視頻系統設計基礎淺談

穆向昕

（原北京市廣播技術研究所，北京 100034）

視覺是人體感覺器官中最重要的系統，人們靠眼睛獲得外界87%的信息，并且75%～90%的人體正常活動是由視覺引起的。視頻系統設計是在應用環境約束條件下，利用技術手段，解決受看個體或群體在符合人體工程學的基礎上，多數受看者能夠對視頻信息看得清楚，或是具有看得舒服的主觀感受。

1 人類視覺的感知系統

視頻系統服務對象是人類視覺系統（HVS，human vision system），所以有必要認識與之關的視覺感知系統。視覺是一個復雜的過程：物體圖像以光的形式刺激人的視覺神經，通過生理器官——眼睛（瞳孔和晶狀體、視網膜、視神經細胞）、大腦皮層枕葉傳遞光信號，視神經細胞在受到光刺激后，將光信號轉變成生物電信號，物質的動與靜是物體本身的信息，亮暗是光作用于物體的信息；到此視覺形成并未結束，因為最重要的人腦還要參與，需要靠其人腦內存的印象信息、知識以及周圍的環境來詮釋這個影像。整個過程形成視覺。經大腦處理生成結果，從而形成物體的形狀、顏色等概念。視覺包含了物理學、心理學、生物物理學、生物化學、解剖學、神經學等專業。它的復雜程度遠遠大于聽覺。人類視覺的小部分是屬于物理層面，更多的則屬于精神層面。主觀感受是第一位的。這點很重要，是探討視頻系統設計目的的基礎。它與經聽神經傳遞沖動到大腦聽覺中樞形成的聽覺不同。聲音縱波將外界空氣分子的振動實實在在地傳入耳器官，雖然有主觀感受，但是客觀物理層面可量化的東西真實存在。這使得在兩者的研究、仿真、計量、評價上存在非常多的差異。

下面探討視頻設計相關的人類主要視覺特性要素。這些要素在前面視頻定義中都有體現。暫時拋開視頻環境及視頻信息的內容，還是關注人類視覺評價看得清楚和看得舒服的問題。對于看得清楚，立刻會想到視力表。荷蘭眼科醫師弗朗索瓦·唐德斯 （Francisus Donders ）在18世紀提出：“視力（visual acuity）”一詞，并將其定義為視敏度（sharpness of vision），即受檢者主觀視力與標準視力的比值 。視力是指視網膜分辨影像的能力。視力的好壞由視網膜分辨影像能力的大小來判定，普通所謂視力是指中心視力而言（生理視覺標準還包含周圍視力和立體視力），它反映的是視網膜最敏感的部位——黃斑區的功能。對視敏度測量辦法有多種：最小可見度、兩點分辨力、游標視力（vernier acuity）和對比敏感度（contrast sensitivity，簡稱CS）等。但是最常用的還是用視力表測定的視力表視力。視力表又有：標準對數視力表、5分弧度視標的斯內倫（Snellen）視力表（見圖1）、每行5個不同字母的幾何數的增率（Bailey-Lovie）視力表、蘭氏環形（Landolt）視力表（見圖2）等。國內流行的是中國眼科專家繆天榮先生發明的標準對數視力表，所用的增率為。

標準對數視力表GB11533—2011[3]中規定：一般視力測定，測出被檢眼所能辨認的最小行視標（辨認正確的視標數應超過該行視標總數的一半），該行視標的視力記錄值即為該眼的視力。表達視力水平的記錄方式有對數、小數、分數等視力記錄值。

視力表上的5分記錄是一種對數記錄，以5分減去視角的對數值表達視力。統計數學及科學經驗認定：人眼的空間分辨能力為1′,灰度分辨能力大約64級。所以視力表視標字高為5′，字母的筆劃為1′，如圖3所示。正常為5.0 。

視力另一種定量的科學描述小數記錄：眼睛能夠分辨兩物點間最小距離的能力，通常用視角的倒數來表達視力，V=1/α。能分辨的視角越小，視力越好；正常為1.0。

視力的生理學描述和計算：

2 視覺環境因素及標準

視力表是檢測人眼在模仿日間視覺條件下（環境照度應達200 lx～700 lx ；用燈箱，則視力表白底的亮度應達80 cd/m2～320 cd/m2）,用靜態黑白視標檢驗方法，去驗證分辨兩物點間最小距離的中心視力能力。在此限定條件下，分辨的視角合格的值為1′，記為5.0（1.0）。那么，動態、彩色、非條形光柵的兩點、中文字標、雙眼分辨率、辨認正確總數的一半的真實性等問題，都對人眼真實分辨率1′視角權威性產生質疑。21世紀初，現代科學家又論證雙眼視力相對單眼視力有所提高（視角相對變窄）。同時，研究領域對人眼分辨視角標準從0.7′～ 1.7′的論證，始終都有探究。而對動態的、有彩色辨識的視覺實際應用都會采用6′ 以上。這些研究并不影響人們對視力的醫學判定。筆者不去過多探討科學研究領域的視覺因素，只去歸納影響這些因素的成因。

2.1 視力的形覺能力

表1 人眼視覺特性

眾所周知，人的視力分為兩種能力：形覺和色覺，即對物體形狀輪廓辨別和顏色辨別的功能。人眼的視覺特性見表1。人眼分辨力的影響因素：光的照度、相對對比度、物體運動速度、色彩。

探討人類視覺特性要素和視覺環境要素的目的是為了獲得觀看顯示的科學的視覺數據支持，反映到具體應用就是較佳觀察距離（PVD，preferred viewing distance）。

上述規范和經驗數據實際上是靜態視敏角概念在不同環境下、不同視覺對象（靜態、動態）人類視覺應用的經驗總結，見表2，對視頻系統設計有著指導性的意義。它展示了人類觀察物體時的三種狀態：遠眺觀看總覽物體全貌，近看觀察個別物體，細察是對物體的紋理、材質、肌理等；并進行仔細分析，對于群體視場應用以區域和最遠視距為參考數據；而個體及少數人視場應用PVD數據更有積極意義。如圖5所示，是在同樣動態圖像、不同分辨率質量要求的最佳推薦視距，其更側重對像素質感的主觀體驗，將視角放在了次要位置。這也是基于ITU（國際電信聯盟）關于高清影視顯示圖像追求實際現實圖像感受的要求。

2.2 視力的色覺能力

上述部分屬于形覺范疇，也是人類最基本的視覺要素。在色覺應用上，英國醫學家兼物理學家T.Young提出經典的三色理論。他認為，人的眼睛中有三類感光組織，分別對藍光、紅光、綠光靈敏。在白光照明下三類感光體都受到激勵。亮度響應曲線表明人眼對波長為550 nm左右的黃綠色最為敏感，如圖6所示。這種正態分布形曲線就是人眼視覺系統的相對視敏函數（Relative Luminous Efficiency Function of the Vision System）。

表2 視覺系統設計中常見的視角與視距

人類眼睛對藍光的靈敏度遠遠低于對紅光和綠光的靈敏度。所以不同圖像顏色亮度感受是不同的。換句話說，同樣顯示設備，有的彩色圖像感覺很亮，有的彩色圖像就會感覺不亮，這是很正常的事情。

色彩數字化標準的建立，確定了人們在生活中對色彩應用規定格式（體系）間互通，舞美、燈光、照片、攝像、打印等都有了統一的色彩概念。但是，由于用于顯示應用RGB色域和應用于印刷CMYK（Cyan青、Mageata品紅、Yellow黃、Black黑）色域及其他應用色域的不同，就會出現色域的轉換（數字變換）；再者，設備時效的變化，光源的衰耗、顯示設備因輸入的電壓信號與亮度不成正比，所產生失真的伽瑪值（Gamma）的校正等因素，會造成類似計算機模擬效果顯示與舞美效果圖以及印刷海報色彩有著明顯差異的問題。為此，由行業主流企業牽頭的ICC（International Color Consortium，國際色彩聯盟），推出了建立描述設備顏色的特征文件（Profile）標準，以反映設備表現色彩的范圍和特征，用色彩管理減少相同數值下在不同設備上產生不同顏色的互通間的色差問題。由于色彩涉及不同人種、民族的心理感受，是物理量和心理感量的綜合，因此至今還沒有絕對統一的國際色彩實用標準。國內制定了中國顏色體系 GB/T 15608—2006標準。

實際顏色由三個可以感知和度量的參數決定：色調、飽和度和亮度。其作用見表3。

色彩中，通常由配色方程配出的彩色光F的亮度用光通量表示：

Y（白光亮度）=0.30R（紅）＋0.59G（綠）+0.11B（藍）

這也驗證了格拉斯曼定律（H. Grassman）——復合光的亮度等于各光分量的亮度之和的定律。雖然公式給出了度量的精確計算，但是人類感知與度量值不是簡單的線性關系，而是近似于對數關系。這就是著名的韋伯-費赫涅爾定律（Weber-Fechner）——亮度感覺與亮度的對數成線性關系。同樣，人耳聽力感知的聲壓級也是成對數關系。由此，科學家韋伯和費赫涅爾師徒兩人于1860年提出著名心理物理學定律：人的一切感覺，包括視覺、聽覺、膚覺（含痛、癢、觸、溫度）、味覺、嗅覺、電擊覺等等，都遵從“感覺不與對應物理量的強度成正比，而是與對應物理量的強度的常用對數成正比”的法則。雖然后人又有很多修正，但是宗旨未發生撼動。法則是一個經驗定律，和所有的定律一樣都有其適用的范圍。

在常用的背景亮度變化范圍內，人眼的對比靈敏度因素變化很小，平均亮度不等于周圍的環境亮度時，對比靈敏度不僅與背景亮度有關，而且與環境亮度有關。電影院銀幕中心設計亮度約為60 nit（cd/m2）。而通常會議室投影顯示屏中心設計亮度約為240 nit（cd/m2）。由于會議室顯示屏周圍亮度環境不同，所計算的顯示屏亮度也會有變化。這些用韋伯-費赫涅爾定律就很容易解釋。

表3 顏色感知維度

2.3 視覺標準

在初步了解人類視覺感知基礎后，如何建立適合于人類視覺的標準呢？和聽覺系統相同，圖像質量評價從方法上可分為主觀評價方法和客觀評價方法。目前世界上并沒有科學權威的統一標準。目前主觀評估方法缺乏穩定性，實現起來步驟復雜，代價昂貴，實時性不好，不利于實時視頻通信中的視頻質量評估。中國對于對象質量的主觀感知評價，實驗人員是參照ITU-BT-510進行的。

客觀質量評估法又可以分為三種類型：全參考（Full．Reference，FR），部分參考（Reduced.Reference，RR）和無參考(No．Reference，NR）。對于一個視頻客觀質量評估方法來說，關鍵的是找出一個或幾個最合適的視頻質量度量（Video Quality Metric，VQM）來衡量視頻質量的好壞。ITU規定了視頻質量度量的精確度和交叉校驗的方法（ITU-T J.149—2004）。中國也在探索電視視頻質量的評價標準。

3 視覺圖像信號元素

視覺設計中，演出的人或物比較具象，而視覺圖像信號的應用會帶來更多的思考。視覺設計中視覺圖像信號主要為視頻信號和計算機圖像信號。表4中分辨率是數字成像技術和計算機技術融合的表述方式，是將顯示器固有物理格式及圖像內容格式有機結合特征符號。在實際視頻顯示應用中，會遇到圖像內容分辨率（見圖7）與顯示器固有物理分辨率不同的問題，即圖像格式不同的應用，技術上解決辦法是格式變換，見表5。此時顯示圖像的同心度、重顯率、過掃描和欠掃描對圖像是否完整、顯示屏利用是否充分即圖像重顯率等因素影響著實際分辨率質量。當顯示器件固有分辨率像素數低于圖像內容格式下變換顯時，水平和垂直清晰度會出現偽像。顯示器件固有分辨率像素數高于圖像內容格式上變換顯示狀態也會出現疏密不同干擾花紋狀偽像。為了追求原像素真實表現，系統工作于最佳分辨率狀態的固有分辨率顯示系統，在此狀態清晰度值是最佳的。同時要考慮像素逐點對應與像素排列的關系，如圖8所示。

表4 常用信號格式的垂直分辨率（標準名稱）

表5 常用顯示分辨率及其應用、接口、支持的最大分辨率

4 結語

視頻系統設計基于人類主要視覺特性要素，根據視覺圖像信號元素內容，確定在具體的視覺環境因素條件下；并通過對視點、視覺最佳視距PVD、人類經驗總結的標準，進行視覺分析，從而選取適當的技術手段，以實現具有科學性的應用。

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