Ρούμπος Κωνσταντίνος8ο Εξάμηνο ΣΕΜΦΕ

Αρ. Μητρώου 09104080Σεμινάριο Φυσικής 2008

ΕΓΧΡΩΜΗ ΟΡΑΣΗ

Βασικές έννοιες

• Φως: ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία• Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα περιλαμβάνει ακτινοβολίες

των οποίων το μήκος κύματος κυμαίνεται μεταξύ 10-34 και 104m.

• Ανθρώπινη όραση: λ≈400nm-700nm

Γενικά για το χρώμα

• Χρώμα: είναι ο τρόπος με τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τη συχνότητα της ακτινοβολίας του φωτός

Ο ανθρώπινος εγκέφαλος ξεχωρίζει τρεις παραμέτρους για από τις ακτίνες που πέφτουν στον αμφιβληστροειδή χιτώνα:• Απόχρωση (Hue): Η αντίληψη του μήκους κύματος του ορατού φωτός από το κόκκινο προς το γαλάζιο• Κορεσμός (Saturation): Δίνει την αίσθηση του πόσο «καθαρό» είναι ένα χρώμα. Ένα πλήρως κορεσμένο χρώμα αποτελείται από μόνο μία

συχνότητα• Λαμπρότητα (Brightness): Εξαρτάται από τη φωτεινότητα του αντικειμένου.

Η ανθρώπινη όραση

• Η όραση είναι μια δυναμική διαδικασία που μας επιτρέπει να συλλέγουμε και να επεξεργαζόμαστε πληροφορίες από το περιβάλλον που ζούμε και στη συνέχεια να προγραμματίζουμε και να εκτελούμε τις κινήσεις μας (αντίδραση) μέσα σε αυτό.

• ο 80% των πληροφοριών που δεχόμαστε καθημερινά λαμβάνονται από το οπτικό σύστημα

Ο μηχανισμός της όρασης

•  Κάθε οφθαλμικός βολβός είναι χονδρικά σφαιρικός, με διάμετρο περίπου 2,5 εκατ. και βρίσκεται προφυλαγμένος μέσα στον οφθαλμικό κόγχο, που σχηματίζουν τα οστά του κρανίου.

• Ο βολβός του ματιού αποτελείται από τρία στρώματα: τον ινώδη χιτώνα, τον χοριοειδή χιτώνα και τον αμφιβληστροειδή χιτώνα.  

• Ο αμφιβληστροειδής χιτώνας καλύπτει εσωτερικά τον χοριοειδή και περιέχει δύο ειδών φωτοευαίσθητα κύτταρα: τα ραβδία, τα οποία είναι υπεύθυνα για την όραση σε αμυδρά φωτιζόμενους χώρους και τα κωνία, τα οποία χρησιμεύουν για την όραση στο φως και την αντίληψη των χρωμάτων.

Τα φωτοευαίσθητα κύτταραΡαβδία Κωνία

Περίπου 120 εκατομμύρια σε κάθε μάτι Περίπου 6-7 εκατομμύρια σε κάθε μάτι

Χρήση σκοτοπικής όρασης Χρήση φωτοπικής όρασης

Μεγάλη ευαισθησία στο φως Μικρότερη ευαισθησία στο φως

Η έλλειψή τους προκαλεί νυχτερινή τύφλωση

Η έλλειψή τους προκαλεί τύφλωση

Μικρή οπτική οξυδέρκειαΜεγάλη οπτική οξυδέρκεια – Μεγαλύτερη χωρική ανάλυση

Ανομοιόμορφα κατανεμημένα στον αμφιβληστροειδή

Συγκεντρωμένα στην ωχρή κηλίδα

Αργή ανταπόκριση στο φως Γρήγορη ανταπόκριση στο φως

Μπορούν να ανιχνεύσουν χαμηλότερα επίπεδα φωτισμού

Χρειάζονται περισσότερο φως για να ανιχνεύσουν τις εικόνες

Μόνο ένας τύπος κυττάρων Υπάρχουν τρεις τύποι κυττάρων

Ευθύνονται για την αχρωματική όραση Ευθύνονται για την έγχρωμη όραση

Πυκνότητα φωτουποδοχέων κατά μήκος ενός οριζόντιου άξονα στον αμφιβληστροειδή

Η αντίληψη του χρώματος• Η αναγνώριση των χρωμάτων γίνεται στον

αμφιβληστροειδή μόνο από τα κωνία

• Οι τρεις διαφορετικοί τύποι κωνικών κυττάρων διαφοροποιούνται από την δυνατότητα τους στο να μετατρέπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε πληροφορία για να την επεξεργαστεί ο εγκέφαλος.

• Μετατρέπουν διαφορετικά μήκη κύματος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας

• Η αντίστοιχη μέγιστη ευαισθησία των κωνίων είναι 620nm (κόκκινο), 520nm (πράσινο), 450nm (μπλε).

• Το οπτικό μας σύστημα μπορεί να διακρίνει ένα εκατομμύριο ερεθίσματα ως διαφορετικά ανάλογα με το χρώμα τους

Σημαντικότερες χρωματικές θεωρίες

• Αριστοτέλης: το χρώμα υπάρχει με την μορφή ακτίνων που έστελναν οι Θεοί από τον ουρανό.

• Isaac Newton (1660): όταν μια δέσμη ηλιακού φωτός διαπεράσει το γυάλινο πρίσμα αναλύεται σε ένα συνεχές φάσμα χρωμάτων.

• Helmholtz (1852): Τριχρωματικη Θεωρία• Hering (1872): Τετραχρωματική θεωρία ή θεωρία των

αντιθέτων χρωμάτων.• Σύγχρονη αντίληψη: ο μηχανισμός της αντίληψης των

χρωμάτων μπορεί να εξηγηθεί με το συνδυασμό των δύο τελευταίων θεωριών.

Τριχρωματική Θεωρία της όρασης• Young (1801): για την επίτευξη οποιασδήποτε

απόχρωσης απαιτείται ανάμιξη τριών βασικών χρωμάτων.

• Helmholtz (1852):υπάρχουν 3 είδη κωνίων με ευαίσθητες ουσίες για το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε. (κωνία L, M και S αντίστοιχα) - αναγνώρισε τη διαφορά ανάμεσα στην προσθετική και την αφαιρετική υπέρθεση χρωμάτων.

• Maxwell (1860): Έδειξε ότι πολλά (αλλά όχι όλα) τα χρώματα μπορούν να προκύψουν από την ανάμειξη καταλλήλων ποσοτήτων των τριών βασικών χρωμάτων.

Η τριχρωματική θεωρία δεν επεξηγεί πλήρως την έγχρωμη όραση αλλά αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για τη μελέτη της

Εδώ φαίνεται η πιθανότητα απορρόφησης ενός φωτονίου από τον κάθε τύπο κωνίου συναρτήσει της συχνότητάς του.

Θεωρία χρωματικής ανταγωνιστικότητας (colour opponent theory )

• Η όραση βασίζεται σε ένα σύστημα ανταγωνισμού των χρωμάτων.

• Υπάρχουν 6 βασικά χρώματα που σχηματίζουν 3 ζεύγη: κόκκινο-πράσινο, κίτρινο-μπλε και άσπρο –μαύρο.

• Η οπτική πληροφορία περιγράφεται από την ανταγωνιστικότητα των παραπάνω χρωμάτων.

Ο Ewald Herring διατύπωσε αυτή τη θεωρία το 1872 λαμβάνοντας υπόψη του ότι οι πιο κοινές μορφές αχρωματοψίας είναι αυτές στο κόκκινο-πράσινο και στο κίτρινο-μπλε. Τα κυριότερα στοιχεία της θεωρίας είναι τα εξής:

Χρωματικά μοντέλα – Τρίγωνο του Maxwell

• Τρίγωνο του Maxwell: Πρόκειται για ένα ισόπλευρο τρίγωνο στις κορυφές του οποίου υπάρχουν τα τρία βασικά χρώματα η μείξη των οποίων μπορεί να δημιουργήσει ένα μεγάλο αριθμό χρωμάτων τα οποία περικλείονται στο τρίγωνο.

• To 1928 πειράματα από τους Wright και Guild έδειξαν ότι τοτρίγωνο του Maxwell δεν επαρκεί για να περιγράψει όλα τα χρώματα.

Χρωματικά μοντέλα – Το διάγραμμα CIE

• Δημιουργήθηκε από την CIE (Commission Internationale de l' Eclairage) το 1931 σαν μια παραλλαγή του τριγώνου του Maxwell.

• Καθορίστηκαν οι ακόλουθες τιμές για τα τρία βασικά χρώματα:μπλε=435.8 nm πράσινο=546.1 nm κόκκινο=700 nm

• Ένα χρώμα μπορεί να καθοριστεί από την απόχρωση και τη φωτεινότητα του.

• Διάγραμμα CIE xy: Διάγραμμα 2 διαστάσεων στο οποίο η απόχρωση καθορίζεται από τις μεταβλητές x και y. Το διάγραμμα προκύπτει από την προβολή του τρισδιάστατου διαγράμματος σε μια επιφάνεια σταθερής φωτεινότητας (μεταβλητή z)

Τεχνητή όραση

• Η τεχνητή όραση βασίζεται στο γεγονός ότι η αίσθηση της όρασης μπορεί να προκύψει διεγείροντας τα νεύρα πίσω από τον αμφιβληστροειδή

με ηλεκτρικό ρεύμα.

• Επιτυγχάνεται με

τοποθέτηση κατάλληλου

μικροσκοπικού εμφυτεύματος

στον αμφιβληστροειδή.

Ψηφιακή Φωτογραφία

• Το φως περνά από το φακό της φωτογραφικής μηχανής και το είδωλο του αντικειμένου αποτυπώνεται στον αισθητήρα φωτός.

• Ο αισθητήρας περιέχει φωτοευαίσθητα στοιχεία που αντιλαμβάνονται το φως και το μετατρέπουν σε ηλεκτρικό φορτίο.

• Κάθε στοιχείο του αισθητήρα αντιστοιχεί σε ένα εικονοστοιχείο (pixel) της εικόνας.

Αισθητήρας CCD• Εφευρέθηκε το1969 από τους Willard Boyle και George

Smith.• Πυκνωτές στην επιφάνεια του CCD φορτίζονται με φορτίο

ανάλογο της έντασης του φωτός που δέχονται. Στη συνέχεια οι πυκνωτές εκφορτίζονται σε έναν ενισχυτή τάσης. Τελικά προκύπτει μια αλληλουχία ψηφιακών τάσεων οι οποίες μπορούν να αποθηκευτούν σε κάποια μορφή μνήμης.

• To CCD δε μπορεί να διακρίνει

χρώμα και για αυτό το λόγο

τοποθετείται πάνω του ένα

χρωματικό φίλτρο (Bayer)

για να προκύψει τελικά

η έγχρωμη εικόνα.

Από τον αισθητήρα στο αρχείο

• Κάθε εικονοστοιχείο μπορεί να αντιδράσει στην ένταση του φωτός που πέφτει πάνω του με 256 διαφορετικές τιμές.

• Από τον αισθητήρα παίρνουμε απευθείας την ακατέργαστη μορφή της εικόνας (raw format).

• Με τη διαδικασία της αποψηφιδοποίησης (demosaicing) προκύπτει ένα χαρτογραφικό αρχείο (bitmap).

• Στη συνέχεια το αρχείο bitmap επειδή έχει σχετικά συμπιέζεται μετατρέπεται σε αρχείο JPEG.

BLUE + RED + GREEN = RAW PICTURE

ΑΡΧΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ

ΤΕΛΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΕΙ ΑΠΟ ΤΗ RAW ΜΕ ΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΑΠΟΨΗΦΙΔΟΠΟΙΗΣΗΣ

Όραση υπολογιστών

Πρόκειται για τεχνολογία που ασχολείται με μηχανές που βλέπουν

και ασχολείται με την κατασκευή συστημάτων που αποκτούν

πληροφορίες από εικόνες. Κύρια χαρακτηριστικά και δυνατότητές

της είναι οι εξής:• Αναγνώριση: δηλαδή ο καθορισμός για το αν βρίσκεται κάποιο

συγκεκριμένο αντικείμενο στην εικόνα ή όχι.• Κίνηση: μελέτη της διαδοχής των εικόνων για την παρατήρηση

της κίνησης και τον υπολογισμό της ταχύτητας ενός αντικειμένου.• Ανακατασκευή εικόνων: με λήψη πολλαπλών εικόνων ενός

αντικειμένου με κατάλληλους μετασχηματισμούς μπορούμε να έχουμε ένα τρισδιάστατο μοντέλο του αντικειμένου.

Εφαρμογές

• Επεξεργασία ιατρικών εικόνων• Έλεγχος της παραγωγής στη βιομηχανία• Στρατιωτικές εφαρμογές• Καθοδήγηση ή υποβοήθηση αυτόνομων

οχημάτων• Παρακολούθηση χώρων• Ψηφιακή φωτογραφία και επεξεργασία εικόνας

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ• http://en.wikipedia.org/

• http://hubel.med.harvard.edu/bcontex.htm• http://paskalis.net/colours-c.php• http://optics-optometry.blogspot.com/• http://www.rhodes.aegean.gr/sxedia/

grafdaskalou/anatomy/sub1/seeing/eyestructure.htm

• http://www.colormatters.com/vision.html• http://www.howstuffworks.com/eye.htm• Σημειώσεις βιοφυσικής (Μακροπούλου Μυρσίνη)