人眼對(duì)比度敏感視覺特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

申 靜

（陜西理工學(xué)院 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西 漢中 723000）

人眼視覺特性是圖像技術(shù)中非常重要的理論基礎(chǔ)之一，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析研究視覺特性，建立其模型，對(duì)促進(jìn)圖像技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展均能提供較大的技術(shù)支持。目前，顯示器是信息顯示、傳輸和交流的重要工具，所以用顯示器測(cè)量人眼視覺特性具有非常重要的實(shí)際意義［1－4］。

自上世紀(jì)50年代起，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者采用不同的儀器顯示目標(biāo)光柵，通過改變光柵的平均亮度，在亮度對(duì)人眼視覺特性的影響方面作了一定的實(shí)驗(yàn)研究［5－10］，研究發(fā)現(xiàn)：不同的亮度條件下，人眼對(duì)信息的分辨力不同，但是模型中的部分參數(shù)值由實(shí)驗(yàn)條件決定，給實(shí)際應(yīng)用帶來許多不便。

要使顯示器的圖像再現(xiàn)質(zhì)量和觀看效果達(dá)到最佳，必須協(xié)調(diào)顯示器亮度、色度以及信息再現(xiàn)與人眼視覺特性之間的關(guān)系［5－7］，即要求得到人眼視覺特性與顯示圖像的平均亮度之間的關(guān)系。CRT顯示器無論在顏色的表現(xiàn)和觀察視角上都具有較大的優(yōu)勢(shì)，在許多相關(guān)領(lǐng)域均采用CRT顯示器來控制和再現(xiàn)色彩［5，11－15］。本文通過控制 CRT 顯示器顯示目標(biāo)光柵圖像的亮度和光柵的對(duì)比度，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)量了15名在校大學(xué)生在不同平均亮度條件下的對(duì)比度覺察閾值，探討了人眼視覺特性與顯示器亮度之間的關(guān)系。

1 人眼對(duì)比度敏感視覺特性描述

在工程光學(xué)和圖像技術(shù)研究領(lǐng)域，儀器的光學(xué)傳遞函數(shù)理論已經(jīng)比較成熟，人眼是非常完美的成像儀器，人眼的光學(xué)傳遞函數(shù)也可以用于定量地描述人眼空間視覺特性，并且可以明確地探討視覺信息處理機(jī)制的本質(zhì)［6］。對(duì)于人眼視覺系統(tǒng)，人眼的光學(xué)傳遞函數(shù)采用人眼對(duì)比度敏感函數(shù)（contrast sensitivity function：CSF）來表示，其反映不同條件下的人眼對(duì)比度敏感與空間頻率之間的關(guān)系；但是人眼對(duì)比度敏感值無法直接測(cè)定，通常根據(jù)韋伯定理采用心理物理學(xué)測(cè)定閾值的方法得到，結(jié)合人的視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和心理學(xué)特征規(guī)定：人眼的對(duì)比度覺察閾值指的是目標(biāo)光柵剛能為人眼覺察時(shí)所需要的最低調(diào)制度，即人眼覺察處于閾值時(shí)的光柵的對(duì)比度值［6］，對(duì)比度覺察閾值的倒數(shù)即為人眼對(duì)比度敏感閾值（以下簡(jiǎn)稱敏感閾值）。實(shí)驗(yàn)要求測(cè)量出不同頻率下的人眼對(duì)比度覺察閾值。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 對(duì)比度定義

對(duì)于亮度光柵，對(duì)比度采用標(biāo)準(zhǔn)的Michelson對(duì)比度定義，其表達(dá)式［8］如下式：

式中，L2和L1分別為明暗條紋的亮度，L為整個(gè)條紋的平均亮度。

2.2 目標(biāo)光柵參數(shù)和實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)制作的目標(biāo)光柵為明暗相間的矩形波條紋光柵。目標(biāo)光柵是由多組不同級(jí)別亮度、不同亮度對(duì)比度的光柵圖片組成。光柵選取0.5、1、2、3、5、10、30、50、55、60、70、90、120、150cd／m2共14個(gè)級(jí)別亮度，光柵圖片的亮度對(duì)比度依次增大，圖片間的對(duì)比度間隔非常小，達(dá)到0.002。根據(jù)國(guó)內(nèi)外前人的研究［6－10］，人眼對(duì)空間頻率處于2～8cpd（周／度）的物體最為敏感，實(shí)驗(yàn)光柵選取的空間頻率為4.93、1.97、1.23cpd。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察者自動(dòng)調(diào)節(jié)光柵的亮度和對(duì)比度以適應(yīng)觀察，從而獲得對(duì)比度覺察閾值。

目標(biāo)光柵選用53.3cm（21英寸）的SONY－520、10bit數(shù)字CRT顯示器顯示，顯示器設(shè)置為D65光源體，6500K色溫。并配有 Matrox Millennium P650彩色顯示型實(shí)時(shí)圖像采集卡，該卡分辨率為1024灰度級(jí)，實(shí)時(shí)彩色顯示1024色，顯示圖像清晰、穩(wěn)定。

2.3 精確控制顯示器亮度方法

由于實(shí)驗(yàn)采用的圖像顯卡能達(dá)到分辨率為1024灰度級(jí)，則與普通的256級(jí)顯卡相比，相當(dāng)于256級(jí)中每一級(jí)值中再插入3個(gè)亮度值，而目前的亮度計(jì)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其對(duì)于亮度分為256級(jí)能測(cè)量其準(zhǔn)確值，但其中的插入值對(duì)應(yīng)的亮度測(cè)量不精確；則采用CRT顯示器的亮度在較小范圍內(nèi)認(rèn)為是線性關(guān)系，即可采取RGB值為整數(shù)時(shí)用亮度計(jì)測(cè)量其亮度，為小數(shù)時(shí)采用線性插值的辦法獲得其亮度。如此可以得到RGB值每間隔0.25的時(shí)候的每一個(gè)對(duì)應(yīng)的亮度值。亮度值間隔越小，則得到的光柵對(duì)比度值就越小，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量人眼視覺特性就越有利。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)對(duì)象

人眼對(duì)比度覺察閾值的測(cè)量是一個(gè)心理物理學(xué)過程，一般采用極限調(diào)整法進(jìn)行測(cè)量和確定，具體的實(shí)驗(yàn)和取值方法為：因?yàn)橹車h(huán)境對(duì)人眼的影響，且實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，人眼需要一定的時(shí)間適應(yīng)暗環(huán)境，因此要求每次測(cè)量時(shí)每位被測(cè)試者必須先暗適應(yīng)30min，再對(duì)實(shí)驗(yàn)條紋光柵進(jìn)行適應(yīng)，在完成適應(yīng)階段后，在離顯示屏2.0m處（視角為2.4347°）觀察顯示的目標(biāo)光柵圖片；實(shí)驗(yàn)時(shí)被測(cè)試者通過自行調(diào)節(jié)目標(biāo)光柵的序號(hào)（光柵已按照平均亮度和對(duì)比度值編號(hào)），達(dá)到自行調(diào)節(jié)目標(biāo)光柵的亮度（目標(biāo)光柵頻率不變）和目標(biāo)光柵的對(duì)比度值，以進(jìn)行覺察和分辨目標(biāo)；測(cè)試過程中，首先從大到小逐漸降低光柵的對(duì)比度，直到人眼剛好能看見條紋而又不清晰，再?gòu)男〉酱笾饾u增大條紋的對(duì)比度值，剛好能看見而又不清晰，取二者的平均值為該次對(duì)比度覺察閾值，如此可以減低人眼覺察適應(yīng)帶來的誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)屏幕上每次顯示4幅光柵，其對(duì)比度值依次要么降低要么增加，圖1是4幅對(duì)比度值依次增大的示意圖。實(shí)驗(yàn)中每一空間頻率和每一亮度下的敏感閾值重復(fù)測(cè)量3次，取其平均值作為該空間頻率光柵在不同亮度下的人眼敏感閾值。

圖1 4幅對(duì)比度值依次增大的光柵示意圖

測(cè)試對(duì)象為15名健康的在校大學(xué)生和研究生，經(jīng)過視力矯正后，視力均達(dá)到1.2以上，眼科檢查均為正常，無色覺異常，暗適應(yīng)情況良好。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過15名被測(cè)試者對(duì)不同平均亮度光柵的測(cè)試，獲得的人眼敏感閾值與亮度的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可見，對(duì)應(yīng)于同一亮度下，不同的頻率、不同人眼觀察到的敏感閾值有較大的不同，表現(xiàn)為：對(duì)頻率f＝4.93cpd的光柵，測(cè)試15名青年的敏感閾值均相對(duì)比較接近，如圖2（a）所示；而對(duì)f＝1.97cpd和f＝1.23cpd的光柵，在亮度較低時(shí)，15名被測(cè)試者覺察到的敏感閾值差別較大，且對(duì)f＝1.23cpd的光柵比f＝1.97cpd的光柵觀察到的敏感閾值差別更大；在亮度較大時(shí)，不同人的敏感閾值同樣相對(duì)比較接近，如圖2中（b）、（c）圖。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)，人眼最敏感的空間頻率范圍為2～8cpd，而f＝4.93cpd剛好處于其中，也即是說不同的人在同一亮度（較高）下對(duì)處于人眼最敏感空間頻率范圍的物體的對(duì)比度覺察閾值是非常相近的，換句話說，只要視力正常，人眼覺察圖像細(xì)節(jié)的能力非常相近。但是當(dāng)成像于視網(wǎng)膜所對(duì)應(yīng)的物體不處于人眼最敏感空間頻率范圍且亮度較低時(shí)，不同的人對(duì)物體的敏感程度有較大的不同。

圖2 15名被測(cè)試者對(duì)3種空間頻率光柵覺察得到的人眼對(duì)比度敏感閾值與平均亮度間的關(guān)系曲線

對(duì)各個(gè)空間頻率在不同亮度下測(cè)量15位觀察者的對(duì)比度覺察閾值求平均，獲得的平均人眼對(duì)比度敏感閾值與亮度的關(guān)系曲線見圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)：3條曲線的形狀基本相同，但是每條曲線隨亮度變化的趨勢(shì)有明顯差異。從變換趨勢(shì)上劃分，每條曲線劃分為3階段：第1階段敏感閾值隨著亮度的變化而變化比較快，曲線的斜率比較大，對(duì)應(yīng)的亮度小于1cd／m2；第2段對(duì)應(yīng)的亮度范圍比較窄，一般為過渡階段，曲線開始轉(zhuǎn)折，這時(shí)的亮度稱為轉(zhuǎn)折亮度；第3階段亮度大于10cd／m2，敏感閾值隨著亮度的增加而幾乎不變。由圖3可見，f＝4.93cpd的轉(zhuǎn)折亮度在5～10cd／m2之間，頻率f＝1.97cpd和f＝1.23cpd的轉(zhuǎn)折亮度分別在3～5cd／m2之間和1～3cd／m2之間，即3種頻率曲線的轉(zhuǎn)折亮度隨空間頻率的增加而增加，3種頻率的曲線的平滑部分隨f的增加而變窄，并且向亮度較高處平移；在比轉(zhuǎn)折亮度更低亮度范圍內(nèi)（1cd／m2以下），曲線波動(dòng)程度隨頻率減小而加劇。

在眼視覺光學(xué)研究領(lǐng)域中，前人把觀察目標(biāo)的亮度分為2個(gè)區(qū)域，即 Weber區(qū)域和DeVries－Rose區(qū)域［8］，對(duì)應(yīng)的分別是曲線平滑部分所對(duì)應(yīng)的亮度范圍和曲線波動(dòng)較大部分所對(duì)應(yīng)的亮度范圍。從圖3可見，f＝1.23cpd的曲線的 Weber區(qū)域比f＝4.93cpd的曲線的Weber區(qū)域?qū)捛蚁蜉^低亮度處平移。在亮度處于DeVries－Rose區(qū)域，人眼敏感閾值波動(dòng)比較大，變化比較快，且空間頻率越小，敏感閾值變化就越快，而在 Weber區(qū)域，敏感閾值幾乎不變。表明：在DeVries－Rose區(qū)域，顯示器亮度的提高可以增加人眼敏感程度，同時(shí)表明其也提高了顯示器顯示圖像的分辨率，但是隨著亮度的增加（在 Weber區(qū)域），亮度對(duì)分辨力的提高達(dá)到一定限度。

圖3 測(cè)量獲得的3種空間頻率光柵的平均人眼對(duì)比度敏感閾值與平均亮度間的關(guān)系

對(duì)比分析圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，在亮度較高（超過10 cd／m2）時(shí)，每位觀察者對(duì)不同亮度下覺察的敏感閾值差異非常小，曲線的斜率趨近于零，表明人眼對(duì)比度敏感能力達(dá)到飽和，當(dāng)亮度為60cd／m2時(shí)，敏感閾值最大，表明人眼對(duì)顯示器顯示圖像的分辨力達(dá)到最佳。

4 結(jié)論

本文通過控制CRT顯示器顯示目標(biāo)光柵圖像的平均亮度來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并嘗試測(cè)量了15名正常視力的在校大學(xué)生的人眼對(duì)比度敏感閾值，研究了人眼視覺特性與顯示器顯示圖像效果的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：增加CRT顯示器亮度可以提高圖像再現(xiàn)效果，但是亮度的作用有一定限度，必須使得人眼視覺特性與亮度傳遞特性相匹配。人眼視覺特性的研究是一門交叉學(xué)科，涉及到物理學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)和計(jì)算機(jī)等相關(guān)知識(shí)，人眼視覺特性的測(cè)量和研究是一項(xiàng)非常有意義的工作。

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