面向三角靶標(biāo)的人眼對(duì)比度閾值特性實(shí)驗(yàn)表征

張冬陽(yáng)，張建奇

(西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

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面向三角靶標(biāo)的人眼對(duì)比度閾值特性實(shí)驗(yàn)表征

張冬陽(yáng)，張建奇

(西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

人眼視覺對(duì)比度閾值特性是光電成像系統(tǒng)性能建模的重要基礎(chǔ)，面向三角靶標(biāo)的人眼對(duì)比度閾值特性是三角方向鑒別閾值性能模型構(gòu)建的前提．以人眼鑒別三角靶標(biāo)方位的強(qiáng)制四選一度量思想為基礎(chǔ)，搭建了集靶標(biāo)生成、顯示控制和測(cè)量分析于一體的綜合測(cè)試平臺(tái); 通過(guò)設(shè)置不同背景光亮度，統(tǒng)計(jì)了7種不同空間頻率的三角形靶標(biāo)方向鑒別概率; 采用韋布爾視覺心理測(cè)量函數(shù)分析測(cè)量數(shù)據(jù)，獲得75%正確判別概率對(duì)應(yīng)的人眼對(duì)比度閾值曲線．在正常觀察亮度范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果分析表明: 當(dāng)背景亮度相同時(shí)，三角形空間頻率越大，人眼正確判別所需要的對(duì)比度閾值越高; 當(dāng)空間頻率相同時(shí)，三角形背景亮度越大，人眼正確判別所需要的對(duì)比度閾值越小．

對(duì)比度閾值;三角靶標(biāo);韋布爾函數(shù);強(qiáng)制四選一

人眼視覺系統(tǒng)特性是圖像顯示、處理和分析等理論與技術(shù)的重要依據(jù)，是光電成像系統(tǒng)性能測(cè)試與評(píng)估的重要基礎(chǔ)．目前，常用的光電成像系統(tǒng)性能模型[1]，如最小可分辨溫差(Minimum Resolvable Temperature Difference，MRTD)、三角形方向鑒別(Triangle Orientation Discrimination，TOD)、NVThermIP等模型，都是以相應(yīng)的閾值曲線來(lái)分析系統(tǒng)的成像性能的．與之相對(duì)應(yīng)的約翰遜準(zhǔn)則、三角形方向鑒別準(zhǔn)則以及目標(biāo)任務(wù)性能(Targeting Task Performance，TTP)準(zhǔn)則等，將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)量的閾值曲線與系統(tǒng)的目標(biāo)獲取性能聯(lián)系起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)性能的評(píng)估[2]．NVThermIP模型基于周期靶標(biāo)[3](4條桿靶標(biāo))測(cè)試數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)任務(wù)性能準(zhǔn)則與文獻(xiàn)[4]中的人眼視覺模型，將最大空間頻率及以下所有頻率信息都應(yīng)用到系統(tǒng)性能的評(píng)估中，突破了其他模型使用單一頻率信息的局限性．然而，真實(shí)目標(biāo)大多是非周期性的，與周期靶標(biāo)具有一定的差異，使得 NVThermIP模型評(píng)估系統(tǒng)目標(biāo)獲取性能時(shí)不夠準(zhǔn)確．三角形方向鑒別模型則采用非周期的等邊三角形作為測(cè)試靶標(biāo)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)性能．三角形靶標(biāo)比周期靶標(biāo)更接近于真實(shí)目標(biāo)的特性，使得人眼的三角形方向鑒別判別數(shù)據(jù)更接近真實(shí)目標(biāo)的獲取特性，這是三角形方向鑒別模型與NVThermIP模型相比具有的優(yōu)勢(shì)．但是，三角形方向鑒別模型采用極限分辨率的單一頻率信息來(lái)評(píng)估系統(tǒng)性能，忽略了最大頻率以下的其他頻率信息對(duì)系統(tǒng)性能的影響，使得三角形方向鑒別模型也存在一定的局限性．文獻(xiàn)[5]中進(jìn)行的兩種模型的比較分析中，并不能說(shuō)明哪一個(gè)模型在系統(tǒng)性能評(píng)估中更具有優(yōu)勢(shì)．兩種模型各有優(yōu)點(diǎn)與不足．如果將NVThermIP模型中考慮所有頻率信息的思想引入到三角形方向鑒別方法中，將有可能進(jìn)一步完善三角形方向鑒別模型的不足，提高三角形方向鑒別模型評(píng)估系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確性．但是，NVThermIP采用的文獻(xiàn)[4]中的人眼視覺對(duì)比度模型來(lái)源于周期靶標(biāo)的人眼視覺測(cè)量數(shù)據(jù)，不能直接將其應(yīng)用到三角形方向鑒別方法中評(píng)估系統(tǒng)性能．因此，測(cè)量和分析人眼視覺系統(tǒng)對(duì)于三角形靶標(biāo)的鑒別特性，獲得基于三角形方向鑒別方法的人眼視覺對(duì)比度閾值數(shù)據(jù)將具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，可以為人眼視覺特性分析以及利用NVThermIP模型的優(yōu)秀思想去優(yōu)化三角形方向鑒別模型提供參考依據(jù)．

筆者重點(diǎn)研究基于三角形方向鑒別方法的人眼視覺對(duì)比度閾值特性的測(cè)量與分析方法，獲得人眼對(duì)比度閾值曲線，并分析人眼視覺對(duì)比度與靶標(biāo)空間頻率以及背景光亮度之間的變化關(guān)系．將人眼視覺對(duì)比度測(cè)試方法[6-9]與三角形方向鑒別方法[10-12]相結(jié)合，筆者設(shè)計(jì)了一套行之有效的面向三角靶標(biāo)的人眼對(duì)比度閾值特性實(shí)驗(yàn)表征方法，獲取了大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，很好地表征了面向三角形靶標(biāo)的人眼視覺對(duì)比度閾值特性隨靶標(biāo)空間頻率和背景亮度之間的變化關(guān)系．

1 人眼對(duì)比度閾值度量

人眼視覺對(duì)比度閾值函數(shù)(Contrast Threshold Function，CTF)在光電成像系統(tǒng)性能測(cè)試、評(píng)估與預(yù)測(cè)中具有重要作用．NVthermIP成像系統(tǒng)性能模型中采用的文獻(xiàn)[4]中的人眼視覺對(duì)比度閾值函數(shù)模型是基于周期靶標(biāo)(正弦光柵或者條桿靶)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的，不能夠直接在三角形方向鑒別模型體系的優(yōu)化中應(yīng)用．借鑒三角形方向鑒別度量曲線的測(cè)試思想，筆者設(shè)計(jì)的面向三角靶標(biāo)的人眼對(duì)比度閾值度量框架如圖1所示．實(shí)驗(yàn)采用不同對(duì)比度和不同尺寸的三角形靶標(biāo)進(jìn)行人眼對(duì)比度閾值測(cè)試．觀察者觀察三角形測(cè)試圖案，通過(guò)鍵盤的4個(gè)方向鍵(上、下、左、右)統(tǒng)計(jì)三角形方向的判別結(jié)果．最后采用韋布爾函數(shù)確定75%正確判別概率對(duì)應(yīng)的人眼對(duì)比度閾值曲線．下面詳細(xì)介紹度量平臺(tái)設(shè)置以及測(cè)試方法．

圖1 面向三角靶標(biāo)人眼對(duì)比度閾值測(cè)試示意圖

1.1 環(huán)境設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用24英寸 1 920× 1 200 分辨率的惠科T4000+LED顯示器給觀察者顯示三角形測(cè)試靶標(biāo)．該顯示器具有 10 bit 像素量化位寬，能夠達(dá)到 1 024 灰度分辨等級(jí)，比普通 8 bit 像素量化顯示器更適用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)．

為了消除環(huán)境光對(duì)測(cè)量靶標(biāo)顯示對(duì)比度的干擾，測(cè)試實(shí)驗(yàn)被放在暗室環(huán)境下完成．在暗室環(huán)境中，只有顯示器屏幕的光可以被觀察者感知，沒有其他環(huán)境光的干擾．由于觀察者從光亮環(huán)境下進(jìn)入暗室環(huán)境后會(huì)有一段視覺暫盲過(guò)程，因此，觀察者擁有 30 min的 時(shí)間在暗室環(huán)境中去調(diào)節(jié)自身的視覺感知能力．在進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察者坐在椅子上并將其下顎放在定位桿上(如圖1所示)，保證觀察者與顯示器中心的距離始終保持在 1 m 的位置，這樣可以減小因觀察距離不同而導(dǎo)致的測(cè)量誤差．

圖2 等邊三角形測(cè)量靶標(biāo)

1.2 靶標(biāo)設(shè)置

筆者提出的人眼視覺對(duì)比度閾值測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用等邊三角形替代傳統(tǒng)正弦或條桿靶標(biāo)作為測(cè)試圖案，更貼近真實(shí)的目標(biāo)鑒別特性．三角形靶標(biāo)具有4種指示方向: 上、下、左、右，如圖2所示．三角形靶標(biāo)放置在 1 920× 1 200 的均勻背景中通過(guò)顯示器呈現(xiàn)給觀察者進(jìn)行三角形的方向判別實(shí)驗(yàn)．三角形靶標(biāo)的固有特性采用空間角頻率SR和亮度對(duì)比度C進(jìn)行表征．

三角形空間角頻率SR定義為三角形平方根面積與觀察距離比值的倒數(shù)[13-14]:

其中，R表示顯示器到人眼的觀察距離，L表示三角形靶標(biāo)的邊長(zhǎng)．

三角形靶標(biāo)亮度對(duì)比度C使用Weber對(duì)比度，定義為目標(biāo)和背景顯示亮度差與背景亮度的比值:

其中，LT表示三角形靶標(biāo)的顯示亮度，LB表示靶標(biāo)背景顯示亮度．

當(dāng)顯示亮度非常亮?xí)r，人眼視敏度飽和，不能正常分辨圖像信息; 而當(dāng)顯示亮度非常暗時(shí)，不足以刺激人眼感知能力，也不能夠正常分辨圖像信息．這兩種極端情況對(duì)研究人眼對(duì)比度閾值特性沒有實(shí)際意義，需要在人眼正常可觀察顯示亮度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)．因此，實(shí)驗(yàn)中選取7種不同角空間頻率 (0.156 cycle/mrad， 0.194 cycle/mrad， 0.268 cycle/mrad， 0.375 cycle/mrad， 0.511 cycle/mrad， 0.625 cycle/mrad，1.125 cycle/mrad) 的三角形靶標(biāo)，放置在3種不同背景亮度 (1× 3.426 cd/m2， 5× 3.426 cd/m2，10× 3.426 cd/m2) 條件下進(jìn)行測(cè)試．在通常情況下，對(duì)每種空間頻率的三角形靶標(biāo)，觀察者都需要進(jìn)行正對(duì)比(目標(biāo)比背景亮)和負(fù)對(duì)比度(目標(biāo)比背景暗)方向鑒別實(shí)驗(yàn)．每種尺寸的三角形都設(shè)置了8種不同正對(duì)比度和8種不同負(fù)對(duì)比度的測(cè)試圖案，總共生成了336組測(cè)試靶標(biāo)圖案用于測(cè)量實(shí)驗(yàn)．所有測(cè)試圖案的像素量化位寬均為 10 bit，可以分辨 1 024 的灰度等級(jí)．因此，測(cè)試圖案能夠達(dá)到的最小對(duì)比度為0.098%．

1.3 觀察者任務(wù)

選擇了20名經(jīng)過(guò)判別訓(xùn)練的觀察者參與測(cè)試，每名觀察者的裸眼視力都在正常范圍，無(wú)近視、遠(yuǎn)視等問(wèn)題．實(shí)驗(yàn)采用無(wú)偏心理測(cè)量方法和強(qiáng)制四選一(4-Alternative Forced Choice，4AFC)觀察任務(wù)．在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，特定尺寸和特定對(duì)比度的多組三角形測(cè)試圖案通過(guò)顯示器隨機(jī)呈現(xiàn)給觀察者進(jìn)行判別，圖像每次顯示時(shí)間為 5 s，觀察者需在此時(shí)間內(nèi)完成強(qiáng)制四選一的判別任務(wù): 即無(wú)論觀察者是否能夠準(zhǔn)確地判斷出所感知到的三角形方向，都必須在上、下、左、右這4個(gè)備選方向中選擇其一作為本次判別的結(jié)果．在判別實(shí)驗(yàn)中，為了消除響應(yīng)的不對(duì)稱性，每次顯示時(shí)三角形測(cè)試圖案在水平或者垂直方向都被增加了一個(gè)較小的隨機(jī)偏移．這樣可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性．

2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)于給定尺寸的三角形測(cè)試靶標(biāo)，對(duì)比度閾值定義為觀察者判別三角形方向正確概率達(dá)到75%所對(duì)應(yīng)的測(cè)試圖案對(duì)比度．通常，采用韋布爾視覺心理函數(shù)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，從而求得75%正確判別概率對(duì)應(yīng)的閾值對(duì)比度數(shù)值．韋布爾函數(shù)為

圖3 韋布爾函數(shù)示意曲線

其中，x表示測(cè)試圖案對(duì)比度，α表示對(duì)比度閾值，β決定曲線的陡峭程度，γ表示觀察者不能確定三角形方向但是猜中三角形方向的概率，δ表示觀察者能夠正確判別三角形方向的情況下按錯(cuò)按鈕或者錯(cuò)過(guò)判斷時(shí)間的誤判概率．利用韋布爾函數(shù)擬合的正確判別概率與刺激強(qiáng)度(文中表示對(duì)比度)的示意曲線如圖3所示．

實(shí)驗(yàn)中采用視覺科學(xué)中廣泛使用的無(wú)偏心理測(cè)量過(guò)程及強(qiáng)制四選一觀察者任務(wù)，要求觀察者每次必須從4個(gè)三角形方向中選擇一個(gè)作為判別結(jié)果，因此，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與擬合時(shí)取 γ= 0.25．根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在用韋布爾函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合時(shí)取 δ= 0.02．α和β為兩個(gè)獨(dú)立的擬合參數(shù)．

利用韋布爾函數(shù)對(duì)不同尺寸三角形測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得到對(duì)應(yīng)的最優(yōu)擬合參數(shù)α和β．將相關(guān)參數(shù)都代入式(3)中進(jìn)行計(jì)算，可以得到正確判別概率為75%時(shí)的對(duì)比度閾值x75，即

為消除人眼視覺系統(tǒng)對(duì)正負(fù)對(duì)比度圖案的響應(yīng)差異，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)正、負(fù)對(duì)比度的測(cè)試圖案都進(jìn)行了測(cè)試．當(dāng)三角形測(cè)試靶標(biāo)尺寸確定時(shí)，其對(duì)應(yīng)的對(duì)比度閾值定義為正對(duì)比度閾值和負(fù)對(duì)比度閾值的平均值:

3 結(jié)果與分析

根據(jù)上面給出的基于三角形方向判別方法的人眼視覺對(duì)比度閾值測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得了20名觀察者在3種不同背景光亮度下的判別結(jié)果．采用韋布爾函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合分析，可以得到3組正確判別概率與靶標(biāo)對(duì)比度的擬合曲線，如圖4所示，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)擬合參數(shù)如表1所示．

圖4 測(cè)量結(jié)果與韋布爾擬合曲線

由圖4給出的正確判別概率與靶標(biāo)對(duì)比度的變化關(guān)系可以看出:

(1) 測(cè)試圖像顯示亮度對(duì)比度與人眼正確判別概率間的變化關(guān)系符合韋布爾心理測(cè)量函數(shù)的表示形式．

(2) 在一定的背景顯示亮度下，當(dāng)三角形尺寸確定時(shí)，人眼正確鑒別三角形方向的概率隨著測(cè)量靶標(biāo)對(duì)比度絕對(duì)值的增加而增大;當(dāng)靶標(biāo)對(duì)比度確定時(shí)，人眼正確鑒別三角形方向的概率隨著三角形空間角頻率的增加而減小．

(3) 為獲得相同的三角形方向正確鑒別概率，人眼所需要的靶標(biāo)對(duì)比度隨著三角形空間角頻率的增大而增加．換言之，三角形尺寸越大，越容易鑒別．

利用式(4)～(5)和表1給出的擬合參數(shù)，可以計(jì)算得到在不同背景亮度下，不同空間頻率三角形靶標(biāo)對(duì)應(yīng)75%正確判別概率時(shí)的對(duì)比度閾值，如表2所示．

表1 不同背景亮度下三角形靶標(biāo)對(duì)應(yīng)的擬合參數(shù)

表2 不同空間頻率三角形靶標(biāo)的對(duì)比度閾值

圖5 面向三角形靶標(biāo)的人眼對(duì)比度閾值曲線

將表2的對(duì)比度閾值數(shù)據(jù)與三角形靶標(biāo)空間頻率繪制成曲線，得到3種不同背景光亮度下，人眼視覺系統(tǒng)以75%概率正確鑒別三角形方向所需要的對(duì)比度閾值隨三角形空間頻率的變化關(guān)系，如圖5所示．

由圖5可以看出:

(1) 在背景亮度為1×3.426 cd/m2、5×3.426 cd/m2和 10× 3.426 cd/m2的情況下，隨著三角形測(cè)試靶標(biāo)空間頻率的增加，人眼視覺系統(tǒng)達(dá)到75%概率正確鑒別三角形方向所需要的對(duì)比度閾值也逐漸增加，即三角形尺寸越小，所需要的鑒別對(duì)比度閾值越大．

(2) 在三角形測(cè)試靶標(biāo)空間頻率相同的情況下，隨著背景光亮度的增加，人眼視覺系統(tǒng)達(dá)到75%概率正確鑒別三角形方向所需要的對(duì)比度閾值逐漸減小，即背景光亮度越大，所需要的鑒別對(duì)比度閾值越小．

4 結(jié) 束 語(yǔ)

筆者給出了基于三角形方向鑒別方法研究人眼視覺對(duì)比度閾值特性的測(cè)試方法，采用無(wú)偏心理測(cè)量過(guò)程和強(qiáng)制四選一觀察者任務(wù)完成測(cè)量實(shí)驗(yàn)．利用韋布爾視覺心理測(cè)量函數(shù)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，并給出基于三角形方向鑒別方法的人眼視覺對(duì)比度閾值隨靶標(biāo)空間頻率和背景亮度的變化關(guān)系曲線．測(cè)量結(jié)果顯示: 在相同背景亮度下，人眼視覺對(duì)比度閾值隨靶標(biāo)空間頻率的增加而增大; 在相同靶標(biāo)空間頻率下，對(duì)比度閾值隨背景亮度的增加而減小．筆者的工作可為研究人眼視覺特性以及優(yōu)化三角形方向鑒別光電成像系統(tǒng)性能評(píng)估模型提供參考依據(jù)．.

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(編輯：郭 華)

Experimental characterization of the human vision contrast threshold for the triangle pattern

ZHANGDongyang，ZHANGJianqi

(School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xidian Univ., Xi’an 710071, China)

The human vision contrast threshold characteristic is an important basis for the performance evaluation of the Electro-Optical (EO) imaging system. The Human vision contrast threshold characteristic for the triangle pattern is the premise for constructing the performance model based on the triangle orientation discrimination threshold. In this paper, a comprehensive test platform which integrates pattern generation, display control, measurement and analysis is constructed based on the 4AFC methodology used in the triangle orientation discrimination The discrimination probabilities of the triangle pattern with seven different spatial frequencies are measured at different background luminance levels. Futher, the Weibull function is fitted to the experiment data, and the curves of the human visual contrast threshold vs. the 75% correct discrimination probability are obtained. In the normal viewing luminance range, the results show that the contrast threshold increases with the increase of the target spatial frequency for the same background luminance, and the contrast threshold decreases with the increase of the background luminance for the same target spatial frequency.

contrast threshold; triangle pattern; Weibull function; 4-alternative forced choice

2015-10-13

時(shí)間：2016-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61575152, 61377007, 61301290)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NSIZ011404)

張冬陽(yáng)(1985-)，男，西安電子科技大學(xué)博士研究生，E-mail：zdyshengzhou@163.com．

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.tn.20160401.1622.032.html

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.06.016

TN216

A

1001-2400(2016)06-0091-06