CAD II přednáška č. 1

CAD II – přednáška č. 1 Vnímání okolního světa FSI VUT v Brně

Konstrukční inženýrství

Oko je velmi citlivý a komplikovaný orgán. Všechny jeho části velice úzce spolupracují, aby zprostředkovaly vnímání obrazu. A jsou to oči a zejména mozek, orgány, které nám dokáží přiblížit okolní svět, ale i klamat a lhát. Poznáním funkce „vstupního rozhraní“ pochopíme možnosti lidského vnímání a oceníme důmysl a vynalézavost samotné matky přírody. Z těchto poznatků pak čerpá celá řada oborů. Např. lékařství a medicína, fotografie, počítačová grafika, filmový průmysl, reklama a další.



Anatomie lidského oka • Lidské oko je první částí řetězce vidění. • Má jednoduchý objektiv o 2 členech - rohovka (cornea) je vnější člen a čočka (lens) vnitřní. • Množství světla vstupující do oka, je řízeno duhovkou (clonou, iris). • Světlo se šíří průhledným sklivcem (vitreous humor) a na světlocitlivé sítnici (retina) vytváří otočený obraz.


Anatomie lidského oka Rohovka • Rohovka je nejdůležitější lidské světlolomivé médium. • Tloušťka pouze 0,5 mm. • Více vrstev, z nichž je každá funkčně nepostradatelná. • Velmi citlivá součástí lidského těla. • Nepatrné podráždění cizím tělesem vede k slzení. Skléra (bělima) • Skléra je bělavá povrchová vrstva oka, na kterou se upínají okohybné svaly. Komorová voda • Tekutina, která vyplňuje oční komory. Duhovka • Duhovka slouží jako clona, která pomocí svého kruhovitého svalu při ostrém světle zmenší zornici a v tmavém prostředí naopak zornici rozšíří.




Anatomie lidského oka Čočka • Čočka (lens crystalina) je nehomogenní těleso tvaru dvojvypuklé čočky z tuhé, rosolovité, dokonale průhledné hmoty. • Je asi 4 mm silná, povrchové části mají index lomu 1,38 - vnitřní části 1,41. • Oční čočka se při pohledu na různé vzdálenosti více či méně zakřivuje (akomoduje). • Při pohledu na blízké předměty se zakřivuje více, při pohledu do dálky se zakřivuje málo, nebo vůbec. Zakřivením čočka mění svoji lomivost. • Během života přibývají na čočce vrstvy, které s přibývajícím stářím tvrdnou a snižují akomodaci oka. • Optická mohutnost samotné čočky je 18 D. Po šedém zákalu se vyjmutá čočka může nahradit spojkou o optické mohutnosti minimálně 15 D.



Anatomie lidského oka

Zjednodušené schéma struktury sítnice.



Anatomie lidského oka Sklivec • Největší část lidského oka • Průhledná, rosolovitá hmota • Sklivec zachovává kromě jiného oku jeho tvar a dále slouží pro fixaci sítnice na cévnatce. Sítnice • Sítnice je světlocitlivá část oka a odpovídá CCD/CMOS senzoru • Sítnice vyrovnaná do plochy tvoří kruh Ø cca 42mm • Sítnice je tvořena světlocitlivými buňkami - cca 130 miliony tyčinek (rods) a 7 miliony čípků (cones) • 137 megapixelový foťák! • Čípky jsou méně citlivé, dokáží rozlišovat barvu. Naproti tomu tyčinky jsou velmi citlivé "černobílé". Proto my lidé v šeru vidíme jen černobíle.



Anatomie lidského oka Cévnatka • (choroidea) je pigmentová vrstva, vyživující cévy na vnitřní straně bulbu – tvoří 2/3 vnitřní zadní stěny koule. • Zabraňuje rozptylu světelných paprsků uvnitř oka. • Cévnatka vpředu pokračuje jako tzv. řasnaté těleso. • Od jeho okrajů vybíhají tenká vlákna připojující pouzdro čočky. •

•

Smrštěním svalu povolí tah vláken a čočka se vlastní pružností vyklene. Při uvolnění svalu čočka zploští. Tím se mění její optická mohutnost a ohnisková vzdálenost. Vyživovací funkce.


Žlutá skvrna • • • • •

Místo na sítnici o průměru cca 0,2-0,5 mm. Nachází se na ose oka a je to místo nejostřejšího vidění Na 1 mm2 asi 150 000 čípků (odpovídá rozlišení asi 10 000 dpi!) Velmi málo tyčinek. Žlutá skvrna slouží k ostrému a barevnému dennímu vidění, každý čípek ve žluté skvrně má svůj vlastní optický nerv (vlákno).




Anatomie lidského oka Optický nerv • Optický nerv je součástí mozku, je to párový senzorický mozkový nerv. Vede jednotlivé impulsy ze sítnice do mozku. Sítnice • Sítnice je světlocitlivá část oka a odpovídá CCD/CMOS senzoru • Sítnice vyrovnaná do plochy tvoří kruh Ø cca 42mm • Sítnice je tvořena světlocitlivými buňkami - cca 130 miliony tyčinek (rods) a 7 miliony čípků (cones) • 137 megapixelový foťák! • Čípky jsou méně citlivé, dokáží rozlišovat barvu. Naproti tomu tyčinky jsou velmi citlivé "černobílé". Proto my lidé v šeru vidíme jen černobíle.



Anatomie lidského oka • •

•

Akomodace je změna vyklenutí čočky, a tedy její optické mohutnosti. Akomodované oko na dálku má ohniskovou vzdálenost 0,017 m a optická mohutnost 58,8 D. Optická mohutnost rohovky je 42 D, čočky 18 D a kapalin (komorové vody, sklivce) 2–3 D. Akomodací na blízko se může zvětšit mohutnost u 10letého až o 15 D. Tato akomodační šíře činí u 45letého už jenom 4 D a u 60letého nejvýše 1 D. S přibývajícím věkem tedy klesá.



Co vidíme? • • • •

Barva každého nesvítícího objektu je určena tím, jaká barva světla (jaké spektrum světla) na něj dopadá, jaké vlnové délky objekt odráží a jaké pohlcuje. Tím objekt specificky a jednoznačně mění spektrum odraženého světla, což my lidé chápeme jako jeho barvu. Oko potom vidí pouze ty vlnové délky, které obsahovalo dopadající světlo a které objekt odrazil (nepohltil). Bílé světlo obsahuje všechny vlnové délky a žlutá květina pozorovaná v bílém světlo odráží tedy jen "žluté" vlnové délky (kolem 580 nm) a ostatní pohlcuje. Žlutá květina pozorovaná v modrém světle by se jevila černá (modrou prostě neodráží).



Technické parametry lidského oka

Světlocitlivá buňka Čípky

Tyčinky

Dominantní umístění Žlutá skvrna Periferní část sítnice

Účel

Citlivost

Špička[nm]

Jasová a barevná detekce

Červená

564

Jasová a barevná detekce

Zelená

533

Barevná detekce

Modrá

437

Periferní a noční vidění

Zelenámodrá

498

Lidské světlocitlivé buňky a jejich “parametry".


Technické parametry lidského oka




Technické parametry lidského oka • • •

Oko dokáže několik desítek milionů barev Vedle "černobílých" tyčinek obsahuje sítnice 3 druhy čípků - každý druh s jiným světlocitlivým pigmentem reaguje na jinou barvu (vlnovou délku světla). Červené čípky reagují zejména na červeno-žlutou barvu, zelené reagují zejména na zeleno-žlutou a modré na modro-fialovou barvu.

Relativní spektrální citlivost čípků



Technické parametry lidského oka • •

Zorné pole jednoho oka je 130° ve vertikálním a 160°–164° v horizontálním směru (od -60° do +104° je to dáno nosem a očnicí). Při binokulárním vidění (při pohledu oběma očima) je zorné pole od -104° do +104°



CCD snímač •

• •

Před každý element je vložen barevný filtr (viz. obrázek). Z praktických důvodů se elementy skládají do čtveřic, takže jeden barevný filtr musí být zastoupen dvakrát - volba daná praxí padla na zelený. A co se tedy stane nyní, když začne světlo dopadat na CCD prvek? Projde filtrem před každým elementem. Modrý filtr propustí modrou část spektra a odrazí červenou a zelenou, červený a zelený si povedou analogicky. Opět tedy dojde k pohlcení fotonů a získání elektrického náboje, ale jeho velikost nezávisí jen na intenzitě dopadajícího světla, ale také na barevném složení!



CCD snímač • •

• •

Skutečnou barvu daného pixelu dostaneme matematickou interpolací barev z jednotlivých elementů. Nejčastěji se používá 24-bitová barevná hloubka. Tento údaj znamená, že na každou ze tří barev (červená, zelená, modrá) připadá osmibitová informace. Což znamená dvě na osmou - 256 odstínů dané barvy. Jejich složením (interpolací) pak dostáváme 256 x 256 x 256, tj. 16 777 216 barevných odstínů, což postačuje ke kvalitnímu zachycení reality. Vždy se vezme čtveřice elementů, která určí barvu jednotlivého pixelu. V našem případě dá první čtveřice hodnoty R=180, G=200, B=200 = šedá. U druhé čtveřice provedeme složení analogicky a dostaneme barvu žlutohnědou.



CCD snímač • • • •

Dosavadní čipy pro digitální fotoaparáty a videokamery jsou tvořeny skupinami elementů s jednotlivými barevnými filtry. Informace o barvě je pak interpolována pro sousední elementy, citlivé na zbývající dvě barvy. Čip Foveon X3 interpolaci barev provádět nemusí, neboť je na každé pozici pixelu získána kompletní barevná informace, podobně jako u klasického filmu. Čip je třívrstvý (viz. obrázek) a pro separaci barev nepoužívá barevných filtrů, ale optických vlastností křemíku. Křemík pohlcuje barevné spektrum podle toho, jak silná je jeho vrstva. Nejvíce je pohlcována modrá složka barevného spektra, méně zelená a nejméně červená (viz. schematický nákres). Díky tomuto řešení se kromě známé barevné charakteristiky získává podstatně větší barevné rozlišení obrazu.



Vady lidského oka DALEKOZRAKOST (hypermetropie) • Oko vytváří obraz blízkých předmětů až za sítnicí • Dalekozraké oko má buď čočku s malou lámavostí, nebo je oční koule příliš krátká. • Dalekozrakost se odstraňuje vhodnou spojkou, která zajistí, aby se paprsky z blízkých předmětů sbíhaly přesně na sítnici a vytvořily na ní ostrý obraz. KRÁTKOZRAKOST • U krátkozrakého (myopického) oka se obraz vzdálených předmětů vytvoří už před sítnicí. • Blízké předměty se zobrazují na sítnici ostře • Krátkozraké oko má buď čočku s velkou lámavostí, nebo je oční koule příliš dlouhá. • Krátkozrakost se odstraňuje vhodnou rozptylkou, která rozšíří svazek paprsků tak, aby se sbíhaly na sítnici a vytvořily na ní ostrý obraz vzdálených předmětů.



Vady lidského oka • • • • • •

astigmatismus - jedná se o jednu z nejběžnějších očních vad, většinou je však poměrně malá. Astigmatismus je způsoben nepravidelností čočky a odstraňuje se cylindrickými čočkami barevná vada - paprsky různých barev se nesbíhají všechny v jednom bodě. Tato vada obvykle uniká pozornosti, protože citlivost sítnice je pro barvy z okraje spektra mnohem menší než pro světlo žlutozelené otvorová vada - projevuje se zejména při pozorování jasně svítících bodů: jasná plocha se zdá větší než stejná plocha méně osvětlená barvoslepost - porucha vnímání barev, nelze ji léčit, ale většinou nezpůsobuje vážnější problémy zelený zákal - bolestivý tlak očního moku vede k neostrému vidění, při operačním léčení se dnes používá laser šedý zákal - čočka se zakalí a člověk vidí, jako by se díval přes pomalu zamrzající okno. Nemoc se dnes léčí nahrazením poškozené čočky tenkou umělou čočkou



Klam

Afterimage. Budete-li se dívat upřeně asi 30 vteřin na bílý bod uprostřed barevného čtverce a po té se podíváte na černý bod uprostřed bílého čtverce, uvidíte chvíli barevné čtverce v komplementárních barvách.



Klam

Machovy pruhy. Kontrast podél náhlých přechodů (hran) se oku jeví větší, než ve skutečnosti je. Díky tomuto efektu vypadá levá strana každého pruhu světlejší než pravá, ačkoli celý pruh je ve skutečnosti stejně tmavý.



Slovníček pojmů • • • • • • • • •

Akomodace - přizpůsobení oka na blízké či vzdálené předměty zploštěním nebo vyklenutím čočky. Daltonismus - barvoslepost. Glaukom - zelený zákal způsobený zvýšeným tlakem v oku. Hypermetropie - dalekozrakost. Katarakta - zákal čočky. Myopie - krátkozrakost. Presbyopie - stařecká dalekozrakost. Refrakce - změna směru světelného paprsku při průchodu z jednoho průhledného prostředí do druhého. Retina - sítnice.



Děkuji za pozornost

Sestavil Paloušek, 2005



Zdroje • • • •

http://demos.webpark.cz/oko1.htm http://stoplusjedna.newtonit.cz/stare/200307/so07a00b.asp http://www.paladix.cz/clanky/barevne-videni-druhy-pohled.html http://www.high-techdigital.com/integration/Camera_t_1.htm

CAD II přednáška č. 1

Recommend Documents