Основы восприятия человеком электромагнитных и звуковых волн.

Чтобы лучше разобраться в том, как происходит видеосъемка и обработка видеоинформации, необходимо понять, как человеческий глаз воспринимает изображения.

Устройство зрительного аппарата человека. Первичным органом восприятия, в котором происходит обработка светового возбуждения, является глаз (см. рис. 214).

Рис. 214. Схематическое представление органа зрения

Световые волны, непосредственно излучаемые или отражаемые объектом, собираются хрусталиком и через стекловидное тело проецируются на сетчатку. Там они возбуждают определенные нервные клетки, физиологическая функция которых заключается в распознавании световых волн. В результате возбуждения в нервных клетках возникает электрический сигнал, который по зрительному нерву поступает в зрительный центр мозга, где и возникает зрительное впечатление.

Хрусталик благодаря действию удерживающих его мышц обладает способностью изменять радиусы кривизны передней и задней поверхностей, изменяя тем самым фокусное расстояние и осуществляя фокусировку изображения на сетчатке. Это свойство называется аккомодацией.

Светочувствительными элементами глаза являются колбочки и палочки, они входят в состав сетчатки (около 7·10⁶ колбочек и 130·10⁶ палочек). Сетчатка представляет собой дискретную светочувствительную структуру.

На самой сетчатке можно выделить две области, которые называют желтым и слепым пятном. В области слепого пятна нервные пути сетчатки сливаются в зрительный нерв. Поскольку в этом месте не имеется нервных клеток, свет, попадающий на слепое пятно, не обнаруживается. На желтом пятне имеет место обратная картина. Оно расположено по центру зрительной оси и содержит особенно много зрительных клеток, которые отвечают за цветовое зрение колбочек. При хорошем освещении глаз человека обычно фокусирует падающий свет на желтом пятне. Колбочки обладают высокой цветовой чувствительностью, но при низкой освещенности не работают.

Палочки более чувствительны к падающему свету, чем колбочки, и при этом способны регистрировать только суммарную энергию излучений оптического диапазона. Поэтому палочки пригодны для восприятия только яркостной информации. Благодаря ним обеспечивается возможность распознавания предметов в условиях низкой освещенности. При этом объекты воспринимаются серыми на сером фоне.

Светочувствительные элементы глаза преобразуют световую энергию в нервные импульсы, которые по нервным волокнам передаются в зрительные центры головного мозга, где и осуществляется обработка поступающей информации.

Особенности световой чувствительности глаза. Зрительная система обеспечивает нормальное восприятие при очень высоких яркостях. Способность глаза изменять свою чувствительность и приспосабливаться к различным яркостям наблюдаемого изображения называют адаптацией.

Теория адаптации описывает изменение чувствительности глаза при переходе от стационарного освещенного состояния к большей или меньшей освещенности. Как подтверждают измерения, время темновой адаптации составляет десятки минут (30…50 мин), а световой – единицы минут (8…10 мин).

Особенности восприятия глазом (мерцающих) телевизионных изображений. Между моментом воздействия света на сетчатку глаза и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения проходит некоторое время, называемое временем ощущения. В условиях наблюдения телевизионного изображения глаз человека работает в режиме воздействия на него периодически изменяющихся световых потоков. При невысокой частоте возникает ощущение мерцания изображения. Если частоту вспышек увеличить, то при определенном ее значении ощущение мерцания прекращается и наблюдатель воспринимает изображение как слитное. Частоту, при которой возникает ощущение слитности восприятия, называют критической частотой мельканий (мерцания).

При яркости источника белого света 30 кд/м² критическая частота мельканий 41 Гц, а при яркости 100 кд/м² 46 Гц.

В телевидении, как и в кино, изображения воспроизводятся в виде последовательной серии статических кадров. Выбор частоты кадров определяется двумя факторами:

– условиями восприятия слитности движения при воспроизведении серии дискретных изображений отдельных фаз движущихся объектов;

– необходимостью превышения критической частоты мельканий.

Опыт показывает, что для восприятия слитности движения достаточно 16 ... 20 кадров в секунду. В связи с этим в профессиональном кино съемка ведется с частотой 24 кадра в секунду, а в телевидении и видеозаписи - 25 (европейский стандарт) или 30 (американский стандарт) кадров в секунду. Критическая частота мельканий для яркостей изображения в кино и телевидении превышает эти значения. В кино каждый кадр проецируют на экран дважды с частотой проекции 48 Гц, то есть превышающей критическую частоту мельканий. Частота полей в телевидении и видеозаписи составляет 50 Гц (европейский стандарт) или 60 Гц (американский стандарт).

Особенности цветового зрения человека. Раздельная обработка цветовой и яркостной информации в биологических и технических системах представляет собой в равной мере непростые задачи.

За цветовое восприятие человеческого газа отвечают нервные клетки - колбочки. Имеется три сорта колбочек. Они различаются по сенсорным молекулам, которые обеспечивают обнаружение световых волн. Чтобы нервная клетка (будь она колбочкой или палочкой) могла различать световые волны, она должна вырабатывать особое химическое вещество – так называемый зрительный пигмент, который поглощает энергию световых волн. При этом в клетку поступает энергия, которая, при условии превышения определенного порогового значения, вызывает появление нервного импульса.

В зависимости от вида зрительного пигмента световые волны различной длины улавливаются колбочками с разной эффективностью. Каждый вид колбочек обладает определенной спектральной чувствительностью сенсорных молекул в синей, зеленой и красной областях спектра (рис. 215).

Рис. 215. Спектральная чувствительность сенсорных молекул

трех видов колбочек на сетчатке

Таким образом, наше цветовое зрение основывается на наличии в сетчатке трех различных видов сенсорных клеток (колбочек), оптимизированных на распознавание красного, зеленого и синего цветов.

Процесс функционирования колбочек и палочек не имеет принципиальных отличий. В обоих случаях происходит поглощение световых волн, и по достижении фиксированного порога вырабатывается нервный импульс. При этом оба вида клеток реагируют на интенсивность падающего света. Решающее различие состоит в том, что палочки поглощают световые волны всего оптического диапазона, тогда как колбочки эффективно различают излучения определенных спектральных зон. Затем мозг определяет, в каких соотношениях возбуждены три вида колбочек, и на этой основе создается цветовое восприятие.

Все устройства, которые производят обработку цветовой информации, содержащейся в свете, основаны на раздельном распознавании красной, зеленой и синей цветовых составляющих света. Далее мы будем говорить об аддитивном цветовом синтезе, в основе которого два свойства света: способность разлагаться на цветовые составляющие и способность образовывать цветовые оттенки при оптическом их смешении.

Особенности восприятия пространства. Человек воспринимает окружающее пространство трехмерным, несмотря на то, что изображения на сетчатке двумерны. Объемное восприятие пространства связано с бинокулярностью зрения. Вместе с тем существенную роль в объемном восприятии играют аккомодация, вызванная изменением кривизны хрусталика за счет сокращения ресничной мышцы, восприятие перспективы, относительное перемещение объектов в поле зрения, образование теней от предметов и ряд других очевидных механизмов.

Устройство слухового аппарата человека. Орган слуха человека составляют наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо включает ушную раковину и наружный слуховой проход. Ушная раковина предназначена для улавливания звуковых колебаний, а наружный слуховой проход служит для их прохождения к барабанной перепонке.

Барабанная перепонка отделяет наружное ухо от среднего. В его состав входит система слуховых косточек: молоточек, наковальня, стремечко и слуховая (евстахиева) труба (см. рис. 216). Молоточек с одной стороны вплетен своей рукояткой в барабанную перепонку, с другой – соединяется с наковальней. Данная косточка, в свою очередь, сочленена со стремечком, которое примыкает к мембране окна преддверия внутренней стенки среднего уха.

Основной функцией слуховых косточек является участие в передаче колебаний барабанной перепонки, вызванных действием звуковых волн, по направлению к окну преддверия, а затем – к эндолимфе улитки внутреннего уха.

Среднее ухо посредством слуховой трубы соединяется с носоглоткой, благодаря чему в его полости поддерживается атмосферное давление. Если показатели давления отличаются от нормы, то это приводит к понижению остроты слуха вследствие нарушения обычного ритма колебания барабанной перепонки.

Состав внутреннего уха включает преддверие, полукружные каналы и улитку, в которой имеются рецепторы, реагирующие на звуковые волны.

Рис. 216. Схема строения уха:

1 – ушная раковина; 2 – наружный слуховой провод;

3 – барабанная перепонка; 4 – полость среднего уха; 5 – слуховая труба;

6 – молоточек; 7 – наковальня; 8 – стремечко; 9 – полукружный канал;

10 – улитка; 11 – эллиптический мешочек; 12 – сферический мешочек

Структуру улитки определяет костный постепенно расширяющийся канал, образующий 2,5 витка. Этот канал на всем протяжении разделен двумя перепонками. Более тонкой перепонкой является вестибулярная мембрана, а более плотной и упругой – основная мембрана. На вершине улитки указанные мембраны соединяются. За счет наличия вестибулярной и основной мембран костный канал улитки разделяется на три хода: верхний, средний и нижний. Верхний ход представлен лестницей преддверия, средний – перепончатым каналом улитки, нижний – барабанной лестницей.

Верхний и нижний ход улитки наполнен перилимфой, по составу сходной с цереброспинальной жидкостью. Полость среднего хода образована вестибулярной и основной мембранами. Она заполнена эндолимфой, не имеет сообщения с другими ходами, хотя и находится между ними.

Звуковоспринимающий аппарат – сиральный орган – расположен на основной мембране среднего хода улитки. Его составляют рецепторные волосковые клетки. Их колебания преобразуются в нервные импульсы, которые распространяются по слуховому нерву.

Прохождение звуковых сигналов через перилимфу и эндолимфу вызывает колебания основной мембраны совместно с рецепторными клетками и расположенными на них волосками. Последние контактируют с мембраной и деформируются, что приводит к возбуждению рецепторов.

Передача звуковых колебаний может осуществляться двумя способами – воздушным и костным. Воздушная проводимость звука выражена лучше, чем костная.

Причиной возникновения ощущений звука выступают механические колебания окружающей среды. Они вызываются различными вибрирующими предметами, которые обеспечивают их распределение в виде волн сжатия и растяжения.

На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах примерно от 16 Гц до 20кГц[8].