Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 16 Màng cứng ảnh hồng ngoại có thể đạt đợc theo cách tơng tự theo công thức (1.7), chỉ cần thay đổi một cách đơn giản các đặc tính phổ của cảm biến đợc sử dụng. 2. Hệ thống thị giác ngời 2.1. Mắt. Hệ thống thị giác ngời là bộ phận phức tạp nhất hiện hữu. Hệ thống thị giác cho phép chúng ta tổ chức và hiểu biết nhiều phần tử phức tạp trong môi trờng quanh ta. Hầu nh với tất cả động vật, thị giác là phơng tiện để duy trì sự sống còn. Với loài ngời thị giác không chỉ là trợ giúp sự sống còn mà còn là một công cụ của t duy và phơng tiện để làm cho cuộc sống phong phú hơn. Hệ thống thị giác bao gồm mắt biến đổi ánh sáng thành tín hiệu thần kinh, và các bộ phận hữu quan của não xử lý các tín hiệu thần kinh để lấy ra thông tin cần thiết. Mắt, khởi đầu hệ thống thị giác, là một hình cầu với đờng kính khoảng 2 cm. Về mặt chức năng mà nói , thì mắt là thiết bị thu gom và hội tụ ánh sáng l ên mặt sau của nó. Hình cắt ngang của mắt đợc b iểu diễn trong hình 1.10. Tại phía trớc của mắt trông ra thế giới bên ngoài, là giác mạc cứng (cornea), một màng mỏng dai và trong suốt. Chức năng chính của giác mạc là để khúc xạ ánh sáng . Vì có hình tròn, nó hoạt động nh thấu kính hội tụ của camera. Nó chịu trách nhiệm về gần 2/3 tổng ánh sáng khúc xạ cần thiết cho việc hội tụ chính xác. Hình 1.10 . Hình cắt ngang của mắt ngời. Phía sau giác mạc có một thể dịch nớc (aqueous humour) là một dung dịch trong veo, dễ lu động. Qua giác m ạc và thể dịch nớc có thể trông thấy tròng đen Thể dịch nớc Thuỷ tinh thể trạch Dịch thuỷ tinh Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 17 (iris), còn gọi là mống mắt. Bằng việc thay đổi kích cỡ đồng tử (con ngơi), một lỗ tròn nhỏ ở giữa tròng đen, tròng đen điều khiển lợng ánh sáng vào mắt . Đờng kính đồng tử khoảng từ 1,5 mm đến 8 mm, khi tiếp xúc với ánh sáng càng chói thì đờng kính đồng tử càng thu nhỏ . Màu của mống mắt qui định màu của mắt. Khi chúng ta nói rằng một ngời có mắt xanh, thì nghĩa là mống mắt màu xanh. Màu mống mắt tạo nên sự hấp dẫn của mắt, không có ý nghĩa gì về c hức năng thị giác. Phía sau mống mắt là thuỷ tinh thể, gồm nhiều sợi trong suốt đợc bao bọc trong màng mỏng đàn hồi trong suốt, có kích thớc và hình dạng nh một hạt đậu nhỏ. Thuỷ tinh thể phát triển trong suốt thời gian sống của con ngời. Do vậy thủy tinh thể của một ngời 80 tuổi rộng hơn 50% của ngời 20 tuổi. Nh một củ hành, các tế bào thuộc lớp già nhất nằm ở trung tâm, và các tế bào thuộc lớp trẻ hơn nằm xa trung tâm. Thuỷ tinh thể có h ình dạng hai mặt lồi và chiết suất 1,4 cao hơn tất cả các phần khác của mắt mà ánh sáng đi qua. Tuy nhiên thuỷ tinh thể đợc bao bọc bởi môi trờng có chiết suất gần kề chiết suất của nó. Vì lý do này sự khúc xạ ánh sáng tại thuỷ tinh thể có góc khúc xạ nhỏ hơn nhiều so với tại giác mạc. Giác mạc có chiết suất khúc xạ 1,38 nhng nó tiếp xúc với không khí có chiết suất bằng 1. Chức năng chính của thuỷ tinh thể là hội tụ chính xác ánh sáng vào màn ảnh phía sau mắt gọi là võng mạc. Một hệ thống với thấu kính cố định và khoảng cách cố định giữa thấu kính và màn ảnh, có thể hội tụ những vật ở một khoảng cách cụ thể. Ví dụ, nếu vật ở xa hội tụ rõ nét thì vật ở gần sẽ hội tụ phía sau màn ảnh. Để có thể hội tụ vật ở gần tại một thời điểm và vật ở xa tại vài thời điểm khác, camera thay đổi khoảng cách giữa thấu kính (cố định) và màn ảnh. Đó là trờng hợp mắt của nhiều loại cá. Trong trờng hợp mắt ngời, hình dạng thuỷ tinh thể, chứ không phải là khoảng cách giữa thuỷ tinh thể và màn ảnh, đợc thay đổi. Quá trình thay đổi hình dạng để nhìn đợc cả gần và xa gọi là sự điều tiết củ a mắt. Thay đổi hình dạng là đặc tính quan trọng nhất của thuỷ tinh thể. Sự điều tiết của mắt xảy ra gần nh ngay lập tức và đợc điều khiển bởi mi mắt, một nhóm cơ bao quanh thuỷ tinh thể. Phía sau thuỷ tinh thể là thuỷ tinh dịch, là một chất trong suốt nh thạch. Nó đợc phối hợp về mặt quang học sao cho ánh sáng đã đợc thuỷ tinh thể hội tụ rõ nét rồi thì ánh sáng cứ giữ nguyên lộ trình. Thuỷ tinh dịch chứa trong toàn bộ không gian giữa thuỷ tinh thể và võng mạc, chiếm khoảng 2/3 dung tích mắt. Một tron g những chức năng của nó là để giữ nguyên hình dạng mắt. Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 18 Phía sau dịch thuỷ tinh là võng mạc, nó phủ khoảng 65% phía trong nhãn cầu. Đây là màn hình, nơi ánh sáng vào đợc hội tụ và các tế bào tiếp nhận quang chuyển ánh sáng thành tín hiệu thần kinh. Tất cả các bộ phận của mắt mà chúng ta nói đến đều phục vụ cho chức năng đặt một hình ảnh rõ nét lên bề mặt cơ quan cảm nhận. Việc ảnh đợc tạo ra trên võng mạc, và mắt chỉ đơn giản là một thiết bị nhận ảnh, mãi đến tận đầu thế kỷ 17 ngời ta mới biết. Ngay cả thời Hy Lạp cổ đại đã biết cấu trúc của mắt một cách chính xác và đã tiến hành phẫu thuật mắt khá tinh vi cũng chỉ lập luận rằng có những tia tơng tự ánh sáng (light -like) phát ra từ mắt đập vào vật và làm nó có thể thấy đợc. Cuối cùng sự thật xuất hiệ n, năm 1625 Scheiner chứng minh đợc rằng ánh sáng thâm nhập vào mắt và sự nhìn bắt nguồn từ ánh sáng thâm nhập vào mắt. Tách và và đem trơng võng mạc của động vật và nhìn nó từ phía sau, ông đã thấy đợc ảnh lập lại rất nhỏ của những vật trớc nhãn cầu. Có hai loại tế bào cảm nhận ánh sáng trong võng mạc. Chúng đợc gọi là tế bào hình nón và hình que. Hình nón, với số lợng khoảng 7 triệu, kém nhậy sáng hơn hình que và chủ yếu là để nhìn ban ngày. Chúng cũng có trách nhiệm cảm nhận màu sắc. Có ba loại hình nón theo thứ tự nhậy nhất với ánh sáng đỏ, lục và lam. Đây là cơ sở sinh lý học định tính của việc biểu diễn ảnh màu với ba ảnh đơn sắc đỏ, lục và lam. Hình que, số lợng khoảng 120 triệu, nhậy sáng hơn hình nón và về cơ bản để nhìn ban đêm. Vì hình nón chịu trách nhiệm cho ảnh màu không phản ứng khi ánh sáng tù mù, nên chúng ta không thể thấy màu trong bóng tối. Tế bào hình que và hình nón phân bổ khắp võng mạc. Tuy nhiên sự phân bố của chúng không đều. Sự phân bố của tế bào hình que và hình nón trong v õng mạc đựơc biểu diễn trong hình 1.11. Ngay phía sau điểm chính giữa con ngơi có một chỗ trũng trên võng mạc, gọi là điểm vàng (fovea). ở đó tập trung đa số tế bào hình nón và hoàn toàn không có tế bào hình que. Do đó, đây là vùng nhìn rõ nhất trong ánh sáng trắng. Khi ta nhìn thẳng vào một vật phía trớc, vật đợc hội tụ trong điểm vàng (fovea). Vì điểm vàng (fovea) rất nhỏ, ta thờng xuyên di chuyển sự chú ý từ vùng này sang vùng khác, khi xem xét một vùng rộng hơn. Tế bào hình que, hoạt động tốt nhất khi trời tối, đợc tập trung ở vùng xa điểm vàng (fovea). Vì không có tế bào hình que trong điểm vàng (fovea), nên một vật hội tụ trong điểm vàng (fovea) không thể thấy đợc trong bóng tối. Do đó ban đêm để thấy một vật, vào ta phải nhìn hơi nghiêng. Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 19 Hình 1.11: Sự phân bố tế bào hình que (đờng chấm chấm ) và hình non (đờng liền nét) trên võng mạc. Có nhiều lớp mỏng trong võng mạc. Tuy tế bào hình que và hình nón là các tế bào cảm nhận ánh sáng, đáng lý ra chúng phải nằm kề thuỷ tinh dịch, nhng chúng lại ở xa hơn thuỷ tinh dịch. Do vậy ánh sáng phải đi qua các lớp khác của võng mạc, chẳng hạn đi qua các sợi thần kinh để tới tế bào hình nón, hình que. Điều này đợc mô tả trong hình 1.12. Thật không hiểu tại sao thiên nhiên lại chọn cách làm nh vậy, nhng trong thực tế cách sắp đặt này vẫn hoạt động tốt. Nhng ít ra thì ta cũng thấy là ở điểm vàng (fovea) các dây thần kinh đợc đẩy sang một bên để các tế bào hình nón đợc phơi ra trớc ánh sáng. Hình 1.12 : Các lớp trong võng mạc. Lu ý rằng ánh sáng phải đi qua nhiều lớp trớc khi tới đợc các tế bà o cảm nhận ánh sáng . ánh sáng Các tế bào Pigment Tế bào hình nón Tế bào hình que Tế bào lỡng cực Tế bào Ganglian Dây thần kinh thị giác Mũi nón nón Góc nhìn, độ Thái dơng trong võng mạc Chơng 1: cơ sở xử lý ảnh 20 Vì cách sắp xếp đặc biệt này, các dây thần kinh ánh sáng phải xuyên qua các lớp tế bào cảm nhận ánh sáng trên đờng tới não. Thay vì vợt qua các lớp tế bào cảm nhận ánh sáng ở khắp võng mạc, chúng đợc bó lại tại một vùng nhỏ bằng cỡ đầu ghim trong võng mạc, gọi là điểm mù. Vì không có các tế bào cảm nhận ánh sáng trong vùng này, chúng ta không thể nhìn thấy ánh sáng hội tụ trên điểm mù. Khi ánh sáng đập tới tế bào hình nón và hình que, một phản ứng điện hoá phức tạp xảy ra, và ánh sáng đợc chuyển thành các xung thần kinh, truyền đến não thông qua dây thần kinh thị giác. Có khoảng 130 triệu tế bào cảm nhận ánh sáng (hình nón và hình que), nhng chỉ có khoảng 1 triệu giây thần kinh. Điều đó có nghĩa là trung bình cứ một dây thần kinh phục vụ hơn 100 tế bào cảm nhận ánh sáng. Trong thực tế không phải là chia đều nh vậy. Với một số tế bào hình nón trong điểm vàng (fovea) mỗi dây thần kinh phục vụ cho một tế bào, làm tăng tính nhậy sáng trong vùng này. Tuy nhiên, các tế bào hình que lại đợc chia đều cho các dây thần kinh. Đây là lý do tại sao tính nhậy sáng (visual acuity) vào ban đêm không tốt bằng ban ngày, tuy có nhiều tế bào hình que hơn hình nón. Hình 1.13 : Đờng các tín hiệh thần kinh đi từ võng mạc đến vỏ não thị giác. Vật cong gập nh đầu gối Chỗ các dây thần kinh thị giác giao nhau Võng mạc Bó dây thần kinh thị giác Bức xạ thị giác . lục và lam. Đây là cơ sở sinh lý học định tính của việc biểu diễn ảnh màu với ba ảnh đơn sắc đỏ, lục và lam. Hình que, số lợng khoảng 120 triệu, nhậy sáng hơn hình nón và về cơ bản để nhìn ban. và chiết suất 1 ,4 cao hơn tất cả các phần khác của mắt mà ánh sáng đi qua. Tuy nhiên thuỷ tinh thể đợc bao bọc bởi môi trờng có chiết suất gần kề chiết suất của nó. Vì lý do này sự khúc xạ ánh. phận của mắt mà chúng ta nói đến đều phục vụ cho chức năng đặt một hình ảnh rõ nét lên bề mặt cơ quan cảm nhận. Việc ảnh đợc tạo ra trên võng mạc, và mắt chỉ đơn giản là một thiết bị nhận ảnh,