Lektor:
Kurz:
PRAKTICKÁ OPTIKA
VIDEOTECHNIKA A MULTIMÉDIA
Kamil Říha
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
2 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Princip perspektivního promítání
• Camera obscura (temná komora):
dírková komora, pinhole camera
• první zmínky o tomto principu už v
5 století př. n. l.
• používáno pro realistické
zakreslování skutečnosti
(obkreslování promítaného obrazu)
Principia Optices, 17. století
naučný slovník, 19. století
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
3 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Princip perspektivního promítání
Dírková kamera:
- zachytává málo světla
(větší otvor  větší rozostření)
- dochází k ohybu paprsků na hranách dírky
(Huygensův princip  způsobí rozostření)
- nemá optické vady
Čočka, optická soustava (objektiv):
- zachytává více světla (větší plocha)
- musí obsahovat zaostřovací mechanizmus
- má optické vady, geometrické zkreslení
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
4 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Princip optické čočky
1. Refrakce (lom světla), Snellův zákon (1621)
𝑛 =
𝑣1
𝑣2
=
𝑛2
𝑛1
=
sin 𝛼
sin 𝛽
2. na rozhraní dvou prostředí s rozdílným absolutním indexem lomu:
𝑛 𝑥 =
𝑐
𝑣
,
kde 𝑐 je rychlost šíření světla ve vakuu a
𝑣 je rychlost šíření světla v daném prostředí (materiálu)
𝑛 je pak relativní index lomu mezi dvěma prostředími
vakuum má absolutní index lomu = 1, ostatní > 1
3. kontrolní otázka: je pro daný obrázek 𝑛1 > 𝑛2, nebo 𝑛1 < 𝑛2?
ve kterém prostředí se šíří světlo pomaleji?
4. kontrolní odpověď: 𝑛2 > 𝑛1,
světlo se šíří v prostředí s 𝑛2 pomaleji
a
b
𝑛1
𝑛2
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
5 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Princip optické čočky
1. Refrakce (lom světla), Snellův zákon (1621)
𝑛 =
𝑣1
𝑣2
=
𝑛2
𝑛1
=
sin 𝛼
sin 𝛽
2. na rozhraní dvou prostředí s rozdílným absolutním indexem
lomu:
𝑛 𝑥 =
𝑐
𝑣
,
kde 𝑐 je rychlost šíření světla ve vakuu a
𝑣 je rychlost šíření světla v daném prostředí (materiálu)
𝑛 je pak relativní index lomu mezi dvěma prostředími
vakuum má absolutní index lomu = 1, ostatní > 1
3. různé rychlosti šíření v různých prostředích => různé vlnové
délky => různé úhly
By Oleg Alexandrov [Public domain], via Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
6 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Princip optické čočky
1. Refrakce (lom světla), Snellův zákon (1621)
𝑛 =
𝑣1
𝑣2
=
𝑛2
𝑛1
=
sin 𝛼
sin 𝛽
2. na rozhraní dvou prostředí s rozdílným absolutním indexem lomu:
𝑛 𝑥 =
𝑐
𝑣
,
kde 𝑐 je rychlost šíření světla ve vakuu a
𝑣 je rychlost šíření světla v daném prostředí (materiálu)
𝑛 je pak relativní index lomu mezi dvěma prostředími
vakuum má absolutní index lomu = 1, ostatní > 1
3. Fermatův princip nejkratšího času:
Světlo se mezi dvěma body šíří po takové dráze, aby ji urazilo za nejkratší dobu.
Je možné dokázat, že světlo se z bodu S do bodu P šíří po takové trase, aby
dorazilo do cíle za nejkratší dobu (v prostředí s 𝑛1 má vyšší rychlost, než v
prostředí s 𝑛2).
a
b
𝑛1
𝑛2
S
P
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
7 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Princip optické čočky
1. Refrakce (lom světla), Snellův zákon (1621)
𝑛 =
𝑣1
𝑣2
=
𝑛2
𝑛1
=
sin 𝛼
sin 𝛽
2. na rozhraní dvou prostředí s rozdílným absolutním indexem lomu:
𝑛 𝑥 =
𝑐
𝑣
,
kde 𝑐 je rychlost šíření světla ve vakuu a
𝑣 je rychlost šíření světla v daném prostředí (materiálu)
𝑛 je pak relativní index lomu mezi dvěma prostředími
vakuum má absolutní index lomu = 1, ostatní > 1
3. kontrolní otázka: je pro daný obrázek 𝑛1 > 𝑛2, nebo 𝑛1 < 𝑛2?
ve kterém prostředí se šíří světlo pomaleji?
4. kontrolní odpověď: 𝑛2 > 𝑛1,
světlo se šíří v prostředí s 𝑛2 pomaleji
By Oleg Alexandrov [Public domain], via Wikimedia Commons
optická čočka
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
8 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Spojná čočka (tenká)
1
𝑓
=
1
𝑠1
+
1
𝑠2
𝑓 = 𝑧𝑧′
objekt
obraz
s1 s2
f fz z'
předmětové
ohnisko
obrazové
ohnisko
obrazovárovina
předmětovárovina
hlavní bod
optická osa
zvětšuje obraz pozorovaného objektu (lupa)
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
9 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
objekt
zdánlivý
obraz
s1
-f
předmětové
ohnisko
předmětovárovina
hlavní bod
optická osa
s2
Rozptylná čočka (tenká)
…záporné ohnisko…
1
𝑓
=
1
𝑠1
+
1
𝑠2
tedy např.: 𝑓 = −10,
𝑠1 = 20
1
−10
=
1
20
+
1
𝑠2
1
𝑠2
=
1
−10
−
1
20
= −
3
20
𝑠2 = −
20
3
= −6, ത6
zmenšuje obraz pozorovaného objektu (dalekohledy)
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
10 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Optické soustavy…..
1. Dvojitý Gaussův objektiv
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
11 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Zaostření
Existuje rovina, ze které jsou všechny bodové zdroje promítány čočkou do
obrazové roviny také jako body (ostře)
bodový
zdroj světla
obrazovárovina
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
12 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Rozptylový kroužek (Circle of Confusion)
zaostřený bodový zdroj
bodový zdroj blízko čočce
bodový zdroj daleko od čočky
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
13 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Hloubka ostrosti (DoF – Depth of Field)
Existuje rozsah vzdáleností, ve kterém se budou objekty zobrazovat zaostřeně
obrazová rovina
hloubka ostrosti
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
14 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Hloubka ostrosti (DoF – Depth of Field)
Existuje rozsah vzdáleností, ve kterém se budou objekty zobrazovat zaostřeně
bokeh
bokeh
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
15 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
marginální paprsek
clonaclona
Clona
reguluje množství světla
dopadajícího na obrazovou rovinu
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
16 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Vztah clony a hloubky ostrosti
rozptylový kroužek při
nedokonalém zaostření bez clony
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
17 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
clonaclona
Vztah clony a hloubky ostrosti
rozptylový kroužek při
nedokonalém zaostření se clonou
větší clona ⇒ větší hloubka ostrosti
důležité pro praxi!
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
18 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: realizace
lamelová konstrukce
By User:Catsquisher, Mohylek, via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
19 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: difrakční hroty (diffraction spikes)
různé geometrie lamel produkují různé difrakční obrazce
By Cmglee [CC BY-SA 3.0 or GFDL] from Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
20 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: difrakční hroty - příklad pro 4-lamely, 4 hroty
By ESA/Hubble [CC BY 4.0], via Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
21 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: difrakční hroty - příklad pro 5-lamel, 10 hrotů
By Prateek Karandikar [GFDL or CC BY-SA 4.0], from Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
22 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: difrakční hroty - příklad pro 6-lamel, 6 hrotů
By Dimitry B. [CC BY 2.0], via Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
23 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: difrakční hroty - příklad pro 7-lamel, 14 hrotů
By U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 1st Class James E. Foehl [Public domain], via Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
24 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clona: difrakční hroty - příklad pro 9-lamel, 18 hrotů
By T. Anthony Bell, Fort Lee Public Affairs (United States Army) [Public domain], via Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
25 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Clonové číslo
𝐹 =
𝑓
𝑑
,
kde 𝑓 … ohnisková vzdálenost
𝑑 … průměr otvoru clony
- konstrukčně obtížné vyrobit
objektiv s clonovým číslem < 1
- clonová řada: geometrická řada
s koeficientem 2
1; 1,4; 2, 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32
atd.
By Cbuckley via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
- řada pro 1/3 krok zvětšování plochy koeficient
3
2 ≐1.12 :
1,0; 1,1; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,2; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0; 5,6; 6,3; 7,1;
8; 9; 10; 11; 13; 14; 16; 18; 20; 22; 25; 29; 32; 36; 40; 45; 51; 57; 64; 72; 80; 90…
𝜋
𝑑1
2
2
= 𝜋
𝑑2
2
2
∙ 2
𝑑1
2
= 𝑑2
2
∙ 2
𝑑1 = 2 ∙ 𝑑2
2
= 2 ∙ 𝑑2
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
26 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
marginální paprsek
hlavní paprsek
vstupnípupila
clonaclona
vstupnípupila
Vstupní pupila hlavní paprsek:
prochází středem
clony a hranou
zorného pole
jeví se jakoby
procházel středem
vstupní pupily
vstupní pupila:
obraz clony viděný objektivem ze strany objektu
virtuální clona, představující analogii dírkové
kamery bez čočky pro stejné množství světla
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
27 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
chromatická aberace: závislost ohniska na vlnové délce, patrnější na okrajích
odstraňuje se kompenzací pomocí achromatické dvojice
(aberace obecně je odchylka od teoretického modelu)
By DrBob, Pitel via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
28 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
chromatická aberace
By DrBob, Pitel, and Stan Zurek via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
29 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
Vinětace
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
30 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
přirozená vinětace: vyplývá z rovnice ozáření odvozené z modelu dírkové kamery,
kde 𝐸 je intenzita ozáření senzoru Wm−2 ,𝐿 je intenzita záření zobrazovaného bodu
(elementární plošky) Wm−2
, 𝑑 je průměr clony, 𝑓 je ohnisková vzdálenost
obrazová rovina
a
𝑓
𝐸
𝐿
𝐸 = 𝐿
𝜋
4
𝑑
𝑓
2
cos4 𝛼
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
31 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
optická vinětace: je způsobena fyzickými rozměry
čočky (tloušťkou skla) více se projevuje při otevřené
cloně: paprsky na krajích mají delší dráhu průchodu
soustavou čoček
mechanická vinětace: v podstatě blokování částí
obrazu (zorného pole) mechanickými překážkami
(například nevhodná sluneční clona)
pixelová vinětace: není vadou objektivu, ale vadou
digitálních senzorů, kdy na okrajové elementy dopadají
paprsky pod ostřejším úhlem než na elementy
uprostřed, což se projeví jako ztmavnutí díky směrové
charakteristice prvků snímače
vinětace se obecně může relativně snadno korigovat
lokálním zvýšením jasu na základě známého modelu
konkrétního objektivu
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
32 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
radiální zkreslení: geometrické
zkreslení zejména širokoúhlých
objektivů
koriguje se na základě softwarové
kalibrace.
By WolfWings via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
soudkovité polštářkovité
𝑟
∆𝑥
∆𝑦𝑥, 𝑦
𝑥′, 𝑦′
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
33 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Typické vady optických soustav
model radiálního zkreslení
𝑟 = 𝑥′ − 𝑥 𝑐
2 + 𝑦′ − 𝑦𝑐
2
𝑥′ = 𝑥 1 + 𝑘1 𝑟2 + 𝑘2 𝑟4 + 𝑘3 𝑟6
𝑦′ = 𝑦 1 + 𝑘1 𝑟2 + 𝑘2 𝑟4 + 𝑘3 𝑟6
By WolfWings via Wikimedia Commons from Wikimedia Commons
𝑟
∆𝑥
∆𝑦𝑥, 𝑦
𝑥′, 𝑦′
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
34 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Jednooká zrcadlovka (Single-Lens Reflex camera)
objektiv
matnice
zrcátko
pětiboký
hranol
závěrka
senzor(film)
senzor ostření
clona
měření
hledáček
expozice
PRAKTICKÁ OPTIKA Videotechnika a multimédia
35 / ?? Kamil Říha
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Děkuji za pozornost