Восприятие яркости. Закон Вебера-Фехнера

Диапазон яркостей наблюдаемого объекта оценивается контрастом:

, (2.1)

где B_макс – максимальная яркость объекта в поле зрения, L_мин – минимальная.

В окружающем нас мире могут регистрироваться самые различные значения яркости. Наибольшую яркость имеет самый мощный естественный источник излучения – Солнце – 10⁹ кд/м². Яркость пламени горящей свечи составляет 10³ – 10⁴ кд/м² иболее, яркость телевизионных экранов (на белых участках изображения) – 100 – 300 кд/м² и более, яркость киноэкранов 30 – 50 кд/м², минимальная яркость воспринимаемая человеком – 10^-3 – 10^-5 кд/м². Таким образом диапазон яркостей в природе достигает 10¹² – 10¹⁴. Человеческое зрение не в состоянии воспринимать такой большой контраст, поэтому глаз подстраивается к среднему уровню освещенности и сжимает воспринимаемый динамический диапазон яркостей до контраста K » 100. Это явление называется адаптацией глаза и осуществляется изменением чувствительности фоторецепторов и изменением диаметра зрачка. Освещенность сетчатки глаза определяется выражением:

,

где D_вх.зр – диаметр зрачка, E_об – освещенность объекта. Различают световую и темновую адаптацию. При световой адаптации (переходе от темноты к свету) резко уменьшается диаметр зрачка и в колбочках вырабатывается специальный темный пигмент, играющий роль нейтрального фильтра. Световая адаптация происходит очень быстро, что предохраняет светочувствительные элементы сетчатки от ослепления. Темновая адаптация (переход от света к темноте) достигается расширением зрачка (до 7 – 8 мм), рассасыванием темного пигмента и, при необходимости, объединением отдельных фоторецепторов в группы, что вызывает повышение чувствительности зрения. Темновая адаптация происходит медленно, время полной адаптации достигает 30 – 50 минут.

Зрение человека не способно регистрировать очень малые изменения яркости. Если в поле зрения находятся две соприкасающиеся площадки с яркостями B₁ и B₂, то мы воспринимаем их как отдельные объекты только в том случае, если больше некоторого порога – DB_пор. Эта особенность зрения оценивается пороговой контрастностью: . (2.2)

В соответствии с законом Вебера-Фехнера, в рабочем диапазоне освещенностей пороговая контрастность есть величина постоянная и составляет 0,02 – 0,05 в зависимости от условий наблюдения. Зная значение пороговой контрастности нетрудно определить число различных градаций яркости m:

. (2.3)

Подставив в выражение (2.3) максимальный контраст, воспринимаемый глазом ( ) и наименьшее значение пороговой контрастности (d = 0,02), получим, что максимальное число различимых градаций яркости составляет 230. Следует отметить, что полученное значение m характеризует потенциальные возможности зрения. В реальных условиях наблюдения число градаций яркости значительно меньше.

2.1.3. Инерционность зрения

Инерционность зрения состоит в том, что после начала воздействия света зрительное ощущение нарастает с запаздыванием на 0,1 – 0,25 с. После окончания воздействия света зрительное ощущение спадает также не сразу. Время инерции зависит от яркости – чем больше яркость, тем меньше время инерции.

В телевизионных системах инерционность зрения обычно характеризуют критической частотой мельканий яркости F_кр, под которой понимается минимальная частота мельканий, при которой мелькающий источник света кажется непрерывно светящимся. При F > F_кр визуально воспринимаемая яркость определяется законом Тальбота: , (2.4)
где T – период мелькания источника.

Для диапазона максимальных яркостей экранов современных кинескопов (100 – 350 кд/м²) критическая частота мельканий яркости составляет 48 – 50 Гц.