RU EN
lrg rst sml

Авторизация

Запомнить

OS

34%Windows 7
34%Windows XP
8%Windows NT
7%Mac OS X
5%Linux
floors_1.pngfig_8.png

Экспорт новостей

 
Изображение оптическое (к определению основного понятия теории светового поля) Печать E-mail
Автор Бахарев Д.В., Орлова Л.Н. Изображение оптическое // Светотехника. 2007. № 2. с. 4-7   

Оптические (видимые, зримые) образы окружающего мира очевидны в буквальном смысле этого слова. Поэтому специальных определений понятию "изображение оптическое" (ИО) обычно не дается. В геометрической [1] и статистической [2] оптике под ИО светящего объекта понимается его плоское воспроизведение оптическими системами в слое светочувствительного вещества. Популярные толкования понятия содержатся в словарях и энциклопедиях.

Например, в 3-м издании БСЭ этому понятию дается следующее определение: "Изображение оптическое, картина, получаемая в результате действия оптической системы на лучи, испускаемые объектами, и воспроизводящая контуры и детали объекта [т.10, 1972, стр.85]". Далее "оптические системы" определяются как "совокупности оптических деталей (линз, зеркал, призм, пластинок, диспергирующих элементов), образующие изображения оптические предметов на приемниках световой энергии (глаз, светочувствительный слой, фотоэлемент и т.д.) или преобразующие по заданным законам пучки световых лучей (осветительные системы) [БСЭ, т. 18, 1974, стр.455]".

В первой дефиниции "изображение оптическое" определяется через "оптическую систему", во второй "оптические системы" определяются через "изображение оптическое". Логический круг лишь подчеркивает формальный характер этих определений, которым, видимо, не придавалось существенного значения. Между тем, последние исследования [3-6] показали, что физические явления, объединяемые понятием "изображение оптическое", имеют фундаментальное значение для построения фотометрической теории светового поля (ФТСП) и нуждаются в строгом терминологическом определении, классификации и описании.

Заметим, что во 2-м издании БСЭ рассматриваемому понятию давалась более близкая к истине дефиниция: "Изображение оптическое - распределение света в пространстве, полученное преобразованием лучей, идущих от предмета [т.17, 1952, стр.445]". Если исключить из нее следующее после запятой дополнение, то распределение света в пространстве как раз и есть оптическое изображение пространства и всего множества светящих в нем объектов. Изображения, получаемые преобразованием лучей в искусственных оптических системах, являются лишь частными разновидностями оптических изображений.

Итак, изображением оптическим (ИО) будем называть распределение света в пространстве, воспроизводящее форму и положение светящих объектов, характер их свечения и оптические свойства среды, в которую они светят. Поскольку изучение распределения света составляет предмет ФТСП, то ИО следует считать ее основным понятием, раскрывающим качественную сущность изучаемого явления. ФТСП понимается здесь в феноменологическом смысле, подробно раскрытом в первой главе [7]. Количественно распределение света характеризуются фотометрическими величинами, представляющими собою отношение светового потока (мощности излучения) к различным единицам измерения пространства (площади, объема, телесного угла и т.д.). Множества значений таких величин в рассматриваемой области пространства и есть световые поля. Любые из них (освещенности, яркости, светового вектора и т.д.) являются пространственными ИО. По характеру образования и строению различаются рассеянные, размытые (диафрагмированные) и "четкие" ИО.

Всякий светящий объект излучает в пространство свое рассеянное ИО [4]. Впервые эту мысль высказал Тит Лукреций Кар [8, стр.302]:

"И так я сказал, поверхности тел из себя испускают
Фигуры особые, предметов точные образы;
Сравнить бы их можно с кожицей тонкой иль оболочкою их;
От тел отделившись, они пролетают чрез пространства свободные."

Image
Рис.1. Поле освещенности в сечении рассеянного оптического изображения светящего параллелепипеда. Голубые линии - следы вертикальных плоскостей пространственного рисунка изображения, ограничивающего зоны изображений вертикальных граней и ребер параллелепипеда.
Действительно, на рис.1 видно, что поле освещенности Ez горизонтальной плоскости, создаваемое светящим параллелепипедом, есть его точный оптический образ, состоящий из 8 фигур, которые расширяются (рассеиваются) в окружающее пространство. Бесконечные продолжения плоскостей 6-ти граней параллелепипеда, разделяющих пространство на 26 зон, образуют рисунок рассеянного ИО. Зоны являются изображениями граней, ребер и вершин параллелепипеда. Разности освещенности поверхностей трех ортогональных площадок в окрестностях любой точки пространства дают координаты векторного поля, характеризующего осредненный перенос излучаемого объектом светового потока [6].

Мир тесен - свободных пространств в нем нет. "Пролетая" между другими объектами, рассеянные ИО диафрагмируются ими и превращаются в более четкие и повернутые на 180° структуры.

Четкость ИО всегда относительна. Изображение светящей точки может быть точкой только в идеальной, стигматической оптической системе. Теория и способы получения и построения "четких" (далее без кавычек) ИО подробно изложены в обширной литературе по оптике и начертательной геометрии. Разветвление науки о четких ИО на два довольно изолированных раздела было вызвано их различным практическим приложением. Оптика изучала физику явления для построения оптических приборов, имитирующих зрительное восприятие предметов и расширяющих его возможности для видения удаленных и мелких объектов, независимо от их конкретной формы. Начертательная геометрия рассматривала структуру и способы построения изображений именно конкретных пространственных объектов для адекватного плоского воспроизведения их в искусстве и технике.

Четкие ИО формируются сходящимися пучками лучей. Поэтому расходящиеся пучки, которые наряду со сходящимися составляют, согласно М.Планку, четырехмерное бесконечное множество гомоцентрических пучков, образующих переносящий энергию физический пучок лучей, не привлекали внимания исследователей. С появлением линзовой оптики был потерян интерес к камере-обскуре - первому проекционному оптическому прибору, в котором довольно четкие ИО формировались расходящимися лучами.

Image
Рис.2. Разрез бесконечной улицы и 5-этажного дома с помещениями. Н, Ф, и З - зоны чистых изображений неба, фасада противостоящего здания и земной поверхности; НФ и ЗФ - размытые контуры линий парапета и цоколя, т.е. зоны смешения изображений неба, фасада и земли. Распределения прямой составляющей от неба МКО (1) и результирующей (2) яркости фасадов и земли при средневзвешенных коэффициентах отражения фасада - 0,4 и земли - 0,6.
Камеру-обскуру можно рассматривать как экспериментальную установку, наглядно демонстрирующую существование самого обширного класса ИО - размытых изображений. На рис.2 представлена схема такой установки, где функции темной камеры выполняет обычное помещение на первом этаже 5-этажного здания, а объектом ИО является бесконечная уличная полость, освещаемая облачным небом МКО. Как видно на рисунке, проецируемое на поверхности помещения малым отверстием O перевернутое ИО объектов внешней среды (ОВС): неба (Н), фасада (Ф) противостоящего здания и покрытой снегом земли (З), - имеет весьма простой линейный рисунок, образованный довольно четкими контурами OA' и OB' перспективной проекции темного фасада на светлом фоне земли и неба. Синтезированные нашей программой Lara_02 изображения ОВС, которые увидит наблюдатель в камере/помещении при разных размерах отверстия/окна, показаны на рис.3.

Image
Рис.3. Компьютерные фотоизображения камеры/помещения (слева) и ИЯ ОВС на его поверхностях (справа) при увеличении размеров проецирующего отверстия/окна от 6х7 см до 150х207 см.
На верхнем рисунке слева наблюдатель видит на поверхностях камеры весьма четкое, засвеченное многократными отражениями изображение ОВС. Его яркость искажается косинусом угла падения лучей и обратным квадратом расстояния участков изображения от отверстия. Справа показано средневзвешенное по проекции телесного угла, в котором видно отверстие из точек поверхности камеры, т.е. освобожденное от этих искажений изображение яркости (ИЯ) ОВС. Введенное в [5] поле ИЯ наглядно воспроизводит показанную на рис.2 натурную яркость ОВС и структуру A'OB' (рисунок) изображения.

С увеличением отверстия четкое изображение переходит в размытое, которое можно наблюдать в обычных помещениях с боковым освещением [3,5]. На рис.4 приводятся градуированные 16 перепадами яркости изображения, четко выявляющие структуру поля. Рисунок размытого ИО воспроизводит не только форму ОВС, но и форму проецирующего отверстия, поэтому структуры естественных световых полей являются более сложными и многообразными, чем линейные рисунки четких изображений. Начала геометрии пространственных структур размытого ИО излагаются в [6]. В начертательной геометрии, претендующей ныне на роль общей теории изображений [9], рассеянные и размытые ИО вообще не упоминаются. Как видно на рис.1-4, размытое ИО ОВС является обязательной составляющей четкого изображения помещения, воспринимаемого наблюдателем.

Image
Рис.4. Градуированное 16 перепадами яркости изображение камеры/ помещения (слева) и ИЯ ОВС (справа), наглядно выявляющее структуру светового поля.
Рис.1- 6 наглядно иллюстрируют сложнейшую аддитивную иерархию различных типов ИО, которые формируют воспринимаемые нами четкие ИО.

Прежде всего, входная щель уличной полости проецирует на поверхности улицы и фасадов повернутое на 180° размытое ИО источника света - облачного неба МКО (рис.2, графики 1). Многократно отражаясь от них в виде затухающих рассеянных ИО улицы и фасадов, оно создает на них свою отраженную составляющую - рефлексы. Рефлексы не только увеличивают яркость начального ИО неба, но и прибавляют к нему затухающий ряд собственных рассеянных изображений улицы и фасадов (графики 2).

Далее, проемы помещений проецируют перевернутые размытые ИО противоположного фасада, уличной поверхности и неба на поверхности помещений (рис.5,6). Подобно образованию результирующего ИО неба на поверхностях улицы, в отраженную составляющую этих вторичных ИО ОВС также внедряется затухающий ряд собственных рассеянных изображений внутренней полости помещения и проема.

Image
Рис.5. Гладкие и градуированные изображения камеры обскуры и ИЯ ОВС на ее поверхностях при наблюдении улицы с разных уровней.
Image
Рис.6. Гладкие и градуированные изображения помещения и ИЯ ОВС на 5-ти этажах здания, демонстрирующие оптическую аналогию формирования световых полей в человеческом глазе и в помещениях.
Объем информации в показанных на рис.5,6 четких ИО помещений огромен. Они содержат полное оптическое (зримое) описание всего жизненного пути фотонов, формирующих изображение, - от их рождения в солнечной фотосфере, поглощения и вторичного излучения веществом земной атмосферы, городской среды, помещений и до поглощения сетчаткой глаза. То, что мы видим, есть наложение пейзажей пройденного ими пути. Это хорошо иллюстрирует рис.7, на котором показан промежуточный ортогональный пейзаж дома на заснеженном участке, освещенном Солнцем и безоблачным небом. Изображение синтезировано модулем ClearSky нашей программы Lara_02, реализующим спектрально-колориметрическую модель безоблачной атмосферы [10, 11]. Как видно на рис.7, тени являются размытыми изображениями светящей атмосферы, т.е. изображениями ее индикатрисы рассеяния и оптической толщи. Инсолируемые участки есть сумма изображений неба и Солнца. Контуры и структура теней воспроизводят сложную форму апертурных диафрагм, образованных конфигурацией здания в потоках параллельных солнечных и сходящихся от неба гомоцентрических лучей.

Image
Рис.7. Горизонтальная ортогональная проекция (план) покрытого снегом участка и дома, освещаемого безоблачным небом и Солнцем. Рефлексы (отраженная составляющая) не показаны. На нижних рисунках изображения градуированы 16 перепадами яркости, демонстрирующими структуру теней как размытых изображений неба и Солнца.
Понимание светового поля как пространственного ИО светящих объектов требует уточнения некоторых понятий геометрической оптики и начертательной геометрии. В частности, принятое в геометрической оптике разделение единого пространства на "пространство предметов" и "пространство изображений" остается справедливым только для оптических систем, дающих четкие изображения. В пространстве предметов четкие ИО действительно отсутствуют. Естественное пространство рассеянных и размытых изображений иногда невозможно отделить от светящего объекта, например, земной атмосферы. В естественном световом поле пространством, в котором отсутствует ИО предмета, может быть только сам не прозрачный светящий предмет.

Более широкий смысл приобретает также и понятие "оптическая система". По существу, в теории светового поля оптической системой является любой светящий объект, посылающий в пространство ИО, формирующееся в поверхностном молекулярном слое вещества. В понятиях статистической физики пространственный рисунок такого ИО есть самоорганизующаяся структура случайного, хаотического излучения фотонов светопроницаемым слоем объекта [12]. Теорию светового поля можно с полным основанием считать разделом теории естественных рассеянных и размытых ИО.

Под естественными ИО здесь подразумеваются любые световые поля, в том числе порождаемые искусственными ИС и СП. Создаваемое СП световое поле не может быть ни чем иным, как пространственным оптическим изображением ИС и конструктивных элементов прибора. Поэтому поле освещенности рабочей поверхности и КСС СП всегда являются кусочно-непрерывными функциями. Для их корректных измерений и расчетов необходим предварительный геометрический анализ зональной структуры изображения СП. Аппроксимация КСС гладкой функцией приводит к заведомым погрешностям в расчете ОУ, которые можно избежать при зональной аппроксимации. К сожалению, предложенная 15 лет назад [13] оптическая теория светового поля до сих пор игнорируется как в расчетах искусственного, так и естественного освещения.

В начертательной геометрии до настоящего времени в основном изучалась линейная, контурная структура четких перспективных и ортогональных проекций предметов на картинных поверхностях. Потребность в алгоритмах закраски контурных участков предметов, теней и рефлексов, обострившаяся с появлением компьютерной графики (КГ), пока не привела к пониманию их сложнейшей структуры как рисунка ИО. Теорию четких изображений конкретных предметов еще предстоит дополнить разделами геометрии рассеянных и размытых изображений и их многократных затухающих отражений, формирующих структуру рефлексов.

Адекватное изучаемому физическому явлению понимание ФТСП как синтеза геометрической оптики, проективной геометрии и математики переноса излучения (теории интегро-дифференциальных, интегральных уравнений, векторных полей и статистического анализа) потребует существенных изменений в ее построении и изложении. Оптико-геометрический подход к описанию качественной сущности явления открывает здесь широкие возможности для исследователей, работающих как в области искусственного, так и естественного освещения. ФТСП едина для любых систем освещения. Настало время объединить усилия для создания общего теоретического фундамента практических расчетов ОУ.

Список литературы.

  1. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: "Машиностроение". 1969. с. 670.
  2. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: "Мир". 1988. с. 528
  3. Бахарев Д.В. Естественное световое поле в помещении как оптическое изображение внешней среды // Светотехника. 1992. № 4. С. 11 - 14.
  4. Бахарев Д.В. Геометрия размытого оптического изображения // Светотехника. 1993. № 8. С. 10 - 13.
  5. Бахарев Д.В. Оптический метод расчета естественного освещения // Светотехника. 1996. № 7. С. 28 - 32.
  6. Бахарев Д.В. О структуре световых полей // Светотехника. 2005. №3. С. 40 - 44.
  7. Гершун А.А. Теория светового поля. В кн. Избранные труды по фотометрии и светотехнике, М.: ГИФМЛ, 1958, c. 224-367.
  8. Промышленность и техника. Т.2. Силы природы. СПб.: Просвещение. 1902, с. 843.
  9. Соболев Н.А. Общая теория изображений, М.: Архитектура С, 2004, с. 672
  10. Орлова, Л.Н. Радиационная модель безоблачной атмосферы в оптическом диапазоне спектра // Светотехника. 1993. № 2. С. 1–4.
  11. Бахарев Д.В., Орлова Л.Н., Широбоков А.Ф. О визуализации спектральной модели безоблачного неба и Солнца // Светотехника. 2000. № 4. С. 30–34.
  12. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса. М.: "Наука" ГРФМЛ. 1990, с. 320
  13. Бахарев Д.В. Об оптической природе полей освещенности. Труды I Международной светотехнической конференции. Санкт-Петербург, 14-18 июня 1993 г с. 110.

Обсудить новость в форуме. (1 сообщений)

 
« О нормировании и расчете инсоляции   О структуре световых полей »