Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Хабр доступен 24/7 благодаря поддержке друзей
Комментарии 22
В результате прохождения светового потока через диафрагму, волны высоких частот (с более короткими длинами волн) проходят через препятствие, а волны низких частот (с более длинными длинами волн) отсекаются экраном.Термин «длина волны» относится к излучению («красный цвет длинноволновее синего»). Здесь он не только неуместен, но и мешает пониманию: диафрагма, разумеется, одинаково закрывает и красный, и синий спектр. В вашем случае надо говорить про гармоники Фурье-преобразования.
световой поток в фокальной плоскости системы представляет собой Фурье-преобразование исходного изображенияТут вы просто путаете читателей. В вашей системе две линзы (грубо говоря, объектив и окуляр). Поэтому это не «Фурье-преобразование исходного изображения», а два преобразования: прямое и обратное.Естественно, можно обойтись одной линзой. Но тогда объект и его изображение будут не в фокальных плоскостях линз, а подальше. В этом случае Фурье-преобразования в лоб не работают.
Ну и напоследок — ваши алгоритмы будут давать артефакты из-за края диафрагмы. Фурье-образ резкого изображения зашумлен гармониками, вспомните дискретное Фурье-преобразование ступеньки. (В реальном фотоаппарате этого нет, т.к. нет дискретности). Чтобы избавиттся от этого, обычно берут гауссову диафрагму.
Спасибо за комментарий. Несомненно и Вы правы, но не забывайте что теория света — это и есть корпускулярно-волновая теория электромагнитного излучения, и, что любая теория, как бы хорошо она не описывала реальный мир, продолжает оставаться всего лишь теорией.
Говоря о волнах, проходящих через диафрагму, например в фотоаппаратуре, или огибающих препятствие, как например наблюдается у радиоволны, явления как изначально были объяснены термином длина волны, так этот термин сохранился до сих пор.
Связь длины волны с частотой установлен формулой l*f=c, где l — длина волны, f-частота, с — скорость света.
Да, я привёл пример телескопической системы из двух линз, но это ни в коей мере не должно путать — считать исходное и наблюдаемое изображения как бесконечно удалённые, тогда указанная точка будет являться именно фокальной точкой для обеих линз, хотя размещение диафрагмы не обязательно должно быть именно в фокальной плоскости — это лишь методика для упрощения расчётов.
Говоря о волнах, проходящих через диафрагму, например в фотоаппаратуре, или огибающих препятствие, как например наблюдается у радиоволны, явления как изначально были объяснены термином длина волны, так этот термин сохранился до сих пор.
Связь длины волны с частотой установлен формулой l*f=c, где l — длина волны, f-частота, с — скорость света.
Да, я привёл пример телескопической системы из двух линз, но это ни в коей мере не должно путать — считать исходное и наблюдаемое изображения как бесконечно удалённые, тогда указанная точка будет являться именно фокальной точкой для обеих линз, хотя размещение диафрагмы не обязательно должно быть именно в фокальной плоскости — это лишь методика для упрощения расчётов.
Размещение диафрагмы не обязательно должно быть именно в фокальной плоскости — это лишь методика для упрощения расчётов.
Размещая диафрагму не в фокальной плоскости мы как раз и получаем диафрагму с коэффициентами пропускания по-гауссу.
Более сложные модели — применение не диафрагмы, а некого транспаранта, реализующего сложную функцию. В результате появляется возможность вычисления корреляции функций. Пример такого тоже есть в указанной библиотеке — поиск позиции фрагмента изображения в полном изображении — но я не включал в данную статью.
По адресу github.com/dprotopopov/FFTTools доступны исходники программ-примеров. Можете поэкспериментировать. Лично я был удовлетворён полученными результатами.
Размещая диафрагму не в фокальной плоскости мы как раз и получаем диафрагму с коэффициентами пропускания по-гауссу.
Более сложные модели — применение не диафрагмы, а некого транспаранта, реализующего сложную функцию. В результате появляется возможность вычисления корреляции функций. Пример такого тоже есть в указанной библиотеке — поиск позиции фрагмента изображения в полном изображении — но я не включал в данную статью.
По адресу github.com/dprotopopov/FFTTools доступны исходники программ-примеров. Можете поэкспериментировать. Лично я был удовлетворён полученными результатами.
Еще раз: термину «длина волны света» под пару сотен лет и не вам его менять. Если бы диафрагма «не пропускала длинные волны», то фотографии с закрытой диафрагмой были бы синими. Это не говоря о том, что вы путаете «длинноволновые» и «коротковолновые» гармоники (ВЧ находятся на периферии, НЧ и DC — в центре).
телескопической системы из двух линзВаш алгоритм соответствует не телескопу, а микроскопу (я надеюсь, вы видите разницу), и бесконечно удаленных изображений там нет:
исходное и наблюдаемое изображения как бесконечно удалённые
Ваш алгоритм соответствует не телескопу, а микроскопу
Да, я знаю разницу, но даже приведённая Вами схема — всего лишь схема для объяснения теории прохождения лучей в классической теории, а не в волновой теории.
Наблюдаемые явления именно подавления красных и фиолетовых частей спектра при прохождении через оптическую систему с диафрагмой или препятствием именно и послужили дальнейшему переходу от классической теории к волновой.
На самом деле линза не делает ни прямого, ни обратного преобразования Фурье. Она просто пропускает и преломляет свет. Но то что это может быть описано математическими формулами — это тот бонус который позволяет использовать линзу как калькулятор.
На самом деле линза не делает ни прямого, ни обратного преобразования Фурье.
А точнее к наблюдаемому физическому явлению — прохождению света через оптическую систему (как в данном на примере) можно сопоставить математическую модель, описываемую формулами:
T(FT(X))=T(FT(Y)), где в качестве FT может быть выбрана одна из пары функций. которые называют прямым и обратным преобразованиями Фурье, и которые различаются с точностью до знака у аргумента.
T(FT(X))=T(FT(Y)), где в качестве FT может быть выбрана одна из пары функций
а T — функция-транспарант, которая в случае простого физического отверстия-диафрагмы является функцией смешения фазы комплексного числа в области отверстия (то есть комплексные значения чисел длины 1), либо подавление амплитуды сигнала (то есть комплексные числа длины 0).
При этом для терминологии применяемой к физическому объекту-реальной оптической системе не надо путать пространственную частоту/длину волны с линейной частотой/длиной волны.
И наоборот, для построенной математической модели, где используются дискретные вычисления, можно спокойно объединить понятия пространственных и линейных частот с понятием координаты пикселя на транспаранте.
а T — функция-транспарант, которая в случае простого физического отверстия-диафрагмы является функцией смешения фазы комплексного числа в области отверстия (то есть комплексные значения чисел длины 1), либо подавление амплитуды сигнала (то есть комплексные числа длины 0).
При этом для терминологии применяемой к физическому объекту-реальной оптической системе не надо путать пространственную частоту/длину волны с линейной частотой/длиной волны.
И наоборот, для построенной математической модели, где используются дискретные вычисления, можно спокойно объединить понятия пространственных и линейных частот с понятием координаты пикселя на транспаранте.
Диафрагма (иногда используют термин апертура) подобна зрачку человеческого глаза; лепестки диафрагмы объектива открывают и закрывают отверстие диафрагмы, регулируя количество света, проходящего через объектив. Чем больше лепестков, тем более округлую форму имеет действующее отверстие объектива, что способствует смягчению фокуса и даёт более красивый эффект. Соответственно, если количество лепестков уменьшается, светлые участки приобретают форму многоугольника.
Величина, указанная на ободе объектива (F1.4, F2, F2.8 и т. д.), обозначает величину относительного отверстия диафрагмы и называется диафрагменным числом или f.
Чем меньше диафрагменное число, тем больше раскрыта диафрагма и больше света она пропускает. Чем больше диафрагменное число, тем меньше действующее отверстие диафрагмы и меньше количество проходящего через неё света. Когда диафрагма раскрыта максимально, это положение называется открытая диафрагма. Термином закрытая диафрагма обозначают, соответственно, самый маленький размер действующего отверстия диафрагмы.
Величина, указанная на ободе объектива (F1.4, F2, F2.8 и т. д.), обозначает величину относительного отверстия диафрагмы и называется диафрагменным числом или f.
Чем меньше диафрагменное число, тем больше раскрыта диафрагма и больше света она пропускает. Чем больше диафрагменное число, тем меньше действующее отверстие диафрагмы и меньше количество проходящего через неё света. Когда диафрагма раскрыта максимально, это положение называется открытая диафрагма. Термином закрытая диафрагма обозначают, соответственно, самый маленький размер действующего отверстия диафрагмы.
Одна из основных задач фотографа — сфокусироваться на объекте. Выражение «объект в фокусе» означает, что определённая точка на объекте чётко снята камерой. В действительности, в фокусе также оказывается область непосредственно перед точкой фокуса и за ней. Эта область фокуса, или резкости, называется глубиной резкости.
Если область перед точкой фокусировки и за ней маленькая, глубина резкости считается малой. Если эта область большая, то и глубина резкости считается большой. Степень глубины резкости регулируется размером действующего отверстия диафрагмы.
Когда диафрагма объектива раскрывается, глубина резкости уменьшается, а когда диафрагма закрывается, глубина резкости увеличивается.
Если область перед точкой фокусировки и за ней маленькая, глубина резкости считается малой. Если эта область большая, то и глубина резкости считается большой. Степень глубины резкости регулируется размером действующего отверстия диафрагмы.
Когда диафрагма объектива раскрывается, глубина резкости уменьшается, а когда диафрагма закрывается, глубина резкости увеличивается.
И вдогонку. В целом такая Фурье-обработка изображений (прямое — обработка — обратное) применяется очень широко. Интересны два момента:
1. Фурье-преобразование — комплексное, то есть дает информацию и об амплитуде, и о фазе света. Это сразу открывает простор для фазовой микроскопии, голографии и подобных применений.
2. Фурье-преобразование дает нам гармоники. То есть можно выбирать нужные из них, отсеивая шум с определенной частотой, DC компоненты и всякое такое. Например, при голографии используются две волны: сигнальная и опорная. Вместе они дают полезный сигнал (широкополосный) + шумовую фоновую интерференцию (узкополосную, т.е. после Фурье-преобразования это маленький кружок). Меняя угол между двумя волнами, можно менять положение маленького кружка, чтобы увести его от полезного сигнала и там отфильтровать. После обратного преобразования получим всю картину, но без вредной интерференции.
Более детально эту тему нужно гуглить по словам «цифровая голография» (digital holography, digital off-axis holography), какие-то обзоры есть тут и тут.
1. Фурье-преобразование — комплексное, то есть дает информацию и об амплитуде, и о фазе света. Это сразу открывает простор для фазовой микроскопии, голографии и подобных применений.
2. Фурье-преобразование дает нам гармоники. То есть можно выбирать нужные из них, отсеивая шум с определенной частотой, DC компоненты и всякое такое. Например, при голографии используются две волны: сигнальная и опорная. Вместе они дают полезный сигнал (широкополосный) + шумовую фоновую интерференцию (узкополосную, т.е. после Фурье-преобразования это маленький кружок). Меняя угол между двумя волнами, можно менять положение маленького кружка, чтобы увести его от полезного сигнала и там отфильтровать. После обратного преобразования получим всю картину, но без вредной интерференции.
Более детально эту тему нужно гуглить по словам «цифровая голография» (digital holography, digital off-axis holography), какие-то обзоры есть тут и тут.
JFYI: В профессиональной ретуши фотографий используется технология разложения на гармоники, но не Фурье-методом, а последовательным вычитанием из исходника размытой версии с разным радиусом размытия. На каждом band-pass-слое производится ручная или автоматизированная коррекция, которая потом склеивается снова.
Статье про изображения очень не хватает изображений.
По адресу github.com/dprotopopov/FFTTools доступны исходники программ-примеров. Можете поэкспериментировать. Лично я был удовлетворён полученными результатами.
Да, чтобы посмотреть на эффективность представленных алгоритмов, мне надо поставить винду, в ней студию и библиотеки. Собрать софт…
… и поиграть пару минут с изображениями.
Совет: для наглядности всё-таки добавьте картинки примеров, читателям будет комфортнее.
… и поиграть пару минут с изображениями.
Совет: для наглядности всё-таки добавьте картинки примеров, читателям будет комфортнее.
Хорошо. Сделаю обязательно. Но чуть попозже.
Собственно я даже немного намеренно не стал выключать картинки в текст, по той простой причине, что приведённые алгоритмы являются просто алгоритмами размытия и масштабирования изображения. Результат этих алгоритмов можно наблюдать при детальном рассмотрении, а не при рассмотрении интернет-картинки, которые в браузере ничем не будут отличатся от других графических фильтров.
Собственно я даже немного намеренно не стал выключать картинки в текст, по той простой причине, что приведённые алгоритмы являются просто алгоритмами размытия и масштабирования изображения. Результат этих алгоритмов можно наблюдать при детальном рассмотрении, а не при рассмотрении интернет-картинки, которые в браузере ничем не будут отличатся от других графических фильтров.
К тому же. как верно замечено в другом комментарии, здесь приведены программые коды для прямоугольной диафрагмы, в результате которой могут образовываться тн «ступеньки». применение в качестве функции-транспаранта, например гауссовой функции позволит удалить эти «ступеньки» и сделать размытие более плавным.
С математической точки зрения установленный в фокальной плоскости транспарант можно рассматривать как фурье-образ от некой другой функции. А значит и формула алгоритма
Z=FFT(X) – прямое двухмерное преобразование Фурье
Z′=T(Z) – применение функции или транспаранта к Фурье-образу изображения
Y=BFT(Z′) – обратное двухмерное преобразование Фурье
на самом деле является формулой
Y=X*F, где * — операция свёткки, а T=FFT(F)
С математической точки зрения установленный в фокальной плоскости транспарант можно рассматривать как фурье-образ от некой другой функции. А значит и формула алгоритма
Z=FFT(X) – прямое двухмерное преобразование Фурье
Z′=T(Z) – применение функции или транспаранта к Фурье-образу изображения
Y=BFT(Z′) – обратное двухмерное преобразование Фурье
на самом деле является формулой
Y=X*F, где * — операция свёткки, а T=FFT(F)
Совет: для наглядности всё-таки добавьте картинки примеров, читателям будет комфортнее.
Добавил пару скришотов
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Фурье-обработка цифровых изображений