Контрастная чувствительность зрения

Экспериментально установлено, что при наблюдении 2 соседних участков — полей сравнения с яркостями и , имеющих достаточно большие угловые размеры, они воспринимаются разными по яркости только тогда, когда , где — пороговый контраст, а обратная величина — контрастная чувствительность. Если , то сравниваемые поля по яркости не различаются. В пределах средних величин яркости (10— 1000 кд/м²), характерных для большинства натурных сюжетов, а также при просмотре кино- и ТВ-передач . При этом между яркостью объекта и её ощущением нет прямо пропорциональной зависимости: приращения ощущаемой яркости пропорционально , или , откуда , где и некоторые постоянные коэффициенты. Последнее выражение, называемое психофизическим законом Вебера — Фехнера, показывает, что субъективное ощущение изменения яркости происходит в меньших пределах, чем объективное изменение яркости объекта (например, если физическая яркость меняется по геометрической прогрессии, то ощущаемая — по арифметической). Этот закон отражает адаптационные возможности зрения воспринимать изображения объектов с яркостью от 10^-6 кд/м² (ночью) до 10⁴ кд/м² (при слепящей яркости лампы).

Различие яркостей отдельных деталей наблюдаемого изображения характеризуют максимальной и минимальной яркостями и их отношением , которое называется контрастом изображения. На реальных объектах контраст не превышает 100—200, в изображениях на кино- и телеэкране, рисунках он меньше и равен примерно 30—80.

На основании закона Вебера — Фехнера можно определить число воспринимаемых градаций яркости , то есть полутонов при заданном контрасте изображения . Если начальную яркость принять за минимальную (первая градация), то все остальные различимые значения яркости в диапазоне будут равны: ; ,…, .

Отсюда и . При значении и получается — число градаций, которое может быть воспринято только при поочерёдном сравнении больших полей яркости и , затем и ,…, и . Реальные изображения характеризуются некоторым распределением яркости по пространству и средней яркости, к которой и адаптируется зрение. При этом контрастная чувствительность зрения (КЧЗ) максимальна (пороговый контраст минимален) при наблюдении деталей, яркости которых сравнимы с яркостью адаптации. На тёмных и светлых деталях КЧЗ и, следовательно, число воспринимаемых градаций яркости уменьшаются. С уменьшением размеров деталей КЧЗ также снижается — примерно в 100 раз для размеров, соответствующих разрешающей способности зрения. Поэтому зависимость для изображений, которые наблюдаются на экране телевизора, оказывается более сложной, а величина в несколько раз меньшей — одновременно глаз воспринимает не более 10 градаций.

Пространственная разрешающая способность зрения оценивается минимальным углом , под которым 2 светящиеся точки (линии) ещё видны раздельно (рис. 3.16). Она определяет предельные возможности глаза по различению мелких деталей изображения. Величина, обратная , называется остротой зрения. Для среднего наблюдателя с нормальным зрением минимальный угол (угловой предел разрешения) принимается равным 1’. Это значение для минимального диаметра зрачка D = 2 мм достигается при достаточной яркости, высокой контрастности и резкости чёрно-белого изображения.

Рис. 3.16. Определение пространственной разрешающей способности зрения (а) и числа строк разложения в ТВ-системе (б).

При увеличении диаметра зрачка разрешающая способность возрастает и при D = 5 мм угол должен равняться 25’’. Практически увеличение происходит в меньшей степени вследствие неоднородности хрусталика и влияния сферической аберрации. В результате вместо точки наблюдается круг большего или меньшего диаметра. При малых диаметрах зрачка, то есть при больших яркостях главную роль в искажении мелких деталей играет явление дифракции. Разрешающая способность резко снижается, если предмет смещается с линии зрения, что связано с уменьшением плотности колбочек по мере удаления от центра сетчатки. Таким образом, с ухудшением условий наблюдения изображения угол может возрастать до 2’—3’ (для расчётов принимается = 1’—2’). Часто разрешающую способность зрения для сравнения с техническими системами определяют числом предельно тонких, ещё различимых пар линий (то есть периодов пространственного распределения яркости), приходящихся на миллиметр или градус. Число периодов, приходящихся на 1 градус, будет , что при = 1’—2’ составит = 30—60 пер/град. При линейном расстоянии между 2 линиями, видимыми с расстояния под предельным углом , и ввиду малости получается зависимость . Тогда разрешающая способность зрения — величина, обратная линейному расстоянию, будет равна пер/мм. При значении = 1’—2’ и 1_опт=250мм (такое значение считается оптимальным при чтении), 6,9; 9,2 и 13,75 пер/мм (пар лин/мм) или = 13,8; 18,4 и 27,5 лин/мм (чёрных и белых) соответственно для 3 значений =2’; 1,5’ и 1’. Следовательно, 1 пер/град = 0,23 пер/мм и 1 пер/мм = 4,36 пер/град.

Разрешающая способность зрения (как и разрешающая способность любой оптической системы) является числовой оценкой, устанавливающей по существу предел разрешения. Однако по ней нельзя оценить восприятие (и искажение) различных сочетаний мелких и крупных деталей и резких переходов яркости на изображении. Поэтому для более полной оценки свойств зрения пользуются пространственной частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ) — зависимостью относительной контрастной чувствительности зрения от пространственной частоты. Эксперименты показывают, что чувствительность зрения мала при наблюдении поля постоянной яркости и очень низких частот, затем резко возрастает до максимума и спадает на высоких пространственных частотах. Положение максимума зависит от уровня яркости. ЧКХ анизотропна и имеет максимумы по 2 взаимно-перпендикулярным направлениям (х и у), по диагональным направлениям она меньше.

Цветовая разрешающая способность зрения в несколько раз ниже яркостной и зависит от цвета наблюдаемых предметов. Для зелёных она почти такая же, как и для чёрно-белых изображений, а для красных и синих примерно в 4 и 10 раз меньше (рис. 3.17). По мере уменьшения размеров деталей цветных предметов (меньше 3’—4’) глаз воспринимает их чёрно-белыми. Поэтому цветными можно передавать только крупные детали, а мелкие — чёрно-белыми. Следовательно, в полной полосе частот (6 МГц для отечественного стандарта) необходимо передавать информацию о яркости изображения, чтобы последнее имело стандартную чёткость, а о цветности — в сокращённой примерно до 1,5 МГц, то есть в 4 раза более узкой. Если при этом узкополосный сигнал цветности разместить в пределах полосы сигнала яркости, будут обеспечены почти все требования, предъявляемые к совместимым системам ЦТВ.

Рис. 3.17. Зависимость видимой насыщенности (ВН) деталей от их размеров и цвета: С, К, 3 — синий, красный и зелёный цвета.

На приёмной стороне в этом случае цветовая чёткость изображения по горизонтали в 4 раза меньше яркостной. Однако общее качество изображения воспринимается достаточно высоким, если на переданный цветовой переход накладывается резкий переход яркости. Поскольку свойства зрения по взаимно перпендикулярным направлениям одинаковы, можно во столько же раз сократить и число строк разложения, передаваемых в цвете. Это косвенно реализуется в системах СЕКАМ и ПАЛ.

В системе НТСЦ учитывается ещё и то, что трёхцветное зрение с уменьшением размеров предметов становится сначала двухцветным, а затем ахроматичным (бесцветным). При наблюдении предметов с угловыми размерами 10’—20’ их цвета воспринимаются как смесь оранжевого и голубого. Это позволяет крупные детали представлять тремя цветами, средние — двухцветными, а мелкие — чёрно-белыми. В нормальных условиях чувствительность глаза к изменениям яркости значительно выше, чем к изменениям цвета. При этом допустимые искажения насыщенности могут быть большими, чем искажения цветового тона. Поэтому в ЦТВ к качеству передачи сигнала яркости необходимо предъявлять более высокие требования, чем к сигналу цветности. При определении допустимых ошибок в передаче цвета следует учитывать, что зритель не видит оригинала и не может сравнивать его с воспроизводимым изображением. О качестве полученного цвета в этих случаях судят по представлению, которое имеется в памяти (психологическая точность). Поэтому цвет хорошо знакомых предметов (кожи тела человека, особенно лица и рук, листьев, воды, неба и др.) должен воспроизводиться с возможно меньшими искажениями. Механизм восприятия объёмности предметов см. в разделе «Стереоскопическое телевидение».

Временная разрешающая способность и временная ЧКX определяют инерционные свойства зрения. При воздействии импульса света на глаз ощущаемая яркость нарастает примерно за 0,1 с и спадает за более длительное время. Наиболее быстро нарастают и спадают ощущения от красного цвета, затем зелёного и синего. Инерция зрения позволяет в ТВ (и кино) создать эффект движения, передавая серию отдельных неподвижных кадров (к), отличающихся друг от друга фазой движения. Последовательное воспроизведение этих изображений вследствие инерционности зрения воспринимается как слитное движение, если их частота к/с. С такой скоростью съёмки работают любительские киноаппараты.

В профессиональном кино при условии совмещения записи изображения и высококачественного звукового сопровождения на одной и той же киноплёнке скорость записи должна быть равна см/с, где — высота кинокадра, равная 24 мм; мм — свободное поле между кадрами. Отсюда к/с. Современные средства позволяют повысить плотность звукозаписи и, следовательно, уменьшить частоту кадров, но сделать это в настоящее время нельзя, так как кинофонд рассчитан на к/с (если не считать старых фильмов без звуковой дорожки). Хотя при такой частоте кадров движения воспринимаются плавными, заметны сильные мелькания изображения в целом (мелькания яркости). Минимальная частота мелькания света, при которой (и выше которой) источник кажется непрерывно светящимся, называется критической частотой мелькания . Эта частота зависит от углового размера изображения, яркости поля адаптации, закона изменения яркости (скважности импульсов света). Для средней яркости, которая имеет место в кино и ТВ, Гц, она растёт с увеличением угла, отсчитываемого от зрительной оси — периферическое зрение более чувствительно к мельканиям. При частоте мельканий больше, чем , ощущаемая яркость равна усреднённой по времени яркости прерывистого света за весь период наблюдения.

В кинопроекторах необходимая частота мельканий достигается без увеличенная частоты кадров (24 или 16 к/с) и, следовательно, без увеличения скорости протяжки и количества киноплёнки, путем воспроизведения одного и того же кадра дважды (или трижды) с помощью прерывания обтюратором светового потока, просвечивающего киноплёнку. В телевидении при к/с эффективным средством увеличения частоты мельканий является чересстрочная развёртка.