trong một hình ảnh vì
mắt người quét qua toàn bộ ảnh, kiểm tra độ thay đổi trung bình của nền chứ không phải từng điểm riêng biệt.
Hai thí nghiệm trên đã cho thấy sự phân biệt độ sáng của mắt người không phải là một hàm đơn giản theo cường độ ánh sáng. Trước hết nó phụ thuộc vào sự đánh giá thị giác về vùng biên của miền thay đổi cường độ sáng. Hình 2.7a thể hiện một ví dụ về điều trên. Mặc dù cường độ ánh sáng của dải không đổi, chúng ta vẫn nhận thấy dải độ sáng có độ lệch rất lớn, đặc biệt là tại các biên. Dải này được gọi là dải Mach, mang tên Ernst Mach, người mô tả hiện tượng này năm 1985.
Hình 2.7 Thí nghiệm về dải March
Hiện tượng thứ hai được gọi là sự tương phản đồng thời, nó chứng minh rằng sự nhận biết độ sáng không chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Trong hình 2.8, độ sáng của hình vuông giữa là như nhau, tuy nhiên đối với mắt thì hình vuông bên nền đen sáng hơn bên nền xám. Một ví dụ tương tự khác là một tờ giấy trên bàn có màu trắng nhưng lại có màu đen khi giơ lên với nền là bầu trời.
Hình 2.9 cho thấy rất nhiều hiện tượng ảo giác về mắt, cho thấy mắt mắc sai lầm như thế nào khi nhận biết. Trong hình 2.9a, chúng ta “nhìn” thấy cạnh hình vuông rất rõ dù thực tế không có gì. Trong hình 2.9 b chúng ta “nhìn” thấy biên hình tròn giữa. Trong hình 2.9c thì chúng ta cho rằng độ dài 2 đường thẳng là khác nhau. Trong hình 2.9d thì dường như các đường thẳng không song song nhau. Ảo giác của mắt là một đặc điểm của thị giác người mà chưa được tìm hiểu hết
Hình 2.9 Một số ảo giác về mắt 2.2 Ánh sáng và phổ sóng điện từ
Hình 2.10 Phổ sóng điện từ
Năm 1866, Issac Newton phát hiện rằng tia sáng mặt trời có thể được chia thành nhiều dải sáng có màu sắc khác nhau khi đi qua lăng kính thủy tinh. Tia sáng mặt trời không phải có màu trắng mà bao gồm một chuỗi quang phổ màu sắc liên tục từ màu tím đén màu đỏ. Như hình 2.10m khoàng màu sắc chúng ta nhận biết trong ánh sáng nhìn thấy chiếm một phần rất nhỏ trong phổ trường điện từ, Phổ sóng radio có bước sóng lớn gấp hàng tỉ lần so với ánh sáng thấy được. Phổ điện từ có thể được chia ra nhiều dải bước sóng dựa trên bước sóng, tần số hay năng lượng. Bước sóng và tần số liên hệ với nhau bởi công thức:
Với c là vận tốc ánh sáng. Còn năng lượng tính bởi công thức:
Với h là hằng số Planck. Đơn vị tần số là Hz, kHz, MHz… Đơn vị của bước sóng là m, micro mét, nano mét, đơn vị của năng lượng là electron vôn (eV)
Hình 2.11 Dạng sóng điện từ
Như hình 2.11, sóng điện từ là sóng hình sin có bước sóng λ, có thể chia thành vô số thành phần nhỏ gọi là photon. Trong không gian tự do chúng lan truyền với vận
tốc ánh sáng. Tần số càng cao thì mỗi photon mang lăng lượng càng lớn, Như thế, sóng radio có photon với mức năng lượng thấp còn các tia tử ngoại, tia X, tia gamma co photon mang năng lượng rất cao. Đặc biệt là tia gamma có thể gây nguy hại cho cơ thể sống.
Ánh sáng là một loại sóng điện từ có thể nhìn thấy bới mắt người. Phổ ánh sáng nhìn thấy khoảng từ 430nm đến 760nm. Dài này được chia thành 6 màu sắc: tím, lam, lục, vàng, cam, đỏ. Các màu này không chuyển tiếp đột ngột mà thông qua các màu trung gian.
Màu sắc con người nhìn được là ánh sáng phản xạ tren bề mặt vật đó. Một vật có màu nào sẽ phản xạ ánh sáng có phổ hệp trong đoạn màu đó và hấp thụ các bước sóng còn lại. Ví dụ vật màu xanh dương phản xạ sóng trong khoảng 500nm đến 570nm và hấp thụ các thành phần còn lại
Ánh sáng chỉ chứa 1 thánh phần tần số gọi là ánh sáng đơn sắc. Thuộc tính của ánh sáng này là cường độ sáng. Thang màu xám được dùng để biểu thị ánh sáng đơn sắc về cường độ vì nó có màu từ đen sang xám và cuối cùng là trắng. Ánh sáng đơn sắc có bước sóng trong khoảng 430 đến 760nm. Ba thuộc tính cơ bản của 1 nguồn sáng đơn sắc là : Năng lượng bức xạ (W), độ chói (lm) và độ sáng (được đánh giá chủ quan của thị giác người). Nghiên cứu về cường độ của ánh sáng đơn sắc là chìa khóa để mô tả sự cảm nhận màu sắc ở người
Ta xét đến các sóng điện từ có bước sóng ngắn như tia gamma và tia X. Tia gamma có vai trò quan trọng trong y học, trong chụp ảnh bức xj vũ trụ, môi trường bức xạ và phóng xạ mạnh. Tia X được ứng dụng trong công nghiệp và y tế. Ngoài ra với các sóng điện từ có bước sóng lớn hơn ánh sáng thấy được, ta có tia hồng ngoại phát xạ nhiệt và được ứng dụng trong cảm biến hồng ngoại. Kế tiếp là dải sóng microwave, được dùng làm nguồn phát trong lò vi sóng. Tuy nhiên chúng cũng được sử dụng trong viễn thông và rada. Cuối cùng là sóng radio dùng trong phát truyền hình, phát đài AM và FM. Với mức năng lượng cao, tín hiệu radio còn dùng trong thông tin vũ trụ.
Theo nguyên lý, nếu một máy thu có thể được phát triển để nhận ra năng lượng bức xạ trong một dải sóng điện từ, chúng ta có thể nhận được nhiều điều thú vị. Chú ý rằng để thấy được 1 vật thì bước sóng vài bằng hoặc nhỏ hơn kích cỡ vật đó. Ví dụ một nguyên tử nước có kích cỡ 0.1nm thì chúng ta cần bức xạ tử ngoại hay tia X.
Mặc dù hình ảnh thu được phụ thuộc vào bức xạ năng lượng sóng điện từ, nó không phải là công cụ duy nhất để nhận biết hình ảnh. Ta còn có thể dùng sóng siêu âm, dùng chùm electron trong kính hiển vi điện tử và các hình ảnh tổng hợp khác.
2,3 Cảm giác và thu nhận hình ảnh:
Hình 2.12 Nguyên lý chuyển đổi từ năng lượng bức xạ thành ánh sáng thấy được
Loại hình ảnh mà chúng ta nghiên cứu là sự tổng hợp của độ chói nguồn và sự phản xạ, hấp thụ của vật thể trong khung cảnh. Độ chói có thể được tạo từ các nguồn sóng điện từ như rada, hồng ngoại hay tia X. Tuy nhiên nó cũng có thể tạo ra từ các nguồn ít gặp hơn như sóng siêu âm hay máy tính. Tương tự, khung cảnh có thể là các vật quen thuộc như đá, phân tử, não người. Tùy thuộc vào nguồn, năng lượng có thể bị phản xạ, xuyên qua hoặc hấp thụ trên bề mặt vật thể. Ví dụ ánh sáng bị phản xạ bởi gương, tia X xuyên qua cơ thể người và chiếu lên phim chụp X-ray. Trog vài trường hợp, năng lượng đó lại được tập trung trên phim âm bản để chuyển đổi thành ánh sáng thấy được. Phương pháp này sử dụng trong chụp bằng tia X, tia gamma hay chùm electron/
Hình 2.12 trình bày 3 nguyên lý cảm biến cơ bản dùng trong chuyển đổi năng lượng bức xạ thành ảnh số. Đó là cảm biến ảnh đơn, cảm biến dải và cảm biến mảng.