...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 22

Как практически осуществляют двоичное кодирование изображения? Ведь не разбивают же фотографию на такие, прямо скажем, микроскопические клеточки вручную? Впрочем, если мы преодолеем эту трудность, то сразу же столкнемся с другой: к какой разрешенной градации следует отнести яркость той или иной клеточки.

Чтобы автоматизировать процедуру двоичного кодирования изображения, необходимо научиться выделять из него отдельные элементы и измерять их яркость. Давайте посмотрим, как это делает такой "естественный" прибор, как человеческий глаз.

Вопрос о том, как устроен человеческий глаз, волновал людей еще в глубокой древности. Им интересовались такие крупные философы и мыслители, как Демокрит (V–IV вв. до н. э.), Аристотель (IV в. до н. э.), Герофил ((II в. до н. э.), Тит Лукреций Кар (I в. до н. э.) и др. Но первые достоверные физиологические данные были получены лишь в I в. н. э. талантливым представителем древней медицины Клавдием Галеном (примерно 120–201 гг. н. э.).

Сын богатого архитектора, он получил хорошее образование в области философии, математики, естественных наук, но решил посвятить себя врачебному искусству. Лечение израненных, с вывихами и переломами гладиаторов многому научило Галена и пригодилось ему позже, когда римский император Марк Аврелий сделал его придворным медиком.

Искуснейший врач своего времени, Гален положил начало общей физиологии человека и физиологии зрения, в частности. Благодаря ему человечество впервые узнало, что глаз состоит из хрусталика, радужной оболочки с отверстием (зрачком), сетчатки и зрительного нерва, связывающего сетчатку с мозгом.

Спустя несколько столетий (в IX в.) крупнейший ученый древнего Востока, физик, математик, медик Абу Али Ион аль-Хайсам (Альгацена) в своей знаменитой книге "Оптика" изложил первые научные основы зрения. Он разъяснил, что предметы посылают в глаз лучи каждой своей частицей и каждый луч возбуждает в глазу соответствующую точку хрусталика. Альгацена даже воспроизвел простейшую модель глаза: коробку с маленькой дырочкой, на задней стенке которой он получил изображения от нескольких зажженных свечек, поставленных перед дырочкой. Его наблюдения позволили сделать важный вывод: любой луч движется сквозь дырочку самостоятельно, не мешая другим.

Оба ученых — и Гален, и Альгацена — ошибочно приписывали хрусталику роль светочувствительного элемента. Только в 1851 г. немецкому физиологу Г. Мюллеру удалось на опытах с лягушками доказать, что эту функцию выполняет сетчатка глаза. Другой немецкий физиолог И. Кюнс проделал такой опыт: на неподвижный глаз кролика, долго находящегося в темноте, он отбросил изображение светового окна с темным переплетом. Когда через некоторое время он извлек из глаза сетчатку, на ней достаточно ясно было видно изображение окна. Получилась живая фотография!

Глаз часто сравнивают с фотоаппаратом: хрусталик — это объектив, фокусирующий изображение на сетчатку; зрачок — диафрагма, сужающаяся при большой освещенности предмета и расширяющаяся при малой: сетчатка — фотопленка, на которой фиксируется изображение предмета. Конечно, сходство здесь чисто внешнее, процессы, которые происходят в сетчатке глаза, на самом деле гораздо сложнее процессов, происходящих в фотопленке.

Сетчатка глаза состоит из множества светочувствительных элементов, или, как их называют, фоторецепторов — палочек и колбочек, соединенных с окончаниями волокон зрительного нерва. Два элемента изображения воспринимаются отдельно, если они попадают на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка присоединена к отдельному окончанию нервных волокон. С помощью этих колбочек различаются мелкие детали изображения. Палочки подсоединяются к окончаниям нервных волокон группами и позволяют судить о яркости данного участка изображения. Следовательно, любое изображение, сфокусированное хрусталиком на сетчатку, разбивается на отдельные элементы. При различной яркости этих элементов по-разному раздражаются нервные окончания и в них возбуждаются биотоки различной силы. По волокнам зрительного нерва (этого удивительного, состоящего почти из 150 млн "проводов" природного "кабеля связи") биотоки передаются в мозг.

Человек постоянно учится у природы, копирует ее, стремится превзойти ее наивысшие достижения. Так были созданы "искусственная гортань" и "искусственное ухо". Сейчас во многих устройствах автоматики и связи успешно трудится "искусственный глаз" — фотоэлемент, который служит для преобразования яркости света в электрический ток. Например, фотолюбителям знаком прибор, определяющий экспозицию при съемке, — фотоэлектрический экспонометр. Направляя его "глаз" на объект съемки, можно измерить яркость отраженного от объекта света. Свет, попадая на катод фотоэлемента, выполненный из специального светочувствительного материала, выбивает из него электроны. В цепи фотоэлемента появляется электрический ток: чем ярче свет, тем больше ток.

Итак, яркость элемента изображения можно измерить с помощью "электронного глаза" — фотоэлемента. Как вы помните, в изображении размером всего лишь со спичечный коробок насчитывается до 200000 таких элементов. Ясно, что измерить яркость каждого из них с помощью своего собственного фотоэлемента, как это делается в глазу человека, лишено всякого смысла. Как же быть?

Обратите внимание на то, как вы читаете эту книгу. Ваши глаза скользят по строке слева направо, затем вы переходите к началу другой строки и т. д. до конца страницы. Словом, вы "просматриваете" все элементы строки (буквы, знаки препинания) последовательно. Можно сказать, что при чтении книги происходит построчная развертка текстового изображения.

Именно по такому принципу "просматривает" изображение "электронный глаз" в современных факсимильных (от латинских слов facsimile — делай подобное) аппаратах, предназначенных для передачи на расстояние различного рода изображений — документов, чертежей, рисунков, фотографий и др. Для этого с помощью источника света и системы оптических линз формируют световое пятно, сфокусированное так, чтобы освещать на передаваемом изображении площадку размером не более 0,1х0,1 мм. Это световое пятно перемещается сначала вдоль одной строки, затем переходит на другую и движется по ней — и так до конца последней строки. Свет, отражаясь от каждой элементарной площадки, попадает на фотоэлемент и вызывает ток. Его сила зависит от яркости отраженного света, а последняя — от яркости освещенной площадки. Таким образом, при переходе светового пятна на изображении от одной элементарной площадки к другой ток в цепи фотоэлемента меняется пропорционально яркости площадок: мы получаем точную электрическую копию изображения!

Теперь представьте, что с помощью такого вот "электронного глаза" мы рассматриваем изображение, состоящее только из двух цветов: черного и белого. Очевидно, каждый элемент изображения (напомним, что размером он всего 0,1х0,1 мм) будет представлять собой либо черную, либо белую площадку, напоминая чередованием шахматную доску. Черные площадки практически полностью поглощают падающий на них свет. Яркость отраженного ими света при этом настолько ничтожна, что при просмотре черных площадок ток в цепи фотоэлемента не возникает. Отсутствие тока (нулевое его значение) удобно обозначить цифрой 0. Наоборот, площадки белого цвета почти полностью отражают падающий на них свет, и при попадании на них светового луча ток в цепи фотоэлемента скачком принимает максимальное значение. Обозначим сто цифрой 1. Таким образом, перемещая световое пятно, а вслед за ним и наш "искусственный глаз" вдоль каждой строки изображения, получаем на выходе фотоэлемента последовательность импульсов, которая есть ничто иное, как двоичный цифровой код изображения. Этот код можно либо поместить в электронную память, либо передать по линии связи.