基于中間視覺的場景模擬及亮度轉(zhuǎn)換模型研究*

孫立曄 馬劍 劉剛＊＊ 肖俊宏

(1.沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168;2.天津大學建筑學院，天津 300072)

1 引言

場景模擬與再現(xiàn)，需要對場景進行定性和定量化的描述。因此根據(jù)景觀照明中不同場景的特征建立場景再現(xiàn)與模擬方法并確定再現(xiàn)、模擬場景和實際場景之間物理刺激的量化關(guān)系，對實現(xiàn)場景模擬、再現(xiàn)起到了重要作用。

人眼觀看物體時產(chǎn)生的感受，要同時受到目標和場景環(huán)境中多種因素的影響［1］，例如亮度、色彩等。當環(huán)境處于亮度較低、對比較弱的中間視覺水平時，視覺細胞中主要是桿狀細胞產(chǎn)生反應(yīng)，此時人眼視覺功能將產(chǎn)生許多不同于明亮環(huán)境下的視覺特點，包括周圍的環(huán)境會讓人覺得模糊，并且缺乏色彩等，此時場景的視覺感受主要受到亮度和亮度比的影響［2～4］。

本研究考慮場景光環(huán)境中亮度及其對比的影響，針對場景特性、場景的圖像特征、模擬與再現(xiàn)實驗條件等因素［5，6］進行了場景模擬、再現(xiàn)方法的研究，并提出符合中間視覺的低亮度弱對比條件下實際場景與再現(xiàn)場景亮度的轉(zhuǎn)換模型。通過本研究，不僅為中間視覺條件下場景的再現(xiàn)和模擬提供理論基礎(chǔ)和方法，使研究更加系統(tǒng)化和標準化，也是對現(xiàn)有相關(guān)研究領(lǐng)域的有益探索，同時也為進一步相應(yīng)場景視覺效果的主觀評價提供了科學保障。

2 研究方法與關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.1 實驗條件

場景模擬、再現(xiàn)與儀器設(shè)備、環(huán)境特性等因素都有關(guān)系，為此，需要通過實驗對場景特性及相關(guān)因素進行研究和標定。

實驗主要在天津大學建筑學院建筑技術(shù)研究所“光色測量及主觀評價多功能實驗室”中封閉的暗室中進行。

儀器設(shè)備主要有 EMP-7800投影儀 (分辨率:1024×768)、日本 Topcon BM-7彩色亮度計、照度計、標準色板、數(shù)碼相機等。其中標準色板是中國電影科學技術(shù)研究所用專門研制的樹脂漆噴涂而成，色板編號如圖1所示;BM-7彩色亮度計具有較高的精度和應(yīng)用范圍，可以用來對實際場景和再現(xiàn)、模擬場景圖像中景物元素的色刺激和亮度刺激進行測量。

圖1 標準色板及編號

2.2 照度范圍的確定

考慮實驗誤差影響和實驗結(jié)果的對比分析，實驗中所取亮度范圍包括中間視覺水平，并覆蓋一部分明視覺水平:將照度范圍劃分11個等級，照度值隨等級提高而降低，針對不同等級照度值，測量相應(yīng)的亮度，結(jié)果見表1。

表1 照度測量值lx

2.3 視角的還原

拍照相機光圈、焦距以及圖像軟件參數(shù)的不同、實驗人員在圖像投影前觀賞位置不同，會對應(yīng)不一樣的視角，這會影響再現(xiàn)、模擬場景觀看的效果，為此，需要考慮視角的還原［7］。

通過縮放圖像和調(diào)節(jié)位置的遠近來調(diào)整視角，可以得到觀賞者在圖像投影前應(yīng)處的位置，以保證所選擇的再現(xiàn)和模擬場景與實際場景在視覺感受上最為接近。

當圖像投影在白屏上滿屏顯示時，實驗中評價者在投影屏幕前的位置［7］為:

式中:d——人距離投影白屏的距離(m);

L——白屏對角線的長度(m);

f—— 相機的焦距(mm);

y'——相機成像屏幕的對角線長度 (mm)。

2.4 亮度特性研究

以標準色板為研究對象，對不同照度等級場景中色板實際亮度、圖像投影亮度和圖像再現(xiàn)亮度進行測量，從而對相應(yīng)亮度關(guān)系進行標定，確定再現(xiàn)、模擬場景和實際場景之間的亮度關(guān)系模型。

1)實景拍攝與測量

利用數(shù)碼相機拍攝每個照度等級的實景，記錄照片編號和參數(shù);在同樣位置放置亮度計進行測量，記錄此時實際場景亮度，記為L1。

2)投影亮度的測量

將拍攝的實景照片經(jīng)過投影儀投影;在根據(jù)視角還原計算出的位置上，用亮度計測量此時屏幕上圖像的投影亮度，記為L2。

3)再現(xiàn)亮度的測量

人眼對目標的視覺感受除了受到目標直接刺激的影響，還要受到目標周圍環(huán)境帶來的影響。本研究中，對人視覺感受產(chǎn)生主要影響的是亮度和亮度比，所以主要考慮標準色板中六塊灰度色塊的再現(xiàn)效果，并以彩色塊的再現(xiàn)效果為參考，調(diào)整圖像參數(shù)達到和實景最接近的效果。測量此時圖像亮度，記為 L3。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 整體趨勢分析

以圖2為例，照度降低，對應(yīng)亮度隨之下降;照度不變時，隨著色塊明度的降低，亮度也隨之下降。

除了一、二級照度，其他各級照度對應(yīng)的亮度基本處于中間視覺范圍，此時各色塊亮度存在較為明顯的關(guān)系:L1＜L2＜L3;在此范圍內(nèi)，當照度較高時，隨著明度的降低，三種亮度差別減小，尤其從中灰塊開始，三種亮度在數(shù)值上趨近于同一值;但從第七級照度開始，三種亮度的差值開始加大。

由以上分析看到，不同的視覺環(huán)境，對人視覺感受會產(chǎn)生不同的影響:

1)越暗的環(huán)境，亮度變化對人視覺感受的影響越大，由此對再現(xiàn)和模擬效果的影響也越大。因此亮度轉(zhuǎn)換模型公式亦應(yīng)針對不同的亮度水平考慮;

2)曲線的趨勢和灰度塊之間光譜反射率曲線的關(guān)系是相符的。

3.2 亮度關(guān)系分析

1)實景亮度L1與投影、再現(xiàn)場景亮度 L2、L3以L1的對數(shù)為自變量，利用對數(shù)坐標表達L1和L2、L1和L3的關(guān)系，如圖3、圖4。可以看到亮度特性的對數(shù)值之間存在著比較明確的線性趨勢。

2)實景亮度L1和再現(xiàn)場景亮度L3關(guān)系估算

分不同的視覺水平考慮對實景亮度和再現(xiàn)亮度進行擬合估算，如圖 5，得到公式 (2)、公式(3)，公式表明，以界限3 cd/m2為分界點:在明視覺 (L1＞3cd/m2)時，再現(xiàn)亮度和實景亮度很接近;而對應(yīng)中間視覺 (L1≤3cd/m2)狀態(tài)時，再現(xiàn)亮度是實景亮度的二倍。這表明，在中間視覺范圍內(nèi)，調(diào)整后再現(xiàn)亮度的變化值大于明視覺時的情況。

圖2 色板亮度趨勢分析

圖3 L1和L2分析

3.3 亮度轉(zhuǎn)換模型

分析表明，不同場景對應(yīng)的亮度刺激對數(shù)值之間具有較為明顯的線性關(guān)系，為此在中間視覺范圍內(nèi)，采用對數(shù)擬合再現(xiàn)亮度和實際亮度之間的關(guān)系，如圖6，得到亮度轉(zhuǎn)換模型，見公式4。

圖4 L1和L3分析

圖5 不同視覺狀態(tài)下L1和L3估算擬和

式中:L1——實景亮度，cd/m2;

L3——再現(xiàn)亮度，cd/m2。

圖6 亮度模型公式

公式 (4)體現(xiàn)了在中間視覺水平狀態(tài)時，當場景給人與實際環(huán)境相似的視覺心理感受時，實景和再現(xiàn)、模擬場景之間的亮度關(guān)系。利用公式也可以實現(xiàn)實景亮度和模擬場景亮度的轉(zhuǎn)換。

4 驗證性場景再現(xiàn)

選取兩類實際場景:一類為單景觀元素場景;一類為較為復(fù)雜的綜合場景，如圖7所示，利用本研究中提出的場景再現(xiàn)和模擬方法及其亮度轉(zhuǎn)換模型公式進行驗證性實驗。驗證實驗的實驗條件、儀器、環(huán)境與系統(tǒng)特性和亮度模型研究實驗保持一致。

圖7 湖畔小路及綜合場景的再現(xiàn)效果

4.1 實驗步驟

1)在同一位置利用數(shù)碼相機拍攝場景;利用亮度計測量實景亮度L1;

2)考慮視角還原，確定再現(xiàn)時觀看與測量位置;并利用亮度計測量相應(yīng)再現(xiàn)亮度L3(實測);

3)利用公式 (4)計算相應(yīng)測點再現(xiàn)后應(yīng)有的再現(xiàn)亮度L3(計算)。

對測量的再現(xiàn)亮度和計算的再現(xiàn)亮度結(jié)果進行比較，如表2。

表2 再現(xiàn)場景亮度比較 單位:cd/m2

4.2 結(jié)果分析

湖畔小路和綜合場景中根據(jù)場景特點各選了2個、6個有代表性的測點進行比較。結(jié)果表明，圖7湖畔小路單景觀元素場景層次較為簡單，亮度變化較少，而綜合場景中包括了建筑、樹木、水面和倒影等層次，尤其是水面的亮度受周圍環(huán)境的影響較大，因而變化較多;另外，相機、測點的選擇、測量儀器的精度等誤差會對整個實驗產(chǎn)生一定影響;物理刺激帶來的生理刺激和心理刺激存在不一致性，這些對再現(xiàn)的效果都會產(chǎn)生影響。但通過比較，本系統(tǒng)對場景的再現(xiàn)和模擬效果可以滿足人們視覺上的要求，達到較高的再現(xiàn)、還原程度。

5 結(jié)論

1)不同的視覺水平會對人的視覺及相應(yīng)的心理感受產(chǎn)生不同影響，從而產(chǎn)生不同的場景視覺效果:

2)在較暗的環(huán)境中，亮度變化對再現(xiàn)和模擬效果會產(chǎn)生較大影響;

3)不同的視覺水平下，實際、再現(xiàn)場景中對應(yīng)的物理刺激特性也會存在不同的量化關(guān)系。

4)亮度的轉(zhuǎn)換模型不僅可以使實際場景得以定量化再現(xiàn)，還可以將模擬場景中相應(yīng)的物理刺激值轉(zhuǎn)化成實際物理指標，完成再現(xiàn)、模擬場景和實際場景之間對應(yīng)關(guān)系的定量化轉(zhuǎn)換。

本研究基于中間視覺的低亮度、弱對比環(huán)境，對場景模擬與再現(xiàn)的方法進行研究，并得到了相應(yīng)條件下實際場景與再現(xiàn)場景亮度的轉(zhuǎn)換模型公式，這一模型具有較好的預(yù)見性和實踐性，可以完成再現(xiàn)、模擬場景和實際場景之間亮度對應(yīng)關(guān)系的定量化轉(zhuǎn)換。同時本研究為相關(guān)領(lǐng)域的進一步研究提供了一種科學和可重復(fù)的模式與方法。

［1］TheIESNA．LightingHandbook［M］．Illuminating Engineering Society of North America，Ninth Edition:2000

［2］H． W Bodmann， M La Toison． Predicted Brightness-Luminance Phenomena ［J］． Lighting Research andTechnology，1994，26 (3) : 135 ～ 143

［3］H-W Bodmann．Elements of Photometry，Brightness and Visibility ［J］．Lighting Research and Technology，1992，24(1):29～42

［4］Pokorny，J，Dingcai Cao，Zele，A．J．Linking Impulse Response Functions to Reaction Time:Rod and Cone reaction Time Data and A Computational Model［J］．Vision Research，2007，47(8):1060～74

［5］李奇峰，俞麗華，楊公俠等．上海市區(qū)環(huán)境亮度及建筑物泛光照明亮度調(diào)查 ［J］．同濟大學學報 (自然科學版)，2005，33(5):621～625

［6］王濤，高新波，張都應(yīng)．一種基于內(nèi)容的圖像質(zhì)量評價測度 ［J］．中國圖象圖形學報，2007，12(6):1002～1007

［7］馬劍，湯岐山，張璐．光色主觀評價的色彩再現(xiàn)與視角還原方法 ［J］．照明工程學報，2005，16(3):1～6