2.5.1. Восприятие цвета

Чувствительность устройства меняется в зависимости от длины волны падающего света. Фотоны с малой энергией имеют тенденцию просто проходить сквозь материал, в то время как фотоны с очень большой энергией могут задерживаться еще до достижения чувствительного слоя. Каждый материал имеет свою характеристику зависимости квантового выхода от длины волны.

Для малого интервала длин волн обозначим через поток фотонов с длиной волны, равной или большей X, но меньшей Тогда число освобожденных электронов определяется интегралом

Если мы используем устройства с различными фоточувствительными материалами, то из-за их различной чувствительности получим разные изображения. Это может помочь при распознавании поверхностей, имеющих сходные полутоновые изображения, полученные с помощью одного устройства, но дающие различные полутоновые изображения при использовании другого. Иной путь достижения того же эффекта заключается в использовании одного и того же чувствительного материала, но помещением перед камерой фильтров, которые обладают селективным поглощением различных частей спектра. Если спектральный коэффициент пропускания фильтра составляет , то результирующий квантовый выход комбинации данного прибора с фильтром —

Сколько различных фильтров необходимо использовать? Чем больше изображений получено с помощью большего числа фильтров, тем выше способность распознавания материалов. Однако измерения коррелируют, поскольку большинство поверхностей обладает гладкой зависимостью отражательной способности от длины волны. Выгода от использования большого числа фильтров обычно невелика.

Человеческое зрение в дневное время основано на трех типах чувствительных рецепторов, называемых колбочками. Каждый из этих типов колбочек имеет особую спектральную чувствительность: одни максимально чувствительны в области длинных волн, другие — в области средних волн, третьи — в области коротких волн видимого диапазона приблизительно 400—700 нм. Кривые спектральной чувствительности заметно перекрываются. В системах машинного видения также часто употребляются изображения трех типов, полученных через красный, зеленый и синий фильтры. Однако следует отметить, что результаты имеют мало общего с цветовым восприятием человека, если только их кривые спектральной чувствительности не окажутся линейными комбинациями кривых спектральной чувствительности человека, о чем будет сказано ниже.

Рис. 2.8. (см. скан) Трехстимульные кривые, позволяющие предсказать, какие спектральные распределения окажутся неразличимыми.

Заданное спектральное распределение последовательно умножается на каждую из функций и и результаты интегрируются. Таким путем мы получаем цветовые координаты и которыми можно охарактеризовать спектральное распределение. Распределения, приводящие к одинаковым цветовым координатам; оказываются неразличимыми при последовательном сравнении.

Одним из свойств зрительной системы восприятия с малым числом чувствительных элементов, различных по своих спектральным характеристикам, является то, что разные спектральные распределения на входе могут дать один и тот же результат на выходе. Объясняется это тем, что измеряются не сами спектральные характеристики, а интегралы от их произведения со спектральной чувствительностью того или иного типа датчиков. Конечно, то же самое относится и к биологическим системам. Цвета, которые кажутся человеку неразличимыми, называются метамерическими. Ценную информацию о спектральной чувствительности человека можно получить на основе систематического изучения явления метамеризма. Результаты большого числа экспериментов по сопоставлению цветов многими испытуемыми были усреднены и использованы для расчета так называемых спектральных трехстимулъных величин или стандартных кривых наблюдения. Они были опубликованы Международной комиссией по освещению и приведены на рис. 2.8. Заданное спектральное распределение обрабатывается следующим образом. Оно по очереди умножается на каждую

из трех функций . Произведения интегрируются по всему видимому диапазону длин волн. Три результата X, Y и Z называются координатами цветности. Два спектральных распределения с совпадающими значениями этих трех величин оказываются неразличимыми, если они при контроле поставлены рядом. (Между прочим, обсуждаемые здесь спектральные распределения выражаются в единицах энергии, отнесенной к единичному интервалу длины волны, а не потока фотонов.)

Однако реальные кривые спектральной чувствительности всех трех типов колбочек подобным способом определить нельзя. Остается некоторая неопределенность. Известно, что трехстимульные кривые являются результатом фиксированных линейных преобразований этих кривых спектральной чувствительности. Однако коэффициенты преобразований точно неизвестны.

В упражнении 2.14 мы покажем, что система машинного видения с теми же характеристиками смешения цветов, что и человеческое цветовое зрение, должна иметь кривые спектральной чувствительности в виде линейных преобразований кривых спектральной чувствительности колбочек человека. Из этого в свою очередь вытекает, что кривые чувствительности системы должны быть линейными комбинациями стандартных кривых наблюдения. К сожалению, в прошлом при разработке систем восприятия цвета указанное положение редко принималось во внимание. (Необходимо отметить, что мы не имеем здесь в виду проблему восприятия цвета; нам желательно лишь иметь машину, которая не различает те же цвета, что и стандартный наблюдатель.)