Вячеслав Демидов - Как мы видим то, что видим [издание 3-е , перераб. и доп.]

«Уважаемая редакция!

В 11-м номере за 1974 г. вашего журнала была помещена корреспонденция В. Демидова «Глаз и образ». В ней, в частности, упомянуто о фильтрах Фурье. Отмечено, что оптики издавна пользуются фильтрами-решетками. Это натолкнуло меня на мысль о применении решетчатых фильтров в геологическом дешифрировании аэрофотоснимков. Ведь снимок всегда несет ряд случайных колебаний фототона, маскирующих границы раздела разнородных участков земной поверхности. Фильтры Фурье как раз и позволят снять эти случайные колебания, выровнять однородные и более контрастно выделить неоднородные поверхности. Мною были изготовлены несколько примитивных фильтров (на прозрачную целлулоидную пластинку нанесена черной тушью решетка). Определенный эффект достигается. Неясные контуры структур становятся более отчетливыми, легче выделяются...»

Большая статья о применении различного рода фильтров (растров) помещена в сборнике «Исследование природной среды космическими средствами». Он был издан Академией наук СССР к совещанию советско-американской рабочей группы, занимавшейся проблемой поиска природных богатств с самолетов и из космоса. Авторы отмечают плодотворность идеи анализа аэрофотографий через растр, говорят, что качество изображений улучшается.

Фильтры Фурье против шума... Но ведь шумом можно считать не только помехи, а и всякого рода изменения (вариации) изображений, например размера или форм букв при письме. Зрительный аппарат человека ухитряется схватить нечто общее, присущее этим вариациям, не обращая внимания на второстепенные особенности. Не происходит ли в зрительной системе фильтрация Фурье? И не вытекает ли эта уникальная возможность зрительной системы из деятельностью НКТ, из процеживания картинок через сита пульсирующих полей? Судя по всему, это так.

И правда, инженеры кое-чему научились у живых организмов: компьютерные программы сегодня распознают с высокой точностью типографские шрифты, а после недолгого обучения – даже рукописные и изысканно стилизованные, например готику. А компьютерная полицейская программа сравнивает фотографию на паспорте с портретом в своей памяти, и загорается красная надпись: преступник!

Конечно, стопроцентной гарантии от ошибок достичь не удается. Ряд Фурье простирается в бесконечность, и в всегда найдется такая крошечная деталь, которой будут отличаться картинки, похожие по всем остальным показателям. Но тут уж ничего не поделаешь. Проблему «похож – не похож» приходится всегда решать с какой-то разумной степенью точности.

Но что самое главное, такой подход – через фильтры Фурье – позволяет взглянуть на проблему опознания с голографических позиций.

Голография... Ее материальную основу – волновой процесс – наука осознала еще в VII в. Знаний, чтобы воплотить ее в реальность, хватило бы у таких замечательных исследователей, как Юнг, Френель, Фраунгофер, много и плодотворно занимавшихся волновой природой света и взаимодействием его волн. И все-таки она не появилась, хотя Кирхгоф, Рэлей, Аббе и многие другие физики второй половины XIX – начала XX в. вплотную подходили к ее принципам.

А изобретя ее, наконец, в 1947 г., Деннис Габор, венгерский физик, работавший в Англии, не смог найти ей практического применения и с годами почти позабыл о придуманном способе получения необычных фотографических изображений.

Рис. 43. Создаются голограммы методом Эммета Лейта и Юриса Упатниекса (сверху) или более общим методом Ю.Н. Денисюка (снизу)

Иную, чем у Габора, обобщенную схему получения голограмм предложил в 1962 г. ленинградский инженер Юрий Николаевич Денисюк. Из нее вытекали и все остальные методы голографирования. Увы, тогдашние советские ученые-эксперты, к которым попала на рассмотрение заявка на открытие (примерно 100 страниц формул и описаний экспериментов), отнеслись к ней по-барски презрительно. Рецензия состояла из одной строчки: «Заявитель явно не знает курса физики для десятого класса средней школы». Этот отзыв сочинил некий кандидат наук, а подписал всемирно известный физик, директор Института физических проблем П.Л. Капица (и на старуху бывает проруха...). В результате Денисюк лет на восемь забросил свои занятия голографией, хотя уже получил практические результаты и защитил кандидатскую диссертацию по этой проблеме.

Единственный человек, который вполне оценил его теорию, был почтенный физик, академик Иван Николаевич Обреимов, присутствовавший на защите. Он сказал: «Тут говорили о физической невозможности процесса, предложенного диссертантом. Пусть так. Но ведь математическая сторона работы безупречна, не правда ли? Так давайте за физику поставим ему ноль, а за математику пятерку». С ним все согласились, и защита состоялась.

Рис. 44. Чтобы увидеть сголографированное изображение, голограмму нужно осветить, например, солнечным светом или лучом лазера

Обреимов рекомендовал статью Денисюка в «Вестник Академии Наук». Она вышла в свет за месяц или два до появления в «Журнале американского оптического общества» статьи американских радиофизиков Эммета Лейта и Юриса Упатниекса, предложивших еще одну схему получения голографических изображений. Так что приоритет остался за Денисюком. И пришло письмо от крупного американского физика П. Дж. ван Хирдена: «Мое незнание Ваших работ тем более непростительно, что, как я только что обнаружил, Ваша статья 1962 года давно уже переведена на английский...».

После всего этого кандидата физико-математических наук Денисюка выбрали членом-корреспондентом Академии наук СССР, хотя он не имел степени доктора, случай беспримерный в истории академии. И, конечно же, выдали диплом на открытие. А доктором наук он стал позже, но не по голографии...

Голография в ее наиболее известном виде – это особое фотографирование, без привычной фотокамеры, на пластинку, которую ставят между лазером и голографируемым предметом (левый рисунок). Отраженный от предмета лазерный луч – предметный – и идущий сквозь пластинку опорный луч взаимодействуют друг с другом, как положено двум потокам волн. Сплетение горбов и впадин создает на пластинке узор из темных и светлых пятнышек, каждое из которых – размером с четверть световой волны. Если теперь (после проявления, закрепления и еще одной операции, которой в обычном фотографическом процессе нет, – отбеливания) выставить пластинку на свет, мы вдруг увидим, как «из ничего» возникнет объемное изображение, скажем, сростка кристаллов горного хрусталя.

Как это происходит? Предельно бегло – дело обстоит так, как если бы каждое получившееся пятнышко стало самостоятельным источником света. Его электромагнитные волны взаимодействуют в пространстве, усиливая и ослабляя друг друга, и из световых лучей оказывается соткан видимый образ – предмет, подвергшийся голографированию. По сути этот образ не что иное, как память о тех электромагнитных волнах, которые отражались от него во время съемки.

«Я бы хотел указать на философский аспект таких удивительных явлений, как <...> сходство голографической регистрации с памятью человека», – заметил Габор. И действительно, на одной голограмме можно уместить сотни тысяч изображений, в одном квадратном сантиметре ее находит пристанище до 100 миллионов бит (единиц измерения информации).

Голограмма любого предмета – идеальный фильтр, выделяющий его изображение среди тысяч других. Скажем, множество ключей с хитрыми бородками разбросаны в беспорядке на столе: попробуйте отыскать нужный. Сколько минут вы потратили? А достаточно взглянуть на освещенный лазером хаос через голограмму данного ключа, – и там, где он лежит, вспыхнет яркая точка. Скорость работы голографических опознающих систем в миллион раз превосходит быстроту самых лучших установок, решающих задачу традиционными методами. Таковы, например, голографические узнаватели, которым предъявляют для сравнения фотографии, отпечатки пальцев, буквы рукописей и т.п. Как не заметить тут сходства со зрением, опознающим за сотые доли секунды знакомое лицо среди множества других!

Где же складываются и вычитаются пространственные частоты, с которыми оперирует глаз и к которым имеет, по-видимому, прямое отношение НКТ? Разнообразные опыты, проводившиеся в лабораториях многих стран, убедили исследователей, что делается это в высших областях зрительной системы. 

Многие думают, что память – это нечто вроде запасника картинной галереи: стоят у стенки прислоненные друг к другу тысячи полотен, нужно вспомнить – вытащил, посмотрел...