視頻圖像中顏色刺激對音高差別閾限的影響

張青虹

【摘要】 本文從視頻圖像的最基本的靜態純色出發，改變聽音的視覺環境，采用3種不同色度（紅色、綠色、藍色）的視覺環境，進行音高差別閾限實驗，并與暗室（即黑暗無光線的環境）的相應實驗進行對比，分析在不同色彩視覺環境中被試對純音聽辨能力的變化。研究結果表明，視覺環境顏色的變化確實對音高差別閾限有影響，但沒有呈現出明顯的規律性。

【關鍵詞】視聽交互 視覺環境改變 音高差別閾限

一.研究背景和意義

現代社會，在日益廣泛應用的數字廣告、數字電影、數字電視等平面媒體中，聲音伴隨圖像同時呈現，人們在觀賞這些平面媒體時是一種視覺與聽覺同時接受信息刺激的方式，是以一種視聽交互的方式來吸收外界信息。聽覺感知和視覺感知，二者并不是兩個孤立進行的獨立過程。兩個感知模式相互協調以提高人在環境中追蹤“對象”和事件的效率和能力。當聽覺信息由一個相應的視覺信息支持著，或當視覺信息由一個相應的聽覺信息增強著，那么這兩種感知模式間相互協調的作用就會增強人對激勵的知覺。因此人眼得到的視覺感受會受到人耳所接收到的聽覺刺激的影響，同樣，人耳得到的聽覺感受也會受到來自屏幕的視覺刺激的影響。這就是視覺和聽覺的相互作用。現在對聽覺的研究較少考慮視聽結合方式下視覺刺激對聽覺的影響，忽視了視覺、聽覺相互作用這個很重要的問題。

另外，視聽交互的重要性日益突出，而視覺刺激對聽覺感知的影響缺乏全面深入的研究。以視覺刺激下人耳對聲音的主觀聽感差別閾限的變化為研究對象，在主觀聽覺實驗中加以顏色、質量、亮度、運動狀態四個不同屬性的視覺刺激，同時測量純音信號的響度、主觀音長和音高的聽感差別閾限。通過與無視覺刺激下相應差別閾限的比較，分析不同視覺條件對響度感知、主觀音長感知、音高感知能力的影響。同一視覺屬性的不同水平視覺條件對聽覺感知的影響程度不同，主觀聽感的變化呈現出一定的規律性，即視覺刺激越舒適，聽感的差別閾限變化越小。

本文在實驗室內模擬3種不同燈光色度（紅色、綠色、藍色）的聽音視覺環境，并與暗室中的評測結果做對比，考察不同現場視覺環境對音高差別閾限的影響規律。

二.基本概念

1.音高差別閾限

差別閾限： 指剛好能引起差異感覺的刺激變化量，即辨別兩個強度不同的刺激所需要的最小差異值。雖然理論上閾限是心理感受“全”或“無”的突變點，但事實上這樣的閾限定義并不能在閾限的實際測量中起到作用。因此實驗者需借助此定義，在那個可以剛剛引起感覺的最小刺激強度，用其算數平均值來表示。

2.顏色視覺

不同波長的光線是無色的，但當它們刺激人的視覺系統時就產生了顏色視覺。因此，顏色是視覺系統接受光刺激后的產物。物體之所以呈現顏色，就是因為它們反射光線到我們的視覺系統。燈光是一種常見的視覺刺激，和我們的日常生活息息相關。在一些聲學場所，比如話劇廳、會議室都離不開燈光的作用。色度是衡量燈光視覺環境的一項重要指標。

人的視覺系統對色彩的感知是錯綜復雜的，為了可以量化地描述色彩，國際照明協會根據實驗分析，將人的視覺系統對可見光內不同波長的輻射能所引發的感覺用紅、綠、藍三原色的配色函數來加以記錄。色度的定義是：用來評價色質刺激，其值由色度坐標或主波長（或補色波長）和純度確定。如圖1所示。

人們把照明燈具作為點綴環境、平衡布局、美化居室及作為環境藝術處理的重要手段。利用色彩來美化室內生活環境，不僅可以給人舒暢和美的享受，而且能使人們產生不同的心理和生理感受。因此，色彩在生活中被人們有目的地選擇，合理的色彩處理能得到如下感覺不同的效果。

1.溫度感

眾所周知，紅、橙、黃、棕等顏色為暖色，常使人聯想起東方的旭日、燃燒的火焰、鮮艷的花朵等，認為它有溫暖感，在大廳、客廳、餐廳等場所采用暖色調的照明，既有熱烈華麗之感，又有烘托歡快而舒暢的氣氛；藍、綠、青、紫等色為冷色，它象征著大海的碧波和冰雪，使人感到冷靜、涼爽，認為它有寒冷感，在火熱或狹窄的空間采用冷色照明，可以造成涼爽寬敞的感覺。

2.距離感

在同一平面上，暖色使人感覺距離更近一些，有接近的效果。而冷色使人感到距離遠一些，有遠離的效果。因此，暖色稱為近感色，冷色稱為遠感色。設計人員常用色彩的距離感來改善室內空間的大小與形態。

3.興奮與抑制作用

一般情況下，紅色、黃色、橙色有興奮作用，紫色則有抑制作用。所以，要求熱烈而歡快的場所，通常采用以紅色和黃色等暖色為主的照明，使人感到興奮而舒暢。

4.生理作用

就眼睛接受各種光色所引起的疲勞程度而言，藍色和紫色最容易引起疲勞，紅色與橙色次之，蘭綠色和淡青色視疲勞最小。生理作用還表現在眼睛對不同光色的敏感程度，如眼睛對黃色光最敏感，因此，黃色常用作警戒色。燈光色彩環境帶給人的不同心理感受是研究視覺刺激對聲音感知影響實驗的重要理論依據。

三.音高差別閾限實驗及分析

1.音高差別閾限的實驗設備及環境

音高差別閾限實驗采用的主要設備是由Interacoustics丹麥國際聽力公司生產的診斷型聽力計AD229b和配套壓耳式氣導耳機TDH39。

視覺環境選擇：

在視聽實驗室內搭建如圖2所示的燈箱室。被試和全彩LED屏幕之間用專業的燈箱薄膜隔開，使燈箱室內的光線更柔和。計算機通過LEDVISION軟件控制LED屏幕的色彩變換，并且數據的傳輸需要千兆網卡和六類網線。音頻信號通過耳機播放，視聽實驗環境如圖2所示。endprint

先對測聽環境進行檢測，以保證環境背景噪聲滿足要求。本次測量選用的測聽環境是做過聲學吸聲處理的錄音間，環境參數如表1所示。

經檢測，該視聽環境的背景噪聲小于40dB（A），符合實驗的底噪要求。LED燈屬于冷光源，即使工作很長時間后，也幾乎不會對環境溫度有影響，從而使被試保持在一個穩定的外界環境條件中。

2.音高差別閾限的實驗信號

（1）視覺信號

顏色視覺環境采用光譜中最基本的三種色度和一組無視覺環境（暗室）。實驗設計主要是為了考察色度引起的聽覺感知差異，因此將環境照度控制在一個比較舒適且不影響可視的范圍內。首先在LEDVISION軟件里設置好紅色、綠色和藍色的顏色及亮度，然后在燈箱室里用色度計測量顏色的色度坐標及照度，具體參數如表2所示。

（2）聲音信號

利用計算機軟件Adobe Audition產生頻率為250Hz-2000Hz，步長為2Hz的兩組純音信號，時長為3秒，一組是標準刺激在前，另一組是比較刺激在前，兩組的標準刺激和比較刺激對以遞增或遞減形式出現。

3.音高差別閾限的實驗方法

參加實驗的共有10人，6男4女，均為公司職員，年齡均在28～41之間。為避免被試之間的相互干擾，實驗中安排被試逐個到燈箱室進行測試。正式實驗開始前，用聽力計AD229b對每位被試進行聽力水平的簡單測試，用視力檢測本對每位被試進行色覺測試，以保證所有被試的聽視力都是正常的。

本文實驗采用的是恒定刺激法。恒定刺激法是測量感覺閾限的三種方法之一，它的特點是測定時只用少數幾個刺激，通常為5-7個，并且它們在測定閾限的整個過程中是固定不變的。恒定刺激法也就是因此而得名的。恒定刺激法中所用的刺激要事先選定，一般是用最小變化法粗略的測試一下被試的有關閾限值，然后將比閾限值強和弱的幾個刺激值確定為要用的刺激。刺激的最大強度要大道它被感覺到的概率達到90%-95%，刺激的最小強度要小到它被感覺到的概率在5%-10%，各刺激的強度之間最好是等差關系。每個刺激呈現的次數應相等，呈現的順序要隨機排列。 恒定刺激法既可以用于測量絕對閾限，又可以用于測量差別閾限。在測定時，也要注意消除空間誤差和時間誤差。用恒定刺激法測定差別閾限的方法是讓被試將比較刺激，隨機呈現每對刺激（一個標準，一個比較）。用此方法測定差別閾限時，要求被試以反應按鍵來表示“高于”，“等于”和“低于”），分別對應于“+”，“=“和”-“鍵。這樣就得到一個從感覺比標準刺激低到相等的差別閾限下限，一個是從感到相等到高的差別閾限上限。一般是用直線內插法求得上下限，在求出差別閾限DL。分為以下幾個步驟：

（1）實驗素材的選擇。利用軟件Adobe Audition產生音高為235Hz-265Hz（或970Hz-1030Hz或1978-2030Hz），步長為2Hz的兩組純音信號，時長為3秒，一組是標準刺激在前，另一組是比較刺激在前，兩組的標準刺激和比較刺激對以遞增或遞減形式出現，兩組信號讓被試進行判斷。

（2）測量方法的確定。用此方法測定差別閾限時，要求被試以反應按鍵來表示“高于”，“等于”和“低于”），分別對應于“+”，“=”和“-”鍵。

（3）實驗步驟。利用音頻軟件產生250Hz兩組17個比較刺激和一個標準刺激/1000Hz兩組17個比較刺激和一個標準刺激/2000Hz兩組20個比較刺激和一個標準刺激。分別在黑/紅/綠/藍等四種視覺環境里進行測試，實驗結果記錄在實驗紙上。

4.音高差別閾限實驗結果與分析

在黑/紅/綠/藍等四種視覺環境里，讓被試記錄下每個頻點下的比較值。把記錄的比較值在每個頻點按“高于”反應的次數/“等于”反應的次數/“低于”反應的次數三種反應來統計其各自的次數，并錄入表格。然后計算每個頻點下三種反應的反應概率，并整理成反應概率表?，F以黑色視覺環境里的250Hz頻點為例，采用平均誤差計算差別閾限：

根據上述計算方法，同樣也可以計算得其他頻點的差別閾限以及其他顏色視覺環境下各頻點的差別閾限，整理后如表5所示：

通過折線圖比較不同顏色的視覺環境里在各頻點差別閾限的區別，如圖3所示。

從圖3可以看出在黑色、紅色和藍色的視覺環境下，被試者對音高的差別閾限沒有多大的差異。在視覺環境為綠色的情況下，250Hz的差別閾限與其它三種顏色并沒有多大差異，1000Hz的差別閾限會比其他三種顏色低1Hz左右，2000Hz的差別閾限會比其它三種低3Hz左右。

四.總結

實驗結論表明：顏色視覺環境的變化對音高差別閾限是有影響。音高差別閾限在黑色、紅色和藍色的視覺環境下，被試者對音高的差別閾限沒有多大的差異。在視覺環境為綠色的情況下，250Hz的差別閾限與其它三種顏色并沒有多大差異，1000Hz的差別閾限會比其他三種顏色低1Hz左右，2000Hz的差別閾限會比其它三種低3Hz左右，表明顏色視覺環境的變化對音高差別閾限確有一定影響，但也沒有明顯的規律性。

本文初探性地考察了視頻圖像中顏色刺激對人耳音高差別閾限的影響，由于實驗條件相對有限，實驗數據樣本較少，還不能給出確切的視頻和音頻之間相互影響的規律。希望借此拋磚引玉，在未來的理論研究中，有更大的突破，為電視技術的基礎研究開辟新思路。B&Pendprint