Ллойд Дж. Системы тепловидения (1978) (1095910), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Некоторые из этих характеристик и особенностей достаточно хорошо изучены, однако они описаны на яаыке физиологии зрительного восприятия, и нх следует переосмыслить с точки зрения задач систем преобразования изображения. С другой стороны, многие из оригинальных исследований в области зрительного восприятия проводились и продолжают проводиться в плане поисков инженерного решения практических аадач получения изображения. Прежде чем обратиться к физиологии зрительного восприятия, рассмотрим кратко основные особенности зрительного аппарата. 8" 116 ГЛАВА 4 4.2. Основные характеристики арятельного аппарата человека Рассмотрим здесь только те характеристики глаза, которые играют важную роль при проектировании систем тепловидения. Более подробные сведения можно получить в работах П вЂ” 6) ').
Поле зрения глаза, в пределах которого достигается удовлетворительное качество видения, составляет примерно 30 по углу места и 40' по азимуту; хорошее качество видения обеспечивается в пределах желтого пятна сетчатки ( 9') н очень хорошее — в пределах центральной ямки сетчатки диаметром 1 — 2'. Поле размером 30 х 40' используется во многих зрительных задачах; этим, в частности, объясняется то, что соотношение сторон кадра 4: 3 (принятое, например, в телевидении) эстетически представляется более естественным, чем другие соотношения (7).
Цветовое зрение обеспечивается в пределах угла 90', причем цветовая чувствительность падает по мере приближения к краю сетчатки. Участки, близкие к краю сетчатки, не дают ощутимого вклада в способность видеть и используются только для обнаружения движущихся объектов. Для нормального глаза молодого человека минимальное расстояние наилучшего видения составляет 25 см; с возрастом это расстояние увеличивается.
Диапазон яркости, в котором глаз может нормально работать, составляет девять порядков, а диапазон чувствительности охватывает десять порядков. Диапазон чувствительности глааа делится на три области с нечетко очерченными яркостными границами— ночного, сумеречного и дневного зрения. Область ночного зрения простирается от абсолютного яркостного порога 3. 10 «до 10 4 кд/ма, область сумеречного зрения охватывает 10 4— 3 кд/ма и область дневного зрения 3 — 3 104 кд/ма.
Эти три области приблизительно соответствуют переходу от палочкового или периферического зрения при очень низких уровнях яркости к совместной работе палочек и колбочек в условиях сумерек и, наконец, к колбочковому или центральному зрению при высоких уровнях яркости. Разрешающую способность глаза можно описать различным образом. Простейшей мерой визуального разрешения является острота зрения — величина, обратная угловому размеру минимальной разрешаемой детали в угловых минутах. Максимальная острота зрения зависит от того, какое содержание мы вкладываем в понятие «наименьшая разрешаемая деталь», однако обычно принимаемое номинальное значение максимальной остроты зрения— одна обратная угловая минута.
Острота зрения снижается, когда объект смещается с линии зрения. 0 На русском языке см. Краакоа С. В., Глаз к его работа, Изл-ао АН СССР, М,-Л,, !660.— Нрик. перев. ФИЗИОЛОГИЯ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ пт Раарешающая способность глаза до некоторой степени регулируется диаметром зрачка. При высоких уровнях яркости, когда для нормальной работы глазу не нужна вся энергия излучения, которое может поступить от объекта, зрачок сужается.
Исключение лучей, составляющих большой угол с осью, уменьшает аберрации и улучшает разрешение на ярком свету. В нормальных условиях диаметр зрачка составляет примерно 3 мм, пределы его изменения в зависимости от уровня яркости 2 — 8 мм. Для перевода субъективного представления о качестве изображения в поддающиеся количественной оценке объективные зависимости важно понимать, как работает зрительный аппарат. Субьективно качество изображения определяется следующими четырьмя раалнчными факторами: восприятием резкости, шумов, контраста и искажений структуры изображения.
Резкость — понятие, используемое для описания возможностей системы в воспроизведении всех деталей изображения. Резкость характеризует способность наблюдателя извлекать информацию из изображения высокого контраста в отсутствие шумовых и интерференционных помех. Термины «разрешение» и «разрешающая способность» часто применяются как синонимы резкости, хотя, строго говоря, они обозначают несколько иные качества системы. Шумовые свойства характеризуют степень маскировки сигнала фиксированными или меняющимися во времени шумами. Эти шумы изображения называются также зернистостью и «снегом» (проявление пульсационных помех на изображении в виде движущихся хлопьев снега).
Контраст характерлзует яркость рассматриваемой детали по отношению к яркости элемента фона. Искажения структуры изображения проявляются в мерцании из-за низкой частоты развертки, иначе говоря, из-за слишком низкой скорости пространственной или временнбй выборки, межстрочном мерцании в системах с чересстрочной разверткой, в сползании строк и оптических искажениях. 4.3 Пространственно-частотная характеристика Одной из наиболее понятных и хорошо исследованных характе ристик, используемых в физиологии зрительного восприятия, является реакция глаза на синусоидальную волну (РСВ), т. е. на тест-объект с синусоидальным изменением яркости по пространственной координате.
Для анализа желательно рассматривать процесс зрения как линейный, чтобы можно было использовать аппарат линейной фильтрации и понятие оптической передаточной функции (ОПФ). Однако зрительные процессы не всегда линейны, как, например, в случае явления Маха '). При низких контрастах ') Верхний и нижний выбросы в восприятии резкого края детали высокого контраста при переходе от светлого к теиноиу. гллвл х зрительные процессы обычно приближенно считают линейными, тем не менее, чтобы подчеркнуть приближенный характер допущения о линейности, будем использовать для глаза РСВ, а не ОПФ. РСВ можно использовать применительно к линейным и нелинейным процессам; в случае нелинейности РС — неоднозначная функция, зависящая от уровня яркости и других параметров.
Реакция глаза на синусоидальную волну определяется по меньшей мере восемью факторами: дифракцией на зрачке; аберрациями хрусталика; конечным размером чувствительных элементов сетчатки; расфокусировкой; тремором глаза; взаимосвязью чувствительных элементов сетчатки; передачей информации по зрительному нерву; обработкой информации в мозгу. РСВ глава можно измерить пороговым методом по тест-объектам с синусондальным распределением яркости.
или надпороговым методом, сравнивая пики и провалы воспринимаемой сннусо идальной волны с яркостью калиброванного регулируемого источника света. В случае порогового метода контраст, прн котором с определенной степенью достоверности разрешается тест-объект с синусоидальным распределением яркости, откладывается на графике в зависимости от пространственной частоты (фиг. 4.1). Сделано предположение, что изменения в зависимости от пространственной частоты обусловлены пространственной фильтрацией и что пороговый контраст равен минимальному значению контраста С„„„, деленному на РСВ глаза. Следовательно, РСВ можно получить, разделив ординаты кривой на С„„„ и взяв обратные величины (фиг.
4.2). Проблемы, возникающие при измерениях такого рода, довольно очевидны. Пороговые измерения приходится проводить прн низком значении отношения сигнала к шуму, так что восприятие тест-объекта с синусоидальным распределением яркости определяется не только сигналамн в системе глаз — мозг, но и шумами в системе воспроизведения изображения, а также в процессах принятия решения в мозгу. Таким образом, результаты, полученные пороговым методом, не обязательно окажутся справедливыми в случае высоких контрастов, а на данные измерений, проведенных в надпороговых условиях, будут влиять нелинейные аффекты (явление Маха). Даже при условии, что зрительный аппарат в действительности — нелинейная, нестационарная и недетермипированная система, использование РСВ глаза все же весьма полезно, особенно прн анализе слабых сигналов.
ФИЗИОЛОГИЯ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСНРИЯТИЯ 119 Р,В О,В о,г О,г о 1 3 г э Просараисмоеииоя иасмомо, мрад Пппемпаиспе Еппсеея опеотпма, мрад' Фиг. 4Д. Пороговый контраст в вавксимостк от пространствеквой частоты для скпусоидальной волны 1191. дкстакпкя кабаювевкя 3 м, яркость Фона 70 кп/мо. Фиг. 4.2. РСВ глаза, рассчитанная по крввой порогового контраста, првведеквой ка фпг. 4.1. Реакция глаза на синусоидальную волну измерялась в различных условиях, причем существенное влияние на РОВ оказывают следующие факторы: яркость поля адаптации (средняя яркость фона); дистанция наблюдения при постоянном увеличении; угловая ориентация объекта; цвет объекта; время наблюдения; временная частота предъявления. Относительно РОВ глаза можно сделать следующие основные выводы: 1.
Наблюдаемая пространственно-частотная характеристика глаза не является результатом действия одного пространственного фильтра, скорее это огибающая множества узкополосных резонансных фильтров. Каждый из этих фильтров настроен на свою среднюю частоту, и все они вааимно стохастически независимы. Каждый фильтр может быть выбран 120 ГЛАВА а 00 о,в о,в 0,6 0,4 0,1 о,г о 1 г з Прасмранапзсннап наапапм,ирао-' о 1 г з Прсаср анап ванная настига, мрад-' независимо, и мозг с известным приближением конструирует оптимальный для решения данной задачи обнаружения фильтр, выбирая соответствующие резонансные фильтры из имеющегося их набора.
2. Этот набор фильтров имеет огибающую типичной формы, показанную на фиг. 4.3 для одной определенной совокупности условий. В общем случае чувствительность мала при постоянном сигнале, резко возрастает до максимума на низких частотах и спадает примерно по гауссову закону на высоких частотах. В зависимости от индивидуальных особенностей двойной максимум, показанный на фиг. 4.3, может быть ярко выраженным, едва заметным или вообще отсутствовать. 3.
Пространственная частота, на которой наблюдается максимум, увеличивается с ростом яркости поля адаптации, н РСВ в целом охватывает более широкий частотный диапазон (фиг. 4.4). В характерном для индикаторов оптико-электронных устройств диапазоне яркостей максимум наблюдается в интервале 0,1 — 0,4 мрад '. Фвг. 4.3. РСВ глаза, характеривуемая двумя максимумами, но результатам наблюдений экрана ЭЛТ с расстояния 1 и 122). Средняя яркость !10 кягм'. Фнг.
4.4. РСВ глаза, иллюстриру- ющие влияние средней яркости объекта, яо результатам измерений с номощыо ЭЛТ 16). Средняя яркость пола адявтаквв: 1100 щам*: — — 110 кд/к', ° ° ° ° - !4 кд/и', ° — Š— Е 1,1 кд/м'. ФИЗИОЛОГИЯ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ 121 4. При постоянном увеличении максимум сдвигается в сторону высоких частот с увеличением расстояния аккомодации. РСВ также расширяется с увеличением расстояния в связи с меньшей кривизной хрусталика и устранением лучей, идущих под большими углами к оси. 5. Пороговый контраст понижается с ростом яркости поля адаптации и расстояния аккомодации. 6. Пороговый контраст повьппается, если направление штрихов синусоидального тест-объекта составляет угол 45' с вертикалью илн гориаонталью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
