Приложение II. Инструмент для усовершенствования изображений

Центральное положение этой книги состоит в том, что сенсорная информация используется для построения в нашем сознании символических моделей окружающего мира. Эти модели мы обычно называем "объект-гипотезами", или - более общо - "перцептивными гипотезами" предполагая, что они обладают предсказательным свойством. Если слово "модель" наводит на мысль о существовании в мозгу некоего физического конкретного объекта, то это неверно. Модели существуют в мозге лишь в виде структур, символизирующих объекты.

В этой связи очень интересен следующий вопрос: можем ли мы создать машины, которые будут строить "внутри себя" "модели" или "гипотезы" подобно тому, как это (предположительно) делает мозг? Устройство, описание которого следует ниже, в принципе несложно (рис. 121). Ни цифровая вычислительная машина, ни какая-либо программа в обычном смысле слова не управляют им. Эта "машина" строит "внутри себя" грубую модель - несовершенную фотографию, а затем использует ее для того, чтобы пропустить или отклонить притекающую информацию на основе "оценки" степени согласованности новой информации с "моделью". Назначение устройства весьма прагматично: свести к минимуму помехи, вызванные турбулентностью атмосферы; такие помехи препятствуют получению четких фотографий астрономических объектов, снимаемых с поверхности Земли. Первое описание прибора было дано в 1964 году в журнале Nature. Позднее мы построили фотокамеру по этому проекту и опробовали ее на двух больших телескопах в США. Теперь мы заняты тем, что конструируем устройство, позволяющее компенсировать ошибки слежения, неизбежно возникающие из-за длительной экспозиции, необходимой для получения четких снимков по нашему способу.

Рис. 121. Помехоустойчивая фотокамера (слева) связана с беспорядочно колеблющейся водяной баней (справа), сквозь которую проходит свет от фотографируемого объекта (последний находится справа от рисунка и здесь не показан) к объективу. Кожух аппарата удален, чтобы были видны некоторые части этой фотокамеры. В левой вертикальной трубе спрятан фотоумножитель; в крыше правой трубы находится кассета эталонного негатива. Электромеханический двигатель высокоскоростного обтюратора находится в корпусе камеры

Формирующаяся в приборе "внутренняя модель" представляет собой фотографию, полученную именно при длительной экспозиции; она будет, конечно, очень нечеткой из-за большого числа атмосферных помех, но зато все ее детали будут находиться в правильном пространственном соотношении. Такая примитивная "модель" содержит статистически верное распределение деталей по площади снимка, но "усредненного" распределения деталей недостаточно - нужно иметь ясно видимую, подробную оптическую информацию, которая утеряна вследствие большого числа случайных помех. Снимок, сделанный на стеклянной пластинке, удаляют из аппарата, проявляют и получают таким образом прозрачное негативное изображение. Телескоп между тем продолжает следить за объектом - Луной или другим фотографируемым телом. Затем фотопластинку с изображением, которое отныне называется "эталонный негатив", снова ставят в аппарат, точно в то же положение, в каком было получено первое изображение.

Теперь новое изображение объекта падает на пластинку с эталонным негативом; на каждую темную часть негатива приходится светлая часть нового изображения объекта и наоборот. Глядя на новое изображение сквозь негатив прежнего, мы видим, что в те моменты, когда оба изображения точно совпадают, негатив полностью закрывает новое изображение, так что свет почти не проходит к наблюдателю. Любое расхождение обнаруживается просто: виден свет в том месте, где часть нового изображения накладывается на прозрачную часть эталонного негатива. Математически такое соотношение описывается автокорреляционной функцией. Как только изображение меняется (в данном случае - в результате атмосферных помех), точное совпадение его частей с теми же частями на эталоне нарушается.

Ошибки обнаруживаются путем улавливания света, проходящего через эталонный негатив. Дело в том, что на эталонном негативе запечатлен не какой-либо случайно выбранный момент, а "среднее" изображение при помехах в атмосфере. Улавливая свет, проходящий сквозь эталонный негатив, и усиливая его с помощью чувствительного фотоумножителя, мы превращаем все мимолетные погрешности нового изображения в сигналы ошибок. Чем слабее ток, идущий от фотоумножителя, тем меньше ошибка, то есть расхождение между новым и усредненным изображениями; последнее правильно, оно грешит лишь нечеткостью: детали утрачены в результате турбулентности атмосферы. Сигнал об ошибке мы используем для управления высокоскоростным обтюратором второго фотоаппарата, который получает флуктуирующее изображение (с помощью полупосеребренного зеркала, рассекающего световой пучок). Обтюратор открывается только в те мгновения, когда ток, текущий от фотоумножителя, слабее всего; именно в эти мгновения новое изображение больше всего совпадает с эталоном. Вторая фотография всегда лучше первой (да и любой другой фотографии, полученной обычными способами), поскольку эта вторая фотография образуется только в те моменты, когда изображение обладает максимальной четкостью.

Рис. 122

На рис. 122 показано изображение с помехами, прошедшее сквозь собственный фотонегатив (полученный при длительной экспозиции). Наименьшие помехи видны в правой части снимка: изображение и негатив взаимно совпадают, гася друг друга, - образуется чернота. Светлые полоски в левой части снимка указывают на несовпадение изображения с негативом; в результате возникает сигнал об ошибке - и обтюратор закрывает канал камеры. Канал остается закрытым до тех пор, пока эталонный негатив не покроет точно все новое изображение; тогда производится следующая экспозиция.

Рис. 123. Изображение, снятое сквозь беспорядочно колеблющуюся водяную баню. Из-за отсутствия электронной стабилизации утрачены почти все детали изображения

На рис. 123 видна сильно размытая картина модели объекта. Следующее фото (рис. 124) позволяет увидеть улучшение, вызванное применением системы, регулирующей съемку; оба снимка сделаны через один и тот же источник помех.

Рис. 124. Тот же объект снят сквозь точно так же колеблющуюся водяную баню, но при включенной электронной стабилизации; камера 'видит' объект только в те мгновения, когда помехи минимальны. Полное время съемки при экспозиции 10 минут составляет 2 секунды; они складываются из автоматически выбранных моментов, соответствующих наибольшей четкости изображения. Эталонный негатив здесь - негативное изображение снимка, показанного на рис. 123. Таким образом, аппарату не дают никакой информации, кроме той, которую он извлекает сам