Что такое кгц в звуке

15

Что такое кГц измерение в цифровом аудио?

EQ – кошмар аудиофила. Эквалайзер – вся правда о неправде (Июль 2023)

кГц является коротким для килогерца и является измерением частоты (циклов в секунду). В цифровом аудио это измерение описывает количество блоков данных, используемых в секунду для представления аналогового звука в цифровой форме. Эти блоки данных известны как частота дискретизации или частота дискретизации.

Это определение часто путают с другим популярным термином в цифровом аудио, называемом битрейтом (измеряется в kbps). Однако разница между этими двумя терминами заключается в том, что битрейт измеряет количество выборок каждую секунду (размер кусков), а не количество блоков (частоты).

Замечания: кГц иногда называют частотой дискретизации, интервалом выборки или циклами в секунду.

Общие частоты дискретизации, используемые для цифрового музыкального контента

В цифровом аудиосигнале наиболее распространенные частоты дискретизации, с которыми вы столкнетесь, включают:

• 8 кГц для речи, аудиокниг и т. Д.
• 22 кГц для оцифрованных аналоговых монофонических записей, таких как виниловые пластинки и кассеты
• 32 кГц для потоковой передачи музыки, радиостанций
• 44,1 кГц используется для аудио компакт-дисков и обычно является стандартом де-факто для загруженной музыки (например, из iTunes) в таких форматах, как MP3, AAC, WMA и другие
• 48 и 96 кГц используется для оборудования высокой четкости и профессионального звука.

Определяет ли kHz качество звука?

Теоретически, чем выше значение kHz, которое используется, тем лучше качество звука будет. Это связано с большим количеством блоков данных, используемых для описания аналогового сигнала.

Обычно это относится к цифровой музыке, которая содержит сложное сочетание частот. Однако эта теория падает, когда вы имеете дело с другими типами аналогового звука, такого как речь.

Популярная частота дискретизации для речи составляет 8 кГц; ниже качества аудио CD на 44,1 кГц. Это связано с тем, что человеческий голос имеет частотный диапазон приблизительно от 0,3 до 3 кГц. Учитывая этот пример, более высокий кГц не всегда означает лучшее качество звука.

Более того, поскольку частота поднимается до уровней, которые большинство людей даже не слышит (обычно около 20 кГц), было высказано предположение, что даже эти неслышимые частоты могут негативно повлиять на качество звука.

Вы можете проверить это, прослушивая что-то на сверхвысокой частоте, которое поддерживает ваше звуковое устройство, но вы не должны его слышать, и вы можете обнаружить, что в зависимости от вашего оборудования вы будете слышать щелчки, свистки и другие звуки ,

Эти звуки означают, что частота дискретизации слишком велика. Вы можете либо купить различное оборудование, которое может поддерживать эти частоты, либо снизить частоту дискретизации на гораздо более управляемый, например 44,1 кГц.

Как указать пятнистый лак в цифровом файле

В программном обеспечении макета страницы точечный лак задается как цвет с надписью. Узнайте, как настроить цифровой файл.

Что такое файловая система и что такое разные типы?

Файловая система — это способ организации информации на запоминающем устройстве, таком как жесткий диск компьютера. Общие файловые системы включают NTFS, FAT и т. Д.

Что такое обрезка аудио и что вызывает это?

Обрезка аудио описывает искажение звука, создаваемое при слишком большом звуковом сигнале, и его экстремальные формы сигнала обрезаются.

Что означает единица кГц в цифровой музыке?

КГц коротко для килогерца и является измерением частоты (циклов в секунду). В цифровом аудио это измерение описывает количество фрагментов данных, используемых в секунду для представления аналогового звука в цифровой форме. Эти порции данных известны как частота дискретизации или частота дискретизации.

Это определение часто путают с другим популярным термином в цифровом аудио, называемым битрейтом (измеряется в кбит / с). Тем не менее, разница между этими двумя терминами заключается в том, что битрейт показывает, сколько дискретизируется каждую секунду (размер порций), а не количество порций (частота).

КГц иногда называют частотой дискретизации, интервалом дискретизации или циклами в секунду.

Общие показатели выборки, используемые для цифрового музыкального контента

В цифровом аудио наиболее распространенные частоты дискретизации:

• 8 кГц для речи, аудиокниг и т. Д.
• 22 кГц для оцифрованных аналоговых монофонических записей, таких как виниловые пластинки и кассеты
• 32 кГц для потоковой передачи музыки , радиостанций
• 44,1 кГц используется для аудио компакт-дисков и, как правило, является стандартом де-факто для загружаемой музыки (например, из iTunes) в таких форматах, как MP3 , AAC , WMA и другие.
• 48 и 96 кГц используется для оборудования высокой четкости и профессионального аудио.

Определяет ли кГц качество звука?

Теоретически, чем выше используемое значение кГц, тем лучше будет качество звука. Это связано с большим количеством фрагментов данных, используемых для описания аналогового сигнала.

Это обычно верно в случае цифровой музыки, которая содержит сложное сочетание частот. Однако эта теория рушится, когда вы имеете дело с другими типами аналогового звука, такими как речь.

Популярная частота дискретизации для речи составляет 8 кГц; намного ниже качества аудио CD на 44,1 кГц. Это связано с тем, что человеческий голос имеет частотный диапазон приблизительно от 0,3 до 3 кГц. Учитывая этот пример, более высокая частота кГц не всегда означает лучшее качество звука.

Более того, поскольку частота поднимается до уровней, которые большинство людей даже не слышат (обычно около 20 кГц), было высказано предположение, что даже эти неслышимые частоты могут отрицательно повлиять на качество звука.

Вы можете проверить это, прослушивая что-то на сверхвысокой частоте, которую поддерживает ваше звуковое устройство, но которую вы не должны слышать, и вы можете обнаружить, что в зависимости от вашего оборудования вы фактически услышите щелчки, свистки и другие звуки.

Эти звуки означают, что частота дискретизации установлена ​​слишком высокой. Вы можете либо купить другое оборудование, которое может поддерживать эти частоты, либо уменьшить частоту дискретизации до чего-то гораздо более управляемого, например, 44,1 кГц.

Какая частота дискретизации звука лучше:
как выбрать нужные ГЦ?

5.0 Оценок: 3 (Ваша: )

Выбор эксперта: топ виртуальных
генераторов звуковых частот

| Звуковой редактор с тонгенератором.

Частота дискретизации — одна из основных характеристик цифрового звука. Разобраться, что означает этот параметр, важно аудиофилам и начинающим музыкантам. Мы расскажем, какая частота дискретизации лучше, и объясним, на что она влияет.

Какие бывают звуковые частоты?

Каждый звук характеризуется частотой — количеством колебаний волны за 1 секунду. Именно это значение определяет, слышим мы комариный писк, утробный гул или более сложные сочетания, которые, например, характерны для вокала и музыкальных инструментов.

В идеальной ситуации человеческое ухо воспринимает (слышит) звуки в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц. В реальности диапазон более узкий. К тому же он может меняться с возрастом, после перенесенных болезней и даже в зависимости от самочувствия в определенный момент.

В музыкальном производстве и в аудиоаппаратуре указанный диапазон разделяется на 3 поддиапазона частот:

• Низкие (НЧ) — до 200 Гц.
• Средние (СЧ) — от 200 Гц до 5 кГц.
• Высокие (ВЧ) — от 5 кГц.

Встречается и более подробное деление, например на низкие басы и верхние басы низкие средние, средние средние и верхние средние, низкие высокие и верхние высокие.

На что влияет амплитудно-частотная характеристика?

Частота определяет тональность, тогда как за громкость отвечает амплитуда волны, которая исчисляется в децибелах (дБ). В действительности у всех звуков бесконечно широкий частотный спектр. Это происходит даже в тех случаях, когда они создаются генератором звуковых частот. Дополнительные значения выше и ниже по спектру возникают при воспроизведении.

Взаимосвязь амплитуды и частоты называется амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Обычно ее изображают в виде графика.

Пример графика амплитудно-частотной характеристики

На графике видно, что звуки сохраняются даже за границами слышимого диапазона (обозначен красным). То есть мы можем просто не воспринимать звук, но по факту он еще звучит. Амплитуда — относительная характеристика, полного затухания не происходит. Колебания волн можно выявить лабораторным оборудованием.

Когда говорят об АЧХ, подразумевают диапазон, в котором звук более выражен. Например для большого барабана это 100-250 Гц, для скрипки — 180-3500 Гц, баритона — 110-392 Гц, сопрано — 262-1046 Гц. Их звучание можно подчеркнуть правильной настройкой эквалайзера.

Большое значение имеет АЧХ звуковой карты (аудиоинтерфейса), микрофона, колонок (мониторов), наушников и других устройств, которые сами по себе не генерируют звук. Они должны охватывать весь полезный спектр. В противном случае часть звуков не будет записываться (воспроизводиться).

График АЧХ звукозаписывающего и звуковоспроизводящего оборудования должен быть относительно ровным (идеальная линия возможна не всегда). Иначе сами устройства будут добавлять искажения. Чтобы улучшить АЧХ, рабочий диапазон расширяют, например от 10 Гц до 40 кГц (подобные значения можно увидеть в характеристиках устройств). Благодаря этому в слышимом спектре график — более ровный, а звучание — более качественное.

Чем отличается аналоговый сигнал от цифрового?

Звуковые волны относительно легко сохраняются и преобразуются в аналоговой аппаратуре. Конкретные частоты определяются глубиной канавки на пластинке или интенсивностью магнитного поля ленты (в кассетах и бобинах). Механические колебания и магнитное излучение преобразуются в электрические импульсы, которые усиливаются и передаются на диффузор (мембрану) динамиков или наушников. Колебания диффузора в свою очередь создают звуковые волны.

Принципиально иная ситуация с цифровой аппаратурой. Она хранит информацию в виде последовательности нулей и единиц, где 1 — это наличие электрического напряжения, а 0 — его отсутствие. Чтобы преобразовать песню или голос в поток данных, нужен специальный алгоритм. Он определенным образом разложит весь частотный спектр на единицы и нули, а также выделит блоки данных, которые будут отвечать за амплитуду.

Теорема Котельникова: зачем ее знать при работе со звуком?

Принцип, по которому звуковые колебания можно представить в цифровом виде, был предложен В.А. Котельниковым. В основе этого принципа лежит математическая модель. В зарубежных источниках используются названия «теорема отсчетов» и «теорема Найквиста-Шеннона».

По Котельникову, частота дискретизации должна минимум в 2 раза превышать наивысшую частоту полезного сигнала. В противном случае будет происходить потеря информации и наложение звуков. На слух это воспринимается как различного рода искажения (артефакты).

Как уже говорилось, все звуки фактически имеют бесконечный спектр. К тому же при расчетах неизбежно происходит округление значений. Поэтому при текущем уровне технологий идеальная оцифровка звука невозможна. Чтобы компенсировать потерю и искажение данных, частота дискретизации должна иметь некоторый запас. Например, по стандарту, для звуковых компакт-дисков (Audio CD) параметр составляет 44100 Гц. Максимальная частота для восприятия человеческим ухом — 20000 Гц. 44100 : 2 — 20000 = 2050 Гц (запас значений).

Сэмплы и битрейты

Частота дискретизации также называется сэмплрейтом (Sample Rate) и указывает на периодичность выборки данных в течение 1 секунды. За объем информации (количество бит), который можно передать за 1 секунду отвечает битрейт. Параметры влияют на точность кодирования, но не зависят друг от друга.

Чем точнее кодирование (лучше качество), тем выше объем пересылаемых данных. Лимит, устанавливаемый битрейтом, заставляет кодек не оцифровывать определенные части сигнала. Чем ниже битрейт, тем хуже качество.

Возможно 3 варианта битрейта:

• Постоянный — не меняется на протяжении всей аудиозаписи. Можно точно определить конечный размер файла, но выделяемые ресурсы не всегда расходуются оптимально.
• Переменный — алгоритм повышает или понижает параметр, исходя из определенных условий. Например устанавливает низкий для фрагментов с более ровной АЧХ и высокий — для динамичных эпизодов. Ресурсы расходуются более оптимально, но предсказать размер файла невозможно.
• Усредненный — может меняться в заданных пределах. Частично компенсирует недостатки других разновидностей — можно рассчитать примерный размер файла и более рационально распределять ресурсы.

Максимальные и минимальные значения битрейта и сэмплрейта зависят от возможностей оборудования, а также ограничиваются требованиями конкретного аудиоформата. Например для MP3 допустим битрейт 8-320 кбит/с, а сэмплрейт — 8000-48000 Гц.

Какую частоту дискретизации используют в музыке?

Вопрос, какая частота дискретизация считается стандартной для музыки, не имеет однозначного ответа. Нижняя граница устанавливается в 44100 Гц, что соответствует CD-качеству. При этом большинство не заметит искажений.

Некоторые потоковые сервисы переходят на 48000 Гц. Это стандарт для DVD и DAT (профессиональный формат цифровой записи на магнитную ленту, сейчас используется редко). Однако даже на качественной аппаратуре не все пользователи смогут услышать разницу.

В профессиональной среде могут использоваться сэмплрейты 96000 и 192000 Гц. С такими параметрами сохраняются оригинальные студийные записи. В дальнейшем они конвертируются под требования конкретных носителей и форматов. Эти же значения поддерживаются DVD-аудио и Blu-ray.

В чем отличие частоты дискретизации в музыке и видео?

Дискретизация в видео может быть больше, чем в музыке. В звуке в кино допускается много деталей — фоновая мелодия, голос, щелчки, пение птиц и так далее. Всё это должно звучать воедино. В музыке всё проще: есть голос и музыка, без особенных дополнений и сложного фона (бэк-вокал, например, — тоже голос). Поэтому частота дискретизации в музыке ниже, чем при кодировании видеоданных. Для оцифровки видео применяются другие алгоритмы, а сэмплрейт учитывают преимущественно при разработке и настройке оборудования.

Почему высокие частоты дискретизации — это плохо?

Определяясь с тем, какую частоту дискретизации выбрать для музыки, стоит учитывать возможности оборудования (своего и потенциального слушателя), требования носителя и платформы, а также цели, для которых создается трек. Сэмплрейт от 96 КГц и выше оправдан для записи сложных инструментальных и вокальных компазиций (оперы или симфонии) в DAW-программах. Однако после параметр все равно будет снижен до 48 или 44,1 КГц.

• Сэмплрейт влияет на размер файла.
• Обработка данных требует вычислительных мощностей. Чем выше сэмплрейт, тем сильнее нагружается компьютер или смартфон. Воспроизведение файлов с 44,1 и 48 КГц не вызывает проблем. При более высоком параметре устройство может зависнуть.
• Сэмплрейт должен поддерживаться аудиочипом. 44,1 КГц предусматриваются всегда. Некоторые устройства из нижнего ценового сегмента также могут обрабатывать 48 КГц. Если значение не поддерживается, параллельно с воспроизведением аудиоданные кодируются с оптимальными (для конкретного устройства) характеристиками, что сильнее нагружает систему и может приводить к ошибкам.
• Конвертация не повышает качество. Если взять файл с 44,1 КГц и преобразовать его в аудиозапись с 96 КГц, звучание не меняется.
• Многие слушатели используют дешевое оборудование, которое их полностью устраивает. Гарнитура смартфона не всегда способна продемонстрировать разницу между низким и высоким битрейтом и ошибки в мастеринге. Даже люди с идеальным слухом на качественном оборудовании иногда не могут оценить преимущества сэмплрейта больше 48 КГц.

Как изменить частоты дискретизации в песне?

После того как вы определились, какая лучше частота дискретизации звука для музыки, может потребоваться конвертация файл с новыми значениями. Для этого пригодится звуковой редактор, например АудиоМАСТЕР.

АудиоМАСТЕР

Приложение поддерживает сэмплрейт от 8000 до 192000 Гц. Однако допустимые параметры определяются конкретным форматом. Например, для WAV это 8000-96000 Гц, а для AAC — 16000-64000 Гц.

Запустите редактор и импортируйте в него нужный файл. Можно воспользоваться кнопкой «Открыть файл» или перетащить аудиозапись в окно программы.

В меню «Файл» выберите «Сохранить как…».

Укажите формат, битрейт, дискретизацию, разрядность (графа «Четкость») и другие нужные характеристики. Нажмите «Сохранить», чтобы применить изменения. Затем введите имя файла и выберите папку для экспорта.

Итоги

Мы рассказали, что такое сэмплрейт и на что он влияет. Теперь вы знаете, какая лучше частота дискретизации звука для наушников смартфона и насколько целесообразны высокие характеристики.

Наиболее распространенными значениями являются 44100 и 48000 Гц. Они поддерживаются популярными кодеками и современными аудиочипами в компьютерах и гаджетах. Более высокие параметры (от 96 КГц) используются в крупных студиях, например при записи симфонической музыки. Однако в дальнейшем сэмплрейт все равно снижается при производстве CD и подготовке аудиофайлов для потоковых сервисов.

Часто задаваемые вопросы:

Это объем информации (количество бит), которое выделяется на хранение каждого сэмпла. Наиболее распространенное значение — 16.

Это одно и то же. В англоязычных материалах вместо «дискретизации» используется термин «sampling», что и переводится как «сэмплирование».

Специальная программа или микросхема для преобразования аналогового сигнала в поток данных и наоборот — аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразования.

Подробнее о частоте и длине волны

Частота — это величина, измеряющая как часто повторяется тот или иной периодический процесс. В физике с помощью частоты описывают свойства волновых процессов. Частота волны — количество полных циклов волнового процесса за единицу времени. Единица частоты в системе СИ — герц (Гц). Один герц равен одному колебанию в секунду.

Длина волны

Существует множество различных типов волн в природе, от вызванных ветром морских волн до электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн зависят от длины волны. Такие волны разделяют на несколько видов:

• Гамма-лучи с длиной волны до 0,01 нанометра (нм).
• Рентгеновские лучи с длиной волны — от 0,01 нм до 10 нм.
• Волны ультрафиолетового диапазона, которые имеют длину от 10 до 380 нм. Человеческому глазу они не видимы.
• Свет в видимой части спектра с длиной волны 380–700 нм.
• Невидимое для людей инфракрасное излучение с длиной волны от 700 нм до 1 миллиметра.
• За инфракрасными волнами следуют микроволновые, с длиной волны от 1 миллиметра до 1 метра.
• Самые длинные — радиоволны. Их длина начинается с 1 метра.

Эта статья посвящена электромагнитному излучению, и особенно свету. В ней мы обсудим, как длина и частота волны влияют на свет, включая видимый спектр, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Электромагнитное излучение

Электромагнитное излучение — это энергия, свойства которой одновременно сходны со свойствами волн и частиц. Эта особенность называется корпускулярно-волновым дуализмом. Электромагнитные волны состоят из магнитной волны и перпендикулярной к ней электрической волны.

Энергия электромагнитного излучения — результат движения частиц, которые называются фотонами. Чем выше частота излучения, тем они более активны, и тем больше вреда они могут принести клеткам и тканям живых организмов. Это происходит потому, что чем выше частота излучения, тем больше они несут энергии. Большая энергия позволяет им изменить молекулярную структуру веществ, на которые они действуют. Именно поэтому ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма излучение так вредно для животных и растений. Огромная часть этого излучения — в космосе. Оно присутствует и на Земле, несмотря на то, что озоновый слой атмосферы вокруг Земли блокирует большую его часть.

Электромагнитное излучение и атмосфера

Атмосфера земли пропускает только электромагнитное излучение с определенной частотой. Большая часть гамма-излучения, рентгеновских лучей, ультрафиолетового света, часть излучения в инфракрасном диапазоне и длинные радиоволны блокируются атмосферой Земли. Атмосфера поглощает их и не пропускает дальше. Часть электромагнитных волн, в частности, излучение в коротковолновом диапазоне, отражается от ионосферы. Все остальное излучение попадает на поверхность Земли. В верхних атмосферных слоях, то есть, дальше от поверхности Земли, больше радиации, чем в нижних слоях. Поэтому чем выше, тем опаснее для живых организмов находиться там без защитных костюмов.

Атмосфера пропускает на Землю небольшое количество ультрафиолетового света, и он приносит вред коже. Именно из-за ультрафиолетовых лучей люди обгорают на солнце и могут даже заболеть раком кожи. С другой стороны, некоторые лучи, пропускаемые атмосферой, приносят пользу. Например, инфракрасные лучи, которые попадают на поверхность Земли, используют в астрономии — инфракрасные телескопы следят за инфракрасными лучами, излучаемыми астрономическими объектами. Чем выше от поверхности Земли, тем больше инфракрасного излучения, поэтому телескопы часто устанавливают на вершинах гор и на других возвышенностях. Иногда их отправляют в космос, чтобы улучшить видимость инфракрасных лучей.

Взаимоотношение между частотой и длиной волны

Частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу. Это значит, что по мере увеличения длины волны частота уменьшается и наоборот. Это легко представить: если частота колебаний волнового процесса высокая, то время между колебаниями намного короче, чем у волн, частота колебаний которых меньше. Если представить волну на графике, то расстояние между ее пиками будет тем меньше, чем больше колебаний она совершает на определенном отрезке времени.

Чтобы определить скорость распространения волны в среде, необходимо умножить частоту волны на ее длину. Электромагнитные волны в вакууме всегда распространяются с одинаковой скоростью. Эта скорость известна как скорость света. Она равна 299&nbsp792&nbsp458 метрам в секунду.

Видимый свет — электромагнитные волны с частотой и длиной, которые определяют его цвет.

Длина волны и цвет

Самая короткая длина волны видимого света — 380 нанометров. Это фиолетовый цвет, за ним следуют синий и голубой, затем зеленый, желтый, оранжевый и, наконец, красный. Белый свет состоит из всех цветов сразу, то есть, белые предметы отражают все цвета. Это можно увидеть с помощью призмы. Попадающий в нее свет преломляется и выстраивается в полосу цветов в той же последовательность, что в радуге. Эта последовательность — от цветов с самой короткой длиной волны, до самой длинной. Зависимость скорости распространения света в веществе от длины волны называется дисперсией.

Радуга образуется похожим способом. Капли воды, рассеянные в атмосфере после дождя, ведут себя так же как призма и преломляют каждую волну. Цвета радуги настолько важны, что во многих языках существуют мнемоника, то есть прием запоминания цветов радуги, настолько простой, что запомнить их могут даже дети. Многие дети, говорящие по-русски, знают, что «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан». Некоторые люди придумывают свою мнемонику, и это — особенно полезное упражнение для детей, так как, придумав свой собственный метод запоминания цветов радуги, они быстрее их запомнят.

Свет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен — зеленый, с длиной волны в 555 нм в светлой среде и 505 нм в сумерках и темноте. Различать цвета могут далеко не все животные. У кошек, например, цветное зрение не развито. С другой стороны, некоторые животные видят цвета намного лучше, чем люди. Например, некоторые виды видят ультрафиолетовый и инфракрасный свет.

Отражение света

Цвет предмета определяется длиной волны света, отраженного с его поверхности. Белые предметы отражают все волны видимого спектра, в то время как черные — наоборот, поглощают все волны и ничего не отражают.

Один из естественных материалов с высоким коэффициентом дисперсии — алмаз. Правильно обработанные бриллианты отражают свет как от наружных, так и от внутренних граней, преломляя его, как и призма. При этом важно, чтобы большая часть этого света была отражена вверх, в сторону глаза, а не, например, вниз, внутрь оправы, где его не видно. Благодаря высокой дисперсии бриллианты очень красиво сияют на солнце и при искусственном освещении. Стекло, ограненное так же, как бриллиант, тоже сияет, но не настолько сильно. Это связано с тем, что, благодаря химическому составу, алмазы отражают свет намного лучше, чем стекло. Углы, используемые при огранке бриллиантов, имеет огромное значение, потому что слишком острые или слишком тупые углы либо не позволяют свету отражаться от внутренних стен, либо отражают свет в оправу, как показано на иллюстрации.

Спектроскопия

Для определения химического состава вещества иногда используют спектральный анализ или спектроскопию. Этот способ особенно хорош, если химический анализ вещества невозможно провести, работая с ним непосредственно, например, при определении химического состава звезд. Зная, какое электромагнитное излучение поглощает тело, можно определить, из чего оно состоит. Абсорбционная спектроскопия, являющаяся одним из разделов спектроскопии, определяет какое излучение поглощается телом. Такой анализ можно делать на расстоянии, поэтому его часто используют в астрономии, а также в работе с ядовитыми и опасными веществами.

Определение наличия электромагнитного излучения

Видимый свет, так же как и всё электромагнитное излучение — это энергия. Чем больше энергии излучается, тем легче эту радиацию измерить. Количество излученной энергии уменьшается по мере увеличения длины волны. Зрение возможно именно благодаря тому, что люди и животные распознают эту энергию и чувствуют разницу между излучением с разной длиной волны. Электромагнитное излучение разной длины ощущается глазом как разные цвета. По такому принципу работают не только глаза животных и людей, но и технологии, созданные людьми для обработки электромагнитного излучения.

Видимый свет

Люди и животные видят большой спектр электромагнитного излучения. Большинство людей и животных, например, реагируют на видимый свет, а некоторые животные — еще и на ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Способность различать цвета — не у всех животных — некоторые, видят только разницу между светлыми и темными поверхностями. Наш мозг определяет цвет так: фотоны электромагнитного излучения попадают в глаз на сетчатку и, проходя через нее, возбуждают колбочки, фоторецепторы глаза. В результате по нервной системе передается сигнал в мозг. Кроме колбочек, в глазах есть и другие фоторецепторы, палочки, но они не способны различать цвета. Их назначение — определять яркость и силу света.

В глазу обычно находится несколько видов колбочек. У людей — три типа, каждый из которых поглощает фотоны света в пределах определенных длин волны. При их поглощении происходит химическая реакция, в результате которой в мозг поступают нервные импульсы с информацией о длине волны. Эти сигналы обрабатывает зрительная зона коры головного мозга. Это — участок мозга, ответственный за восприятие звука. Каждый тип колбочек отвечает только за волны с определенной длиной, поэтому для получения полного представления о цвете, информацию, полученную от всех колбочек, складывают вместе.

У некоторых животных еще больше видов колбочек, чем у людей. Так, например, у некоторых видов рыб и птиц их от четырех до пяти типов. Интересно, что у самок некоторых животных больше типов колбочек, чем у самцов. У некоторых птиц, например у чаек, которые ловят добычу в воде или на ее поверхности, внутри колбочек есть желтые или красные капли масла, которые выступают в роли фильтра. Это помогает им видеть большее количество цветов. Подобным образом устроены глаза и у рептилий.

Инфракрасный свет

У змей, в отличие от людей, не только зрительные рецепторы, но и чувствительные органы, которые реагируют на инфракрасное излучение. Они поглощают энергию инфракрасный лучей, то есть реагируют на тепло. Некоторые устройства, например приборы ночного видения, также реагируют на тепло, выделяемое инфракрасным излучателем. Такие устройства используют военные, а также для обеспечения безопасности и охраны помещений и территории. Животные, которые видят инфракрасный свет, и устройства, которые могут его распознавать, видят не только предметы, которые находятся в их поле зрения на данный момент, но и следы предметов, животных, или людей, которые находились там до этого, если не прошло слишком много времени. Например, змеям видно, если грызуны копали в земле ямку, а полицейские, которые пользуются прибором ночного видения, видят, если в земле были недавно спрятаны следы преступления, например, деньги, наркотики, или что-то другое. Устройства для регистрации инфракрасного излучения используют в телескопах, а также для проверки контейнеров и камер на герметичность. С их помощью хорошо видно место утечки тепла. В медицине изображения в инфракрасном свете используют для диагностики. В истории искусства — чтобы определить, что изображено под верхним слоем краски. Устройства ночного видения используют для охраны помещений.

Ультрафиолетовый свет

Некоторые рыбы видят ультрафиолетовый свет. Их глаза содержат пигмент, чувствительный к ультрафиолетовым лучам. Кожа рыб содержит участки, отражающие ультрафиолетовый свет, невидимый для человека и других животных — что часто используется в животном мире для маркировки пола животных, а также в социальных целях. Некоторые птицы тоже видят ультрафиолетовый свет. Это умение особенно важно во время брачного периода, когда птицы ищут потенциальных партнеров. Поверхности некоторых растений также хорошо отражают ультрафиолетовый свет, и способность его видеть помогает в поиске пищи. Кроме рыб и птиц, ультрафиолетовый свет видят некоторые рептилии, например черепахи, ящерицы и зеленые игуаны (на иллюстрации).

Человеческий глаз, как и глаза животных, поглощает ультрафиолетовый свет, но не может его обработать. У людей он разрушает клетки глаза, особенно в роговице и хрусталике. Это, в свою очередь, вызывает различные заболевания и даже слепоту. Несмотря на то, что ультрафиолетовый свет вредит зрению, небольшое его количество необходимо людям и животным, чтобы вырабатывать витамин D. Ультрафиолетовое излучение, как и инфракрасное, используют во многих отраслях, например в медицине для дезинфекции, в астрономии для наблюдения за звездами и другими объектами и в химии для отверждения жидких веществ, а также для визуализации, то есть для создания диаграмм распространения веществ в определенном пространстве. С помощью ультрафиолетового света определяют поддельные банкноты и пропуска, если на них должны быть напечатаны знаки специальными чернилами, распознаваемыми с помощью ультрафиолетового света. В случае с подделкой документов ультрафиолетовая лампа не всегда помогает, так как преступники иногда используют настоящий документ и заменяют на нем фотографию или другую информацию, так что маркировка для ультрафиолетовых ламп остается. Существует также множество других применений для ультрафиолетового излучения.

Цветовая слепота

Из-за дефектов зрения некоторые люди не в состоянии различать цвета. Эта проблема называется цветовой слепотой или дальтонизмом, по имени человека, который первый описал эту особенность зрения. Иногда люди не видят только цвета с определенной длиной волны, а иногда они не различают цвета вообще. Часто причина — недостаточно развитые или поврежденные фоторецепторы, но в некоторых случаях проблема заключается в повреждениях на проводящем пути нервной системы, например в зрительной коре головного мозга, где обрабатывается информация о цвете. Во многих случаях это состояние создает людям и животным неудобства и проблемы, но иногда неумение различать цвета, наоборот — преимущество. Это подтверждается тем, что, несмотря на долгие годы эволюции, у многих животных цветное зрение не развито. Люди и животные, которые не различают цвета, могут, например, хорошо видеть камуфляж других животных.

Несмотря на преимущества цветовой слепоты, в обществе ее считают проблемой, и для людей с дальтонизмом закрыта дорога в некоторые профессии. Обычно они не могут получить полные права по управлению самолетом без ограничений. Во многих странах водительские права для этих людей тоже имеют ограничения, а в некоторых случаях они не могут получить права вообще. Поэтому они не всегда могут найти работу, на которой необходимо управлять автомобилем, самолетом, и другими транспортными средствами. Также им сложно найти работу, где умение определять и использовать цвета имеет большое значение. Например, им трудно стать дизайнерами, или работать в среде, где цвет используют, как сигнал (например, об опасности).

Проводятся работы по созданию более благоприятных условий для людей с цветовой слепотой. Например, существуют таблицы, в которых цвета соответствует знакам, и в некоторых странах эти знаки используют в учреждениях и общественных местах наряду с цветом. Некоторые дизайнеры не используют или ограничивают использование цвета для передачи важной информации в своих работах. Вместо цвета, или наряду с ним, они используют яркость, текст, и другие способы выделения информации, чтобы даже люди, не различающие цвета, могли полостью получить информацию, передаваемую дизайнером. В большинстве случаев люди с цветовой слепотой не различают красный и зеленый, поэтому дизайнеры иногда заменяют комбинацию «красный = опасность, зеленый = все нормально» на красный и синий цвета. Большинство операционных систем также позволяют настроить цвета так, чтобы людям с цветовой слепотой было все видно.

Цвет в машинном зрении

Машинное зрение в цвете — быстроразвивающаяся отрасль искусственного интеллекта. До недавнего времени большая часть работы в этой области проходила с монохромными изображениями, но сейчас все больше научных лабораторий работают с цветом. Некоторые алгоритмы для работы с монохромными изображениями применяют также и для обработки цветных изображений.

Применение

Машинное зрение используется в ряде отраслей, например для управления роботами, самоуправляемыми автомобилями, и беспилотными летательными аппаратами. Оно полезно в сфере обеспечения безопасности, например для опознания людей и предметов по фотографиям, для поиска по базам данных, для отслеживания движения предметов, в зависимости от их цвета и так далее. Определение местоположения движущихся объектов позволяет компьютеру определить направление взгляда человека или следить за движением машин, людей, рук, и других предметов.

Чтобы правильно опознать незнакомые предметы, важно знать об их форме и других свойствах, но информация о цвете не настолько важна. При работе со знакомыми предметами, цвет, наоборот, помогает быстрее их распознать. Работа с цветом также удобна потому, что информация о цвете может быть получена даже с изображений с низким разрешением. Для распознавания формы предмета, в отличие от цвета, требуется высокое разрешение. Работа с цветом вместо формы предмета позволяет уменьшить время обработки изображения, и использует меньше компьютерных ресурсов. Цвет помогает распознавать предметы одинаковой формы, а также может быть использован как сигнал или знак (например, красный цвет — сигнал опасности). При этом не нужно распознавать форму этого знака, или текст, на нем написанный. На веб-сайте YouTube можно увидеть множество интересных примеров использования цветного машинного зрения.

Обработка информации о цвете

Фотографии, которые обрабатывает компьютер, либо загружены пользователями, либо сняты встроенной камерой. Процесс цифровой фото- и видеосъемки освоен хорошо, но вот обработка этих изображений, особенно в цвете, связана с множеством трудностей, многие из которых еще не решены. Это связано с тем, что цветное зрение у людей и животных устроено очень сложно, и создать компьютерное зрение наподобие человеческого — непросто. Зрение, как и слух, основано на адаптации к окружающей среде. Восприятие звука зависит не только от частоты, звукового давления и продолжительности звука, но и от наличия или отсутствия в окружающей среде других звуков. Так и со зрением — восприятие цвета зависит не только от частоты и длины волны, но и от особенностей окружающей среды. Так, например, цвета окружающих предметов влияют на наше восприятие цвета.

С точки зрения эволюции такая адаптация необходима, чтобы помочь нам привыкнуть к окружающей среде и перестать обращать внимание на незначительные элементы, а направить все наше внимание на то, что меняется в окружающей обстановке. Это необходимо для того, чтобы легче замечать хищников и находить пищу. Иногда из-за этой адаптации происходят оптические иллюзии. Например, в зависимости от цвета окружающих предметов, мы воспринимаем цвет двух тел по-разному, даже когда они отражают свет с одинаковой длиной волны. На иллюстрации — пример такой оптической иллюзии. Коричневый квадрат в верхней части изображения (второй ряд, вторая колонка) выглядит светлее, чем коричневый квадрат в нижней части рисунка (пятый ряд, вторая колонка). На самом деле, их цвета одинаковы. Даже зная об этом, мы все равно воспринимаем их, как разные цвета. Поскольку наше восприятие цвета устроено так сложно, программистам трудно описать все эти нюансы в алгоритмах для машинного зрения. Несмотря на эти трудности, мы уже достигли многого в этой области.