Модуль 2. Естественнонаучные основы представлений об использовании достижений естествознания в информациоонных, коммуникационных и мультимедийных технологиях

Тема 5. Естественнонаучные представления, лежащие в основе цифрового мультимедийного мира и современных коммуникационных систем Лабораторная работа № 5

Исследование свойств различных диапазонов электромагнитных волн, в том числе оптических излучений, используемых в современных мультимедийных информационных технологиях для визуализации информации

5.2.1. Цели работы

1. Создание целостного научного представления о том, как человек через зрение и посредством систем «компьютерного зрения» воспринимает информацию об окружающей среде.

2. Сформировать необходимый для будущей профессии набор различных видов деятельности по эффективной работе с визуальной информацией, с изображениями.

3. Сформировать базовые компетенции формулировать и объяснять теоретические построения в области визуального познания мира, обнаруживать в технике, быту изучаемые понятия о технологиях работы с визуальной информацией.

4. Сформировать базовые компетенции оперировать фактами, получаемыми посредством систем «компьютерного зрения», органов зрения человека, а также визуализируемых и воспринимаемых с помощью современных средств компьютерного моделирования и компьютерной графики.

5. Сформировать простейшие компетенции применять для извлечения требуемой информации о структуре и характеристиках электромагнитных волн и оптических излучений справочники, научно – техническую литературу, Internet

6. Путем решения заданий и анализа их результатов выработать умения практического использования типовых программных продуктов для оперирования численной информацией при различных способах ее представления.

5.2.2. Самостоятельная работа студентов

Перед выполнением лабораторной работы студенту необходимо:

1. Повторить основные понятия, связанные электромагнитными полями и оптическими изображениями.

2. Вспомнить, а в случае необходимости повторно изучить такие понятия, как источники света.

3. Провести самопроверку эффективности своей теоретической подготовки, ответив на вопросы, приведенные в разделе «Контрольные вопросы».

4. Изучить эксперименты, описания и визуализации информации об изображениях. В результате исполнения этого пункта студент должен уметь объяснять порядок выполнения работы и то, какие результаты он ожидает получить.

5. Подготовить отчет о лабораторной работе.

Надо помнить, что таблицы, результаты исследований помещаются в электронном документе отдельно по каждому пункту задания.

5.2.3. Средства и способы проведения эксперимента

В лабораторной работе экспериментальные исследования выполняется на IBM PC с использованием пакетов программ MATLAB и «Electronics Workbench».

5.2.4. Порядок выполнения работы

Зачем необходимо изучение данной темы?

В решении сложных проблем, поставленных перед человечеством в XXI веке, важная роль отводится информационным технологиям. Повышение эффективности использования информационных технологий, решение проблемы взаимодействия человека и вычислительной цифровой системы во многом зависит от того как развиваются технические средства, математические методы, модели и алгоритмы, программное обеспечение современных средств визуализации информации.

Термин «визуализация», как известно, используется в отношении процессов представления данных для их более наглядного изображения. Иначе говоря, - для представления информации  в виде видимого глазом оптического изображения. Простейшей визуализацией когда-то были наскальные рисунки, затем — планы, схемы, карты. Вам уже известно, что простая визуализация магнитного поля возможна при помощи железных опилок, нанесенных на лист бумаги. Визуализация сегодня это представление информации в виде рисунков и фотографий, графиков, диаграмм, структурных схем, таблиц, карт и прочее. В частности, визуализацией функций и уравнений в математике является построение их графиков.

Информацию об окружающем мире мы получаем с помощью органов чувств, которые можно рассматривать, как информационные каналы. При этом более 90 процентов информации, которую получает человек, составляет так называемая видеоинформация, то есть информация, поступающая через органы зрения и обрабатываемая головным мозгом. Рассматривание изображений позволяет исследовать пространственные структуры, имеющиеся в объекте; распределение оптических плотностей и цветов. Это все отражает важнейшие сведения о свойствах реальных и виртуальных объектов окружающего мира. Неоспоримо, что в изображениях содержится много информации. Да и вы сами знаете факт, который может быть описан следующими выражениями: «картина лучше тысячи слов», «лучше один раз увидеть, чем сотню раз услышать».

Можно сказать, что сегодня мы находимся на рубеже научной революции, возникшей благодаря быстрому прогрессу в компьютерных технологиях, связанных с получением и обработкой изображений. В настоящее время персональные компьютеры, специальные рабочие станции, коммуникаторы, бесклавиатурные смартфоны с сенсорными экранами, различные мобильные устройства - гаджеты [гаджет от англ. gadget — приспособление, прибор — специализированное периферийное устройство, отличающееся малыми размерами, подключаемое по стандартизированному интерфейсу к персональным компьютерам, или смартфонам] стали достаточно мощными для обработки данных в виде различных изображений. Визуализация изображений сейчас практически доступна любому ученному и специалисту.

Один из прорывов в повышении наглядности изображений связан с рождением многооконного интерфейса, другой — с гипертекстовыми технологиями. Мультимедийные аппаратные средства и программное обеспечение уже успешно используются для обработки многих изображений в быту. Благодаря развитию компьютерной техники и программного обеспечения всё большую роль начинают играть методы объёмной 3D-визуализации, а также динамической анимации.

Невозможно не замечать, что использование зрительной информации в современном мире стремительно нарастает. Ее применяют телевизионное вещание, Интернет, медицина, различные системы мониторинга, наблюдения, технического зрения, регистрирующие и перерабатывающие огромные объемы видеоданных, роботы с искусственным «интеллектом», принимающие решения на основе анализа информации. Уже стало реальным отображение не только видимых, но и рентгеновских, ультрафиолетовых, инфракрасных, ультразвуковых полей, которые «недоступны» глазу. При этом наряду со значительным повышением уровня развития аппаратных компьютерных средств успешно развиваются методы обработки видеоинформации. Они обеспечивают улучшение изображений для их наилучшего визуального восприятия человеком, сжатие видеоданных для хранения и передачи по каналам связи, а также анализ, распознавание зрительных образов для принятия решения и управления поведением различных систем.

Прогнозы завтрашнего дня лишь подчеркивают все усиливающееся информационное обеспечение человека в обществе, в котором каждый будет иметь доступ к информационным источникам в любой точке мира. При этом, как предполагается, главные изменения нас ждут не только в быту и в бизнесе, индустрии и общественной деятельности. Разовьются новые виды досуга: системы виртуальной реальности, виртуальные домашние театры или кругосветные путешествия. Гипермедиа-станции позволят перекрыть расстояния, время, языковые барьеры. В настоящее время считается, что ключевыми компонентами таких информационных систем XXI века должны стать трехмерная компьютерная графика для систем виртуальной реальности, сверхвысокоразрешающее телевидение с форматом экранов 2048х2048 элементов.

В связи со сказанным мы приступаем к изучению того, как и с помощью каких средств человек получает полезную зрительную информацию об окружающем нас мире. Мы изучим, что представляет собой электромагнитная волна, оптическое излучение, затронем физические принципы, лежащие в основе этого. Мы также рассмотрим основные свойства, параметры оптического излучения и основы явлений, широко используемых в настоящее время в системах «компьютерного зрения».

Эксперимент 1. Изучение основных понятий, связанных с визуализацией электромагнитных полей и представлением информации в IT- технологиях.

Задание 1.1. Кратко опишите, что представляет собой электромагнитная волна. Поясните, чем такую волну характеризуют и каковы ее основные свойства.

Теоретические предпосылки, необходимые для уяснения того, что представляет собой электромагнитная волна

Подавляющее количество информации об окружающем мире человек получает помощью того, что мы называем светом, а более точно - с помощью оптического излучения видимого диапазона. Оптическое излучение, как известно, обладает одновременно волновыми и корпускулярными свойствами.

То есть, с одной стороны, электромагнитное излучение оптического диапазона это волновой процесс с частотой колебаний или длиной волны , а с другой – поток элементарных частиц, называемых фотонами, с энергией W_opt (обычно измеряемой в электронвольтах - эВ). Поэтому, соответственно, имеются две теории: волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая).

В волновой теории под оптическим излучением понимают изменяющееся со временем электромагнитное поле, которое способно, медленно затухая с расстоянием, распространяться вдаль от своих источников, как в вакууме (пространстве, свободном от вещества), так и, в ряде случаев, в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение).

Великому английскому физику Дж. Максвеллу в 1864 году удалось записать непротиворечивую систему уравнений электромагнитного поля, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей. Согласно этой системе уравнений распространяющееся в пространстве электромагнитное поле представляет собой электромагнитную волну (волной, вообще говоря, называют распространяющийся в пространстве и изменяющийся во времени процесс, у которого имеет место пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, напряжённости электрического поля).

Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу (направлению) распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Распространение электромагнитных волн, характеризуется временными зависимостями векторов электрическогои магнитного полей.

Если волна, изменяется во времени по гармоническому (синусоидальному) закону, то ее называют гармонической волной. Для этой волны также употребляется заимствованный из оптики термин монохроматическая (одноцветная) волна. В такой волне изменяющееся по косинусоидальному (синусоидальному) закону элек­трическое поле будет порождать пе­риодически меняющееся по синусоидальному (косинусоидальному) закону магнитное поле, а последнее в свою очередь вызовет появление переменного элек­трического поля уже на большем расстоянии от заряда и так далее.

Уравнение плоской гармонической монохроматической волны, распространяющейся, например, вдоль оси z в среде без потерь записывается в следующем виде

(6.1)

Под величиной A понимается физическая величина, определяющая волновой процесс, например векторили. Максимальное значение этой величины называется амплитудой, обозначенной в (6.1) через A₀ . Размерность амплитуды определяется природой волнового процесса. Например, в электромагнитных волнах амплитуда напряженности электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м), а магнитного поля - в амперах на метр (А/м).

Выражение, стоящее в скобках (6.1), называется текущей фазой колебания, через которую определяется значение физической величины в данный момент времени и в данной точке пространства. Константа называется начальной фазой, а - волновой вектор.

Электромагнитная волна (рис. 1) характеризуется наличием трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: вектора скорости , вектора напряжённости электрического поля и вектора магнитной индукции (напряжённости магнитного поля ).

Рис. 1. Изображение электромагнитной волны в виде векторов напряженности электрического и магнитного полей

Электромагнитные волна является поперечной – векторы и перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Направление этих векторов определяют единичные орты и . В каждой точке пространства электрические и магнитные поля ме­няются во времени периодически.

Зафиксируем точку и рассмотрим «фотографии процесса» изменений векторов и . Тогда согласно (6.1) получаем или при . То есть, в любой точке пространства векторы и перпендикулярно друг другу совершают колебания по гармоническому закону с частотой . На разных расстояниях от заряда коле­бания происходят с различными фа­зами, что и отражает текущая фаза. При этом, чем больше , тем больше будет обусловленная пространственным запаздыванием начальная фаза . Иначе говоря, чем дальше расположена точка от точки начала распространения, тем позднее достигнут ее ко­лебания электрического и магнитного полей. Отметим, что направления периодических колебаний век­торов напряженности электрическо­го поля и индукции магнитного по­ля перпендикулярны к направлению распространения волны, чем они существенно отличаются от волн на воде и от звука (эти волны являются продольными и у них частички среды колеблются вдоль направления распространения).

Зафиксируем теперь время и рассмотрим «фотографии процесса» изменений векторов и . Тогда согласно (6.1) получаем или при . Параметр играет роль «пространственной частоты» процесса. То есть в любой момент времени перпендикулярные друг другу векторы и движутся поступательно вдоль координаты , изменяя длину вектора по гармоническому закону с «пространственной» частотой (рис.1). Причем, чем больше , тем больше будет обусловленная временным запаздыванием начальная фаза .

Подчеркнем, что отличие от обычного колебания маятника волны имеют две основные характеристики: временную периодичность — называемую частотой волны скорость изменения фазы с течением времени в какой-то заданной точке; называемую длиной волны пространственную периодичность — скорость изменения фазы в определённый момент времени с изменением координаты. Временная и пространственная периодичности взаимосвязаны. В упрощённом виде для волн, распространяющихся в однородном и изотропном пространстве, эта зависимость имеет следующий вид:

где— фазовая скорость распространения волны в данной среде (для вакуума 2,998х10⁸ м/с – скорости света).

Для измерения длин волн в оптическом диапазоне обычно используются дольные единицы длины 1 нанометр (нм) и 1 микрометр (мкм):

1 нм = 10^–9 м = 10^–7 см = 10^–3 мкм, 1 мкм = 10^–6 м. 

Электромагнитную волну в любой точке пространства однозначно задает правовинтовая тройка векторов , и . Однако векторы и могут быть произвольно ориентированы относительно направления распространения волны (вектора скорости). В этой связи оптическое излучение может быть естественным и поляризованным.

Для естественного (неполяризованного) оптического излучения направления колебаний векторов и быстро и беспорядочно сменяют друг друга.

Оптическое излучение называют поляризованным, если направления векторов и изменяются по определенному закону. Если векторы и во время распространения лежат в одних и тех же плоскостях (при изменении во времени направления векторов и остаются постоянными), то в этом случае оптическое излучение называют линейно - или плоскополяризованным.

На рис. 1 мы ограничились демонстрацией частного случая электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси. При этом была зафиксирована ориентация вектора в пространстве: . Тем самым определилась ориентация вектора : . Электромагнитная волна обладала тем свойством, что в ней вектор имел единственную проекцию и совершал колебания в одной плоскости. Говорят, что такая волна поляризована в плоскости . Плоскость поляризации, по определению, составлена вектором и направлением распространения волны. Про электромагнитную волну, имеющую фиксированную плоскость поляризации говорят, что она имеет линейную поляризацию.

Для выделения линейно поляризованного света из естественного оптического излучения используют специальные оптические устройства, называемые поляризаторами.

О «силе» гармонической волны, казалось бы, можно судить по её амплитуде. Тем более, что амплитуда волны — скалярная величина. Однако при этом надо иметь в виду, что оптический диапазон характеризуется очень большой частотой колебаний векторов и ( Гц). Поэтому мгновенные значения этих величин и, соответственно, их амплитуды измерять практически невозможно вследствие инерционности реальных фотоприемников. Для человеческого глаза инерционность составляет примерно 1/50 с (0,02 секунды). Для самых быстродействующих фотоприемников средств приема оптического излучения значение появление «отклика» на оптическое воздействие составляет время, равное нескольким наносекундам. Из - за инерционности фотоприемников имеется возможность регистрировать только усредненные значения векторов и . По этой причине для количественной характеристики переносимой волной энергии используется вектор не амплитуды, а плотности потока энергии . Его направление совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению вектора.

При небольших амплитудах:

где A — амплитуда;

k — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, где эта волна распространяется.