Основные характеристики зрительного анализатора

Устройство зрительной системы человека.Оконечным уст­ройством, воспринимающим телевизионное изображение, является зрительная система Человека. Поэтому для рационального по­строения телевизионных систем необходимо учитывать свойства и характеристики зрения.

Зрительная система состоит из приемника светового излучения - глаза, нервных волокон, преобразующих и передающих зрительную информацию в мозг человека, и зрительных участков коры головно­го мозга, в которых происходит расшифровка информации и фор­мирование зрительных образов.

Рис. 4.1. Строение человеческого глаза

Глаз является внешним органом зрения. Он представляет собой тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко) (рис. 4.1), покрытое оболочкой - склерой 1. Передняя часть склеры 2, назы­ваемая роговицей, прозрачна и имеет несколько более выпуклую форму. За роговицей расположена передняя камера 3, заполненная жидкостью. Передняя камера отделена от остальной части глаза радужной оболочкой 4, имеющей в центре отверстие - зрачок 5. Размер зрачка изменяется в зависимости от освещенности глаза. За зрачком находится хрусталик 6, представляющий собой прозрач­ное тело, форма которого напоминает двояковыпуклую линзу. С помощью мышцы, охватывающей хрусталик, кривизна последнего может меняться, фокусируя на задней стенке глаза изображения предметов, находящихся на расстоянии примерно от 10 см до бес­конечности. Такое свойство зрения называется аккомодацией. С внутренней стороны в глазное яб­локо входит зрительный нерв 7, со­стоящий из большого количества нервных волокон. Окончания нервных волокон покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой 8, которая называ­ется сетчаткой. В зависимости от формы нервные окончания подраз­деляются на палочки и колбочки.

Колбочки обладают чувствительно­стью к свету и цвету, палочки - толь­ко к свету. Элементы изображения воспринимаются раздельно, если они проецируются на две рядом расположенные колбочки. Каждая колбочка подсоединена к отдель­ному окончанию нервных волокон. Палочки подсоединяются к окон­чаниям нервных волокон группами, они, обладая большей свето­чувствительностью, обеспечивают «сумеречное» зрение.

Центральная часть сетчатки (фовеа), называемая также желтым пятном, с угловыми размерами 1...3° содержит фактически только колбочки с плотностью до 1,5·10⁵ на 1 мм². Средний диаметр колбо­чек примерно равен 3 мкм. Плотность расположения колбочек зна­чительно уменьшается к краям желтого пятна, а размер их возрас­тает. Палочки имеют максимальную концентрацию 1,7·10⁵ на 1 мм² на расстоянии 10... 12° от оптической оси глаза. Плотность палочек уменьшается как к центру глаза, так и к периферии. В целом сетчат­ка содержит около 130 млн. палочек и 7 млн. колбочек.

В процессе зрительного наблюдения оптические оси глаз рефлекторно устанавливаются так, чтобы изображения подвергающихся рассматриванию объектов проецировались на центральную часть сетчатки, обладающую наибольшей разрешающей способностью.

Разрешающая способность зрения.Предельная способность человека видеть мелкие детали определяется разрешающей спо­собностью зрительной системы (остротой зрения). Для нормального зрения основную роль играет разрешение сетчатки. Однако опре­делить остроту зрения по характеристикам оптической системы гла­за и структуре сетчатки в полной мере нельзя, так как глаз пред­ставляет собой динамическую систему. Процесс зрения сопровож­дается непроизвольными движениями глазного яблока - тремором. Кроме того,, оптическая ось глаза обегает контуры отдельных дета­лей изображения, как бы анализируя наиболее информативные участки. Указанные движения глаза увеличивают остроту зрения по сравнению со статической (расчетной).

Статическая разрешающая способность глаза определяется ми­нимальным углом наблюдения δ_min, при котором две тонкие черные линии на белом фоне различаются с заданной вероятностью (Р=0,95). На рис. 4.2 толщина черных линий равна промежутку ме­жду ними. Разрешающая способность зрительного аппарата зави­сит от яркости и цвета фона, контрастности деталей относительно фона, времени наблюдения. Измерения показали, что для нормаль­ного зрения усредненное значение δ_min может быть принято равным одной угловой минуте (δ_min ≈ 1ʹ). Острота зрения S_зр оценивается величиной, обратной разрешающей способности, т.е. S_зр= . Острота зрения равна единице, если δ_min = 1ʹ.

Из-за неоднородности структуры сетчатки острота зрения умень­шается по мере удаления на угол α от центра желтого пятна.

Рис. 4.2. К определению разрешающей способности зрения

Хотя поле зрения глаза весьма велико (порядка 120... 130°) основная зрительная информация от телевизионного изображения, поступающая в глаз, на практике ограничивается пространственными углами ясного зрения, в пределах которых среднее значение δ_min можно считать равным единице. По экспериментальным данным фактические угловые размеры поля ясного зрения приняты равными 2α_в = 12° по вертикали и 2α_г = 16° по горизонтали.

Инерционность зрительного ощущения. Глаз человека обладает инерционностью, которая проявляется в том, что после начала воздействия света на зрительный анализатор ощущение нарастает за 0,1 ...0,25 с. Чем больше яркость, тем быстрее растет зрительное ощущение. После прекращения светового возбуждения ощущение яркости уменьшается постепенно. Продолжительность ощущения яркости после прекращения светового возбуждения называется временем зрительной инерции. Инерционность зрения используется для получения слитного восприятия движения при последовательной передаче неподвижных изображений. Этот принцип используется в телевидении. Слитность движения наступает при передаче 16...20 изображений в секунду, однако при этом глаз ощущает еще мелькания яркости при смене изображений. С увеличением частоты смены изображений мелькания яркости уменьшаются, а затем становятся незаметным. Частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькания яркости, называется критической частотой мельканий f_кр. Критическая частота мельканий зависит от средней яркости изображения L и определяется следующим эмпирическим выражением:

f_кр ≈ 9,6lgL+26,8

Для яркости современных телевизионных экранов, равной примерно 100...200 кд/м², f_кр ≈ 45...48 Гц.

Контрастная чувствительность глаза, контраст и число воспринимаемых градаций яркости в изображениях. Абсолютная величина яркости изображения не может служить количественным критерием уровня зрительного ощущения. Экспериментально установлено, что изменение интенсивности ощущения света глазом ∆E связано не с абсолютным изменением яркости объекта ∆L = L_max - L_min, а с отношением величины ∆L к первоначальной яркости (или яркости фона) L_min и может быть представлено выражением

(4.1)

где k - коэффициент пропорциональности.

Рис. 4.3. Зависимость порогового контраста от яркости фона

при поле зрения 4°

В широких пределах изменения яркости L_min∆E минимально и постоянно, вследствие чего можно считать, что отношение

_пор=σ=const

называется пороговым контрастом, a ∆L = L_min - абсолютным порогом световой чувствительности.

В пределах средних величин яркости (10... 1000 кд/м²) глаз ощущает относительные приращения яркости, равные примерно 2...5%. Зависимость порогового контраста от яркости фона при поле зрения около 4° изображена на рис. 4.3 [4].

Интегрирование уравнения (4.1) приводит к установлению общего закона зависимости интенсивности ощущений Е от интенсивности соответствующих им яркостей L в виде

E = k ln L + c, (4.2)

где k и c - некоторые постоянные величины.

Данный закон, гласящий, что интенсивность ощущений растет пропорционально логарифму раздражения (яркостям), известен как основной психофизический закон, или закон Вебера-Фехнера.

На основании анализа выражения (4.2) можно фактически считать, что физиологическое ощущение возрастет в арифметической прогрессии, если раздражение увеличивается в геометрической про­грессии.

С законом Вебера-Фехнера непосредственно связаны такие по­казатели изображений, как контраст и число воспроизводимых гра­даций яркости (полутонов).

Под контрастом (контрастностью) изображения К понимается от­ношение максимальной его яркости к минимальной, т.е. диапазон воспроизводимых яркостей

.

В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 10⁵ и более раз. Зрительная система человека неспособна одно­временно воспринять весь этот диапазон изменения яркости и су­жает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптаций - приспособлению к различным яркостям. Поэтому на практике в вос­производимых изображениях контрастность в лучшем случае со­ставляет всего несколько сотен раз. Например, диапазон воспроиз­водимых яркостей большинства рисунков и фотографий не превы­шает 100, но они воспринимаются как изображения очень хорошего качества. Поэтому телевизионное изображение, имеющее контра­стность более 40, уже считается хорошим. На рис. 4.4 изображена субъективная зависимость оценки качества телевизионного изо­бражения в зависимости от контрастности [5].

При заданном контрасте К глазом воспринимается определенное количество ступеней изменения яркости т, называемых градациями яркости. Из рассмотрения особенностей восприятия изображений следует, что

. (4.3)

Рис. 4.4. Субъективная зависимость оценки качества телевизионного изображения в зависимости от контрастности

Полагая, что максимальный контраст изображения, ограничиваемый глазом, L_max/L_min = 100, а σ = 0,05, получаем, что возможное число градаций, которое глаз будет различать при данных условиях, будет равным m 92.

Спектральная чувствительность зрения. Электромагнитные колебания, занимающие полосу в диапазоне длин волн примерно от 380 до 770 нм, человеческим глазом ощущаются как свет. Волны этого диапазона обычно называют световыми, или видимым излучением.

Воздействие на глаз отдельных частот видимого спектра излучения соответствует ощущению определенного цвета. Примерное соотношение между некоторыми длинами световых волн и создаваемыми ими ощущениями цвета приведено в табл. 4.1.

Кроме перечисленных цветов различают еще пурпурный. Он не является монохроматическим, а образован сочетанием красного и синего световых потоков. В зависимости от соотношения долей красного и синего в этой области выделяются следующие оттенки: вишневый, собственно пурпурный и сиреневый.

Чувствительность глаза не только ограничена определенной областью спектра электромагнитных колебаний, но и неравномерна в этой области, т.е. глаз воспринимает свет различных длин волн одинаковой энергии неодинаково. Например, два поля, зеленое и синее, излучающие одинаковую энергию, воспринимаются как имеющие различную яркость (зеленое ярче). Наибольшая чувствительность глаза лежит в области желто-зеленых цветов ( 550 нм).

Распределение чувствительности глаза сходно с распределе­нием энергии в солнечном свете, отраженном естественной живой средой на Земле - зеленью. Это подтверждает приспособление глаза к лучшему восприятию окружающей среды. Кривая, изобра­жающая чувствительность глаза к лучам разной длины волны ви­димого спектра, называется кривой спектральной видности или чувствительности.

Таблица 4.1. Соотношение между воспринимаемыми цветами и длинами волн воздействующих электромагнитных колебаний

Рис. 4.5. Стандартная кривая относительной спектральной видности глаза

Спектральная чувствительность глаза у разных людей несколько различна, а также зависит от условий наблюдения. Поэтому на основании исследования большого числа лиц Международной комиссией по освещению (МКО) была принята стандартная кривая относительной спектральной видности К_λ, изображенная на рис. 4.5, для равноэнергетического спектра. Суммарное воздействие на глаз всего видимого спектра, имеющего распределение энергии по спектру такое же, как и в солнечном свете, ощущается как белый цвет. Любое другое распределение энергии в спектре света ощущается как цвет. Поэтому восприятие цвета и яркости деталей наблюдаемого объекта (изображения) зависит не только от характера самого объекта, но также и от спектрального состава света, освещающего объект, и распределения в нем энергии.

Спектральный состав и распределение энергии теплового источника света зависит от температуры излучающего тела. В связи с этим вместо того, чтобы каждый раз указывать спектральный и энергетический составы света, указывают только температуру, при которой обеспечивается данное излучение. Эта температура называется «цветовой температурой».

В 1931 г. МКО ввела в практику четыре стандартных источника белого цвета, названных источниками А, В, С, Е, которым соответствуют цветовые температуры следующих значений: 2854, 4800, 6500 и 5700 К. Например, источник белого цвета типа С (европейское обозначение D₆₅₀₀) обеспечивает излучение, близкое к спектру солнечного света.