- Загальні відомості
- Довжина хвилі
- Електромагнітне випромінювання
- Електромагнітне випромінювання і атмосфера
- Взаємовідносини між частотою і довжиною хвилі
- світло
- Довжина хвилі і колір
- віддзеркалення світла
- спектроскопія
- Визначення наявності електромагнітного випромінювання
- видиме світло
- інфрачервоне світло
- ультрафіолетове світло
- Колірна сліпота
- Колір в машинному зорі
- застосування
- Обробка інформації про колір
Період коливання хвиль біля берегів Майамі-Біч приблизно дорівнює 4 секундам.
Загальні відомості
частота
Довжина хвилі
Електромагнітне випромінювання
Електромагнітне випромінювання і атмосфера
Взаємовідносини між частотою і довжиною хвилі
світло
Довжина хвилі і колір
віддзеркалення світла
спектроскопія
Визначення наявності електромагнітного випромінювання
видиме світло
інфрачервоне світло
ультрафіолетове світло
Колірна сліпота
Колір в машинному зорі
застосування
Обробка інформації про колір
Загальні відомості
частота
Частота - це величина, що вимірює як часто повторюється той чи інший періодичний процес. У фізиці за допомогою частоти описують властивості хвильових процесів. Частота хвилі - кількість повних циклів хвильового процесу за одиницю часу. Одиниця частоти в системі СІ - герц (Гц). Один герц дорівнює одному коливанню в секунду.
Довжина хвилі
Існує безліч різних типів хвиль в природі, від викликаних вітром морських хвиль до електромагнітних хвиль. Властивості електромагнітних хвиль залежать від довжини хвилі. Такі хвилі поділяють на кілька видів:
Резонансний магнетрон використовується в мікрохвильових печах для подачі електромагнітної енергії в камеру печі.
- Гамма-промені з довжиною хвилі до 0,01 нанометра (нм).
- Рентгенівські промені з довжиною хвилі - від 0,01 нм до 10 нм.
- Хвилі ультрафіолетового діапазону, які мають довжину від 10 до 380 нм. Людському оку вони не видимі.
- Світло у видимій частині спектру з довжиною хвилі 380-700 нм.
- Невидиме для людей інфрачервоне випромінювання з довжиною хвилі від 700 нм до 1 міліметра.
- За інфрачервоними хвилями йдуть мікрохвильові, з довжиною хвилі від 1 міліметра до 1 метра.
- Найдовші - радіохвилі. Їх довжина починається з 1 метра.
Ця стаття присвячена електромагнітному випромінюванню, і особливо світла. У ній ми обговоримо, як довжина і частота хвилі впливають на світло, включаючи видимий спектр, ультрафіолетове і інфрачервоне випромінювання.
Електромагнітне випромінювання
Електромагнітне випромінювання - це енергія, властивості якої одночасно схожі з властивостями хвиль і частинок. Ця особливість називається корпускулярно-хвильовим дуалізмом. Електромагнітні хвилі складаються з магнітною хвилі і перпендикулярної до неї електричної хвилі.
Енергія електромагнітного випромінювання - результат руху частинок, які називаються фотонами. Чим вище частота випромінювання, тим вони більш активні, і тим більше шкоди вони можуть принести клітинам і тканинам живих організмів. Це відбувається тому, що чим вище частота випромінювання, тим більше вони несуть енергії. Велика енергія дозволяє їм змінити молекулярну структуру речовин, на які вони діють. Саме тому ультрафіолетове, рентгенівське і гамма випромінювання так шкідливо для тварин і рослин. Величезна частина цього випромінювання - в космосі. Воно присутнє і на Землі, не дивлячись на те, що озоновий шар атмосфери навколо Землі блокує велику його частину.
Атмосфера пропускає НВЧ-випромінювання в діапазоні частот C (з частотою від 4 до 8 Гц і з довжиною хвилі від 7,5 до 3,75 сантиметрів), які використовуються для супутникового зв'язку
Електромагнітне випромінювання і атмосфера
Атмосфера землі пропускає тільки електромагнітне випромінювання з певною частотою. Велика частина гамма-випромінювання, рентгенівських променів, ультрафіолетового світла, частина випромінювання в інфрачервоному діапазоні і довгі радіохвилі блокуються атмосферою Землі. Атмосфера поглинає їх і не пропускає далі. Частина електромагнітних хвиль, зокрема, випромінювання в короткохвильовому діапазоні, відбивається від іоносфери. Все інше випромінювання потрапляє на поверхню Землі. У верхніх атмосферних шарах, тобто, далі від поверхні Землі, більше радіації, ніж в нижніх шарах. Тому чим вище, тим небезпечніше для живих організмів перебувати там без захисних костюмів.
Атмосфера пропускає на Землю невелика кількість ультрафіолетового світла, і він приносить шкоду шкірі. Саме через ультрафіолетових променів люди обгорають на сонці і можуть навіть захворіти на рак шкіри. З іншого боку, деякі промені, що пропускалися атмосферою, приносять користь. Наприклад, інфрачервоні промені, які потрапляють на поверхню Землі, використовують в астрономії - інфрачервоні телескопи стежать за інфрачервоними променями, випромінюваними астрономічними об'єктами. Чим вище від поверхні Землі, тим більше інфрачервоних променів, тому телескопи часто встановлюють на вершинах гір і на інших височинах. Іноді їх відправляють в космос, щоб поліпшити видимість інфрачервоних променів.
Цей осцилограф, який вимірює мережеве напруга в розетці, показує частоту в 59,7 герц і період коливань 117 мілісекунд
Взаємовідносини між частотою і довжиною хвилі
Частота і довжина хвилі обернено пропорційні один одному. Це означає, що в міру збільшення довжини хвилі частота зменшується і навпаки. Це легко уявити: якщо частота коливань хвильового процесу висока, то час між коливаннями набагато коротше, ніж у хвиль, частота коливань яких менше. Якщо уявити хвилю на графіку, то відстань між її піками буде тим менше, чим більше коливань вона робить на певному відрізку часу.
Щоб визначити швидкість поширення хвилі в середовищі, необхідно помножити частоту хвилі на її довжину. Електромагнітні хвилі в вакуумі завжди поширюються з однаковою швидкістю. Ця швидкість відома як швидкість світла. Вона дорівнює 299 & nbsp792 & nbsp458 метрам в секунду.
світло
Видиме світло - електромагнітні хвилі з частотою і довжиною, які визначають його колір.
Довжина хвилі і колір
Найкоротша довжина хвилі видимого світла - 380 нанометрів. Це фіолетовий колір, за ним слідують синій і блакитний, потім зелений, жовтий, оранжевий і, нарешті, червоний. Білий світ складається з усіх кольорів відразу, тобто, білі предмети відображають всі кольори. Це можна побачити за допомогою призми. Потрапляє в неї світло заломлюється і вибудовується в смугу квітів в тій же послідовності, що у веселці. Ця послідовність - від квітів з найкоротшою довжиною хвилі, до найдовшою. Залежність швидкості поширення світла в речовині від довжини хвилі називається дисперсією.
Веселка над річкою Ніагара
Веселка утворюється схожим способом. Краплі води, розсіяні в атмосфері після дощу, поводяться так само як призма і заломлюють кожну хвилю. Кольори веселки настільки важливі, що в багатьох мовах існують мнемоніка, тобто прийом запам'ятовування кольорів веселки, настільки простий, що запам'ятати їх можуть навіть діти. Багато дітей, що говорять по-російськи, знають, що «Кожен мисливець бажає знати, де сидить фазан». Деякі люди придумують свою мнемоніку, і це - особливо корисна вправа для дітей, так як, придумавши свій власний метод запам'ятовування кольорів веселки, вони швидше їх запам'ятають.
Світло, до якого людське око найбільш чутливий - зелений, з довжиною хвилі в 555 нм в світлій середовищі і 505 нм в сутінках і темряві. Розрізняти кольори можуть далеко не всі тварини. У кішок, наприклад, кольоровий зір не розвинене. З іншого боку, деякі тварини бачать кольору набагато краще, ніж люди. Наприклад, деякі види бачать ультрафіолетовий і інфрачервоний світло.
віддзеркалення світла
діамантову каблучку
Колір предмета визначається довжиною хвилі світла, відбитого з його поверхні. Білі предмети відображають всі хвилі видимого спектру, в той час як чорні - навпаки, поглинають все хвилі і нічого не відображають.
На першому малюнку: правильна огранювання діамантів. Світло відбивається вгору, у напрямку до ока і алмаз виблискує. На другому і третьому малюнках: неправильна огранювання. Світло відбивається в оправу і в сторони і алмази виглядають тьмяними.
Один з природних матеріалів з високим коефіцієнтом дисперсії - алмаз. Правильно оброблені діаманти відбивають світло як від зовнішніх, так і від внутрішніх граней, ломлячи його, як і призма. При цьому важливо, щоб велика частина цього світу була відображена вгору, в бік очі, а не, наприклад, вниз, всередину оправи, де його не видно. Завдяки високій дисперсії діаманти дуже красиво сяють на сонці і при штучному освітленні. Скло, огранений так само, як діамант, теж сяє, але не настільки сильно. Це пов'язано з тим, що, завдяки хімічним складом, алмази відбивають світло набагато краще, ніж скло. Кути, що використовуються при огранювання діамантів, має величезне значення, тому що занадто гострі або занадто тупі кути або не дозволяють світлу відбиватися від внутрішніх стін, або відбивають світло в оправу, як показано на ілюстрації.
спектроскопія
Для визначення хімічного складу речовини іноді використовують спектральний аналіз або спектроскопію. Цей спосіб особливо хороший, якщо хімічний аналіз речовини неможливо провести, працюючи з ним безпосередньо, наприклад, при визначенні хімічного складу зірок. Знаючи, яке електромагнітне випромінювання поглинає тіло, можна визначити, з чого воно складається. Абсорбційна спектроскопія, що є одним з розділів спектроскопії, визначає яке випромінювання поглинається тілом. Такий аналіз можна робити на відстані, тому його часто використовують в астрономії, а також в роботі з отруйними та небезпечними речовинами.
Визначення наявності електромагнітного випромінювання
Видиме світло, так само як і все електромагнітне випромінювання - це енергія. Чим більше енергії випромінюється, тим легше цю радіацію виміряти. Кількість випромінювань енергії зменшується в міру збільшення довжини хвилі. Зір можливо саме завдяки тому, що люди і тварини розпізнають цю енергію і відчувають різницю між випромінюванням з різною довжиною хвилі. Електромагнітне випромінювання різної довжини відчувається оком як різні кольори. За таким принципом працюють не тільки очі тварин і людей, а й технології, створені людьми для обробки електромагнітного випромінювання.
видиме світло
Люди і тварини бачать великий спектр електромагнітного випромінювання. Більшість людей і тварин, наприклад, реагують на видиме світло, а деякі тварини - ще і на ультрафіолетові і інфрачервоні промені. Здатність розрізняти кольори - не у всіх тварин - деякі, бачать тільки різницю між світлими і темними поверхнями. Наш мозок визначає колір так: фотони електромагнітного випромінювання потрапляють в око на сітківку і, проходячи через неї, збуджують колбочки, фоторецептори ока. В результаті по нервовій системі передається сигнал в мозок. Крім колб, в очах є і інші фоторецептори, палички, але вони не здатні розрізняти кольори. Їх призначення - визначати яскравість і силу світла.
Колбочки в сітківці ока чайок і багатьох інших птахів містить краплі червоного або жовтого масла
В оці зазвичай знаходиться кілька видів колбочок. У людей - три типи, кожен з яких поглинає фотони світла в межах певних довжин хвилі. При їх поглинанні відбувається хімічна реакція, в результаті якої в мозок надходять нервові імпульси з інформацією про довжину хвилі. Ці сигнали обробляє зорова зона кори головного мозку. Це - ділянка мозку, відповідальна за сприйняття звуку. Кожен тип колб відповідає тільки за хвилі з певною довжиною, тому для отримання повного уявлення про колір, інформацію, отриману від всіх колб, складають разом.
У деяких тварин ще більше видів колбочок, ніж у людей. Так, наприклад, у деяких видів риб і птахів їх від чотирьох до п'яти типів. Цікаво, що у самок деяких тварин більше типів колб, ніж у самців. У деяких птахів, наприклад у чайок, які ловлять здобич у воді або на її поверхні, всередині колб є жовті або червоні краплі олії, які виступають в ролі фільтра. Це допомагає їм бачити більшу кількість кольорів. Подібним чином влаштовані очі і у рептилій.
Цей інфрачервоний термометр визначає температуру вимірюваного об'єкта на відстані, по його тепловому випромінюванню
інфрачервоне світло
У змій, на відміну від людей, не тільки зорові рецептори, але і чутливі органи, які реагують на інфрачервоне випромінювання. Вони поглинають енергію інфрачервоний променів, тобто реагують на тепло. Деякі пристрої, наприклад прилади нічного бачення, також реагують на тепло, що виділяється інфрачервоним випромінювачем. Такі пристрої використовують військові, а також для забезпечення безпеки і охорони приміщень і території. Тварини, які бачать інфрачервоне світло, і пристрої, які можуть його розпізнавати, бачать не тільки предмети, які знаходяться в їх поле зору на даний момент, але і сліди предметів, тварин, або людей, які перебували там до цього, якщо не пройшло занадто багато часу. Наприклад, зміям видно, якщо гризуни копали в землі ямку, а поліцейські, які користуються приладом нічного бачення, бачать, якщо в землі були недавно заховані сліди злочину, наприклад, гроші, наркотики, або щось інше. Пристрої для реєстрації інфрачервоного випромінювання використовують в телескопах, а також для перевірки контейнерів і камер на герметичність. З їх допомогою добре видно місце витоку тепла. У медицині зображення в інфрачервоному світлі використовують для діагностики. В історії мистецтва - щоб визначити, що зображено під верхнім шаром фарби. Пристрої нічного бачення використовують для охорони приміщень.
Звичайна або зелена ігуана бачить ультрафіолетове світло. Фотографія розміщена з дозволу автора
ультрафіолетове світло
Деякі риби бачать ультрафіолетове світло. Їх очі містять пігмент, чутливий до ультрафіолетових променів. Шкіра риб містить ділянки, що відображають ультрафіолетове світло, невидимий для людини та інших тварин - що часто використовується в тваринному світі для маркування статі тварин, а також в соціальних цілях. Деякі птахи теж бачать ультрафіолетове світло. Це вміння особливо важливо під час шлюбного періоду, коли птахи шукають потенційних партнерів. Поверхні деяких рослин також добре відображають ультрафіолетове світло, і здатність його бачити допомагає в пошуку їжі. Крім риб і птахів, ультрафіолетове світло бачать деякі рептилії, наприклад черепахи, ящірки і зелені ігуани (на ілюстрації).
Людське око, як і очі тварин, поглинає ультрафіолетове світло, але не може його обробити. У людей він руйнує клітини очі, особливо в рогівці і кришталику. Це, в свою чергу, викликає різні захворювання і навіть сліпоту. Незважаючи на те, що ультрафіолетове світло шкодить зору, невелика його кількість необхідно людям і тваринам, щоб виробляти вітамін D. Ультрафіолетове випромінювання, як і інфрачервоне, використовують у багатьох галузях, наприклад в медицині для дезінфекції, в астрономії для спостереження за зірками та іншими об'єктами і в хімії для затвердіння рідких речовин, а також для візуалізації, тобто для створення діаграм поширення речовин в певному просторі. За допомогою ультрафіолетового світла визначають підроблені банкноти і пропуску, якщо на них повинні бути надруковані знаки спеціальним чорнилом, розпізнаваними за допомогою ультрафіолетового світла. У випадку з підробкою документів ультрафіолетова лампа не завжди допомагає, так як злочинці іноді використовують цей документ і замінюють на ньому фотографію або іншу інформацію, так що маркування для ультрафіолетових ламп залишається. Існує також безліч інших застосувань для ультрафіолетового випромінювання.
Колірна сліпота
Через дефекти зору деякі люди не в змозі розрізняти кольори. Ця проблема називається колірною сліпотою або дальтонізм, по імені людини, який перший описав цю особливість зору. Іноді люди не бачать тільки кольору з певною довжиною хвилі, а іноді вони не розрізняють кольори взагалі. Часто причина - недостатньо розвинені або пошкоджені фоторецептори, але в деяких випадках проблема полягає в пошкодженнях на провідному шляху нервової системи, наприклад в зоровій корі головного мозку, де обробляється інформація про колір. У багатьох випадках цей стан створює людям і тваринам незручності і проблеми, але іноді невміння розрізняти кольори, навпаки - перевага. Це підтверджується тим, що, незважаючи на довгі роки еволюції, у багатьох тварин кольоровий зір не розвинене. Люди і тварини, що не розрізняють кольори, можуть, наприклад, добре бачити камуфляж інших тварин.
На цьому зображенні з діагностичних таблиць для діагностики дальтонізму люди з нормальним зором бачать число 74
Незважаючи на переваги колірної сліпоти, в суспільстві її вважають проблемою, і для людей з дальтонізм закрита дорога до деяких професії. Зазвичай вони не можуть отримати повні права по керуванню літаком без обмежень. У багатьох країнах водійські права для цих людей теж мають обмеження, а в деяких випадках вони не можуть отримати права взагалі. Тому вони не завжди можуть знайти роботу, на якій необхідно управляти автомобілем, літаком, і іншими транспортними засобами. Також їм складно знайти роботу, де вміння визначати і використовувати кольори має велике значення. Наприклад, їм важко стати дизайнерами, або працювати в середовищі, де колір використовують, як сигнал (наприклад, про небезпеку).
Проводяться роботи по створенню більш сприятливих умов для людей з колірною сліпотою. Наприклад, існують таблиці, в яких кольори відповідає знакам, і в деяких країнах ці знаки використовують в установах і громадських місцях поряд з кольором. Деякі дизайнери не використовують або обмежують використання кольору для передачі важливої інформації в своїх роботах. Замість кольору, або поряд з ним, вони використовують яскравість, текст, і інші способи виділення інформації, щоб навіть люди, які не розрізняють кольори, могли порожниною отримати інформацію, передану дизайнером. У більшості випадків люди з колірною сліпотою Не будете звертати уваги червоний і зелений, тому дизайнери іноді замінюють комбінацію «червоний = небезпека, зелений = все нормально» на червоний і синій кольори. Більшість операційних систем також дозволяють налаштувати кольору так, щоб людям з колірною сліпотою було все видно.
Колір в машинному зорі
Машинне зір в кольорі - швидко розвивається галузь штучного інтелекту. До недавнього часу більшість роботи в цій області проходила з монохромними зображеннями, але зараз все більше наукових лабораторій працюють з кольором. Деякі алгоритми для роботи з монохромними зображеннями застосовують також і для обробки кольорових зображень.
Камера Canon 5D автоматично знаходить людські обличчя і налаштовується по одному з них на різкість
застосування
Машинне зір використовується в ряді галузей, наприклад для керування роботами, самоврядними автомобілями, і безпілотними літальними апаратами. Воно корисно в сфері забезпечення безпеки, наприклад для впізнання людей та предметів по фотографіях, для пошуку по базах даних, для відстеження руху предметів, в залежності від їх кольору і так далі. Визначення місця розташування рухомих об'єктів дозволяє комп'ютеру визначити напрям погляду людини або стежити за рухом машин, людей, рук, і інших предметів.
Щоб правильно впізнати незнайомі предмети, важливо знати про їх формі і інших властивостях, але інформація про колір не так важлива. При роботі зі знайомими предметами, колір, навпаки, допомагає швидше їх розпізнати. Робота з кольором також зручна тому, що інформація про колір може бути отримана навіть з зображень з низьким дозволом. Для розпізнавання форми предмета, на відміну від кольору, потрібна висока дозвіл. Робота з кольором замість форми предмета дозволяє зменшити час обробки зображення, і використовує менше комп'ютерних ресурсів. Колір допомагає розпізнавати предмети однакової форми, а також може бути використаний як сигнал або знак (наприклад, червоний колір - сигнал небезпеки). При цьому не потрібно розпізнавати форму цього знака, або текст, на ньому написаний. На веб-сайті YouTube можна побачити безліч цікавих прикладів використання кольорового машинного зору.
Обробка інформації про колір
Оптична ілюзія з кольором
Фотографії, які обробляє комп'ютер, або завантажені користувачами, або зняті вбудованою камерою. Процес цифрової фото- і відеозйомки освоєний добре, але от обробка цих зображень, особливо в кольорі, пов'язана з безліччю труднощів, багато з яких ще не вирішені. Це пов'язано з тим, що кольоровий зір у людей і тварин влаштовано дуже складно, і створити комп'ютерний зір на зразок людського - непросто. Зір, як і слух, засноване на адаптації до навколишнього середовища. Сприйняття звуку залежить не тільки від частоти, звукового тиску і тривалості звуку, але і від наявності або відсутності в навколишньому середовищі інших звуків. Так і із зором - сприйняття кольору залежить не тільки від частоти і довжини хвилі, але і від особливостей навколишнього середовища. Так, наприклад, кольору навколишніх предметів впливають на наше сприйняття кольору.
З точки зору еволюції така адаптація необхідна, щоб допомогти нам звикнути до навколишнього середовища і перестати звертати увагу на незначні елементи, а направити всю нашу увагу на те, що змінюється в навколишньому середовищі. Це необхідно для того, щоб легше помічати хижаків і знаходити їжу. Іноді через цю адаптації відбуваються оптичні ілюзії. Наприклад, в залежності від кольору навколишніх предметів, ми сприймаємо колір двох тіл по-різному, навіть коли вони відбивають світло з однаковою довжиною хвилі. На ілюстрації - приклад такої оптичної ілюзії. Коричневий квадрат у верхній частині зображення (другий ряд, друга колонка) виглядає світліше, ніж коричневий квадрат в нижній частині малюнка (п'ятий ряд, друга колонка). Насправді, їх кольору однакові. Навіть знаючи про це, ми все одно сприймаємо їх, як різні кольори. Оскільки наше сприйняття кольору влаштовано так складно, програмістам важко описати всі ці нюанси в алгоритмах для машинного зору. Незважаючи на ці труднощі, ми вже досягли багато чого в цій галузі.
література
Автор статті: Kateryna Yuri
Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолій Золотков
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
