Дискретизация

Информация о материале
Категория: Оппонентно-цветовое кодирование изображений
Опубликовано: 19.05.2023 18:29
Автор: Павел Варгин

Глаз представляет собой многоэлементный приёмник излучения (МПИ). Такие приёмники хорошо известны в технике как матричные фотоприёмники (МФП) и их даже называют приёмниками «смотрящего типа» [11]. Элементы МПИ преобразуют световой сигнал в электрический, при этом элементы глаза (фоторецепторы) и элементы МФП (сенсели) принципиально различаются. Фоторецепторы обладают индивидуальной адаптацией к свету, а сенсели не обладают. Адаптация исключает насыщение фоторецептора при большой экспозиции, но приводит зрение к серому «пустому полю», при неподвижном изображении на сетчатке.  Отсутствие адаптации может приводить сенсели в состояние насыщения при большой экспозиции, т. е. к «белому полю» на экране вместо изображения.

Для исключения «пустого поля» служат движения глаз, обеспечивающие изменения электрических сигналов фоторецепторов вблизи перепадов яркости деталей изображения. Это позволяет выделить контуры изображения для передачи их в мозг благодаря оппонентной структуре рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки.

Для исключения «белого поля» электрические сигналы сенселей должны периодически считываться, не допуская насыщения сенселей. Считывание производится обычно последовательно сенсель за сенселем, но может осуществляться и параллельно для реализации режима затвора матрицы.

Общим свойством МПИ является пространственная дискретизация изображения, которая, являясь нелинейной операцией, может приводить к появлению в его составе новых пространственных частот. Хорошо известны появляющиеся в этом случае характерные искажения изображения в виде муаров. Появление ложных пространственных частот (алиасинг) особенно заметно при наблюдении периодических текстур с высокой пространственной частотой, сравнимой с частотой дискретизации. Появляющаяся низко­частотная структура вызвана «биением» исходных пространственных частот. Для снижения негативного эффекта дискретизации используются различные методы, учитывающие требования теоремы Котельникова (Найквиста) [12]. К числу таких методов относятся:

субдискретизация – увеличение числа элементов изображения (пиксе­лей) на приёмной стороне;

фильтрация – подавление высоких пространственных частот исходного изображения.

В [11] описана процедура «микросканирования» – искусственного приведения в движение оптического изображения на МПИ с помощью вращающихся прозрачных наклонных плоскопараллельных пластин. При этом оптическое изображение не вращается, а только непрерывно сдвигается по круговой орбите. Диаметр орбиты изображения при треморе глаз [2] и микросканировании [11] составляет около половины межэлементного расстояния. Такой сдвиг позволяет удвоить разрешение дискретного изображения по вертикали и горизонтали при его воспро­изведении. Для этого следует на воспро­изводящей сетке увеличить частоту дискре­тизации, образуя субпиксели, и комму­тировать поочередно субпиксели на вклю­чение синхронно с вращением оптического изображения. При этом на прямоугольной сетке в цикле коммутации задействуются четыре субпикселя, а на гексагональной – три. Гексагональную сетку образуют фото­рецепторы сетчатки глаза (см. рис. 2). На рисунке 11 показан механизм субпик­селизации при гексагональной сетке.

Здесь жёлтое пятно света движется (показаны пять фаз движения) по макросетке фото­рецепторов, а на воспроизводящей микросетке три субпикселя, соответствующих одному фоторецептору на сетчатке, пере­ключаются (коммутируются) последова­тельно на приём сигнала этого фоторе­цептора синхронно с движением пятна. На воспроизводящей сетке субпикселей они все объединены в тройки так, что в каждой присутствуют субпиксели первой, второй и третьей фазы включения, раскрашенные на рисунке красным, зелёным и синим цветом, соответственно. Субпиксели сетки, окрашенные одним цветом (одной фазы), могут включаться одновременно. Фазы чередуются равномерно в каждом цикле.

Если не производить субдискретизацию коммутацией субпикселей, то при микросканировании (треморе) происходит низкочастотная фильтрация с подавлением высоких пространственных частот исходного изображения, что помогает устранить алиасинг, но с одновременным снижением чёткости изображения. Заметим, что даже при проведении субдискретизации имеет место некоторое снижение чёткости, обусловленное свёрткой исходного изображения с пространственной функцией чувствительности фоторецептора (сенселя) [12]. В заключении этого раздела необходимо сказать, что при пояснении принципа субдискретизации для упрощения мы абстрагировались от реальной сложности организации зрительной системы и, прежде всего, от свёртки фоторецепторного изображения с весовыми функциями рецептивных полей ганглиозных нейронов сетчатки. В дальнейшем мы вернёмся к реальности, но уже с пониманием содержания термина – субдискретизация.