какое количество градаций яркости воспринимает человек
Градации яркости
Обычно изображение, передаваемое по ТВ, является полутеневым. Это означает, что, кроме ярких и темных мест, соответствующих Вмакс и Вмин, в изображении еще имеется много промежуточных градаций яркости, так называемых полутеней. Наличие большого количества этих полутеней делает изображение более художественным, живым и сочным и увеличивает разборчивость очертаний. Поэтому правильная передача градаций яркости является важным фактором в создании высококачественного ТВ изображения. Бывают случаи, когда нет необходимости в передаваемом изображении иметь полный набор градаций яркости, когда можно обойтись только двумя крайними значениями яркости: Вмакс и Вмин. К таким случаям можно отнести, например, передачу надписей (черные буквы на светлом фоне), технических чертежей и пр. Но передачи из студии, передачи художественных фильмов и т. п. обязательно требуют хорошего воспроизведения полутеней.
Передача и воспроизведение большого числа градаций связаны с повышением требований к ТВ аппаратуре. Поэтому существенно выяснить предельное число различимых градаций, превышение которого приводит только к усложнению аппаратуры без улучшения качества изображения. Как и во многих других случаях, прибором, определяющим разумную границу максимального числа градаций яркости, является человеческий глаз.
Для того чтобы определить максимальное число градаций, надо найти тот порог, при котором человек замечает разницу в двух соседних значениях яркости. Представим себе два смежных светящихся поля (рис. 2.18.а). Перед этими полями находится группа зрителей. В начале опыта В1=В2. Затем при постоянной, например, яркости В1 будем медленно изменять яркость В2. Зрители независимо друг от друга, не сговариваясь, должны сообщить момент, когда каждый из них заметил, что В2 стала отличаться от В1.
Таким образом, определяется минимальная величина, при которой зритель замечает разницу в этих двух яркостях (здесь DВn – индивидуальные показания зрителей, а n – число зрителей).
 | |
 | |
|
Экспериментами установлен следующий закон (закон Фехнера):
 | |
|
Чтобы подсчитать максимальное число различимых градаций яркости на экране кинескопа, представим себе изображение в виде полос с постепенно увеличивающейся яркостью (рис. 2.19), причем яркость каждой полосы отличается от соседней на минимальную величину DВ, определяемую контрастной чувствительностью глаза d.
откуда: 
Яркостные характеристики зрительной информации
В оценку оптимальности яркостного режима включается нормирование уровня яркости и ее перепадов в поле зрения наблюдателя для достижения заданных показателей эффективности обработки зрительной информации.
Для оценки качества изображения на индикационных устройствах нормируются значения контраста, контрастности или интервала яркостей, необходимого для передачи заданного числа градаций яркости и обеспечения четкости изображения, а также уровень и интервал яркостей для правильной передачи в изображении светлотных характеристик отображаемых объектов.
Специальная задача решается при использовании яркости в качестве кода.
Для практики отображения существенно, что при уровне оптимальной яркости имеющийся «запас прочности» обеспечивает устойчивость эффективности обнаружения и различения к помехогенным факторам.
К последним следует отнести как аппаратурные помехи, снижающие контрастность изображения, так и «зашумленность» основного изображения картографическим фоном, вспомогательными линиями, цветовыми полями.
При яркостях, обеспечивающих высокую контрастную чувствительность, можно в известных пределах снижать контраст изображения без ухудшения различимости. Приведенные значения оптимальных яркостей относятся лишь к операциям обнаружения объектов простой конфигурации с пороговой достоверностью, для вероятности обнаружения 0,5.
При различении объектов сложной конфигурации, при требованиях высокой точности опознания и большой скоростиобработки данных вводятся поправочные коэффициенты, увеличивающие значения яркости, полученные для задач обнаружения. Яркость фона (для объектов прямого контраста), обеспечивающая наивысшую остроту различения (S=2,5), составляет 104 кд/м2.
При различении сложных объектов наивысших значений острота зрения достигает при яркости фона в 3000 кд/м2. Однако с уменьшением яркости острота зрения изменяется не столь резко. Для яркостей 300—200 кд/м2 острота зрения составляет 90% по сравнению с наибольшими ее значениями. Резкое падение остроты зрения наблюдается при выходе из диапазона яркостей дневного зрения, т. е. В Соотношение яркостей в поле зрения. При установлении оптимального диапазона яркостей, одновременно находящихся в поле зрения оператора, необходимо обеспечить перепад яркостей, близкий к уровню адаптации. Яркости, попадающие в зону слепящих яркостей или в зону неразличимо-черного, резко снижают эффективность работы оператора.
Максимально допустимый перепад яркостей в поле зрения оператора не должен превышать 1 : 100. Оптимальное же соотношение яркостей в поле зрения оператора, обеспечивающее высокий уровень контрастной чувствительности и быстроты различения, составляет 20 : 1 между источником света и ближайшим окружением и 40 : 1 между самым светлым и самым темным участками изображения.
Градации яркости и качество изображения. Для передачи изображения алфавита знаков, условной картинной обстановки и передачи реальных объектов (телевидение, кино) важнейшей характеристикой является число элементов или признаков, необходимых для опознания объекта разных классов.
При опознании алфавита буквенно-цифровых знаков это число составляет 4—10. Для более сложных изображений оно равно 12—17, а опознание некоторых объектов требует четкого выделения до 40 признаков.
В зависимости от типа изображения эти опознавательные элементы передаются разным числом градаций яркости. Минимальное число при передаче изображения равно двум. Таким числом градаций высвечиваются знаковые, символические сообщения — темные знаки на белом фоне (прямой контраст) или, наоборот, светлые на темном (обратный контраст).
В этом случае качество изображения оценивается величиной контраста (К), вычисляемого как отношение разности объекта и фона к большей яркости.
Контраст до 20% рассматривают как малый, до 50%—средний и свыше 50%—высокий.
Рекомендуемая зона величины контраста лежит в пределах от 65 до 95%; при этом оптимальным является контраст, равный 85—90%. Контраст свыше 90% следует использовать в тех случаях, когда требуется наибольшая четкость изображения, а общее время работы небольшое. При длительной работе предпочтительнее контраст 85—90%.
При отображении же реальных объектов средствами телевидения, кино важно точно передать соотношение яркостей деталей объектов пропорционально их коэффициентам отражения. Для хорошего изображения обязателен расчет числа градаций яркости и определение шага при переходе от одной градации к другой.
Для передачи крупных объектов с плавными световыми переходами в соответствии с коэффициентом отражения необходимо не менее 15—40 градаций.
Обеспечение заданного числа градаций яркости возможно лишь при достаточном уровне контрастности изображения, т. е. при интервале яркостей, внутри которого распределены эти градации.
Минимально допустимое значение контрастности, создающее удовлетворительное изображение, создается в интервале 1: 10.
Требуемая контрастность изображения зависит от содержания отображаемой информации и вида контраста. Для передачи сложного полутонового изображения с сохранением деталей необходимая контрастность составляет 1 : 100. Печатные изображения или изображения, образуемые штриховыми линиями, требуют контрастности 1 : 25. Величина контрастности существенно зависит от того, светлее или темнее фона отображаемые объекты.
Для знаков обратного контраста в связи с необходимостью адаптации к небольшим значениям яркости контрастность приемлема в диапазоне 5—10. При высоких уровнях контрастности высвечиваемые знаки кажутся яркими источниками света.
Если учитывается только точность считывания, соотношение яркости полезного изображения и яркости помехи должно быть не меньше 2:1. При одновременном учете быстроты и точности опознания это соотношение увеличивается до 7:1, 9:1. Контрастность изображения снижается при внешнем освещении тем значительнее, чем ниже яркость экрана и чем больше яркость, создаваемая освещением извне. Уровень внешней засветки не должен превышать 3—10% яркости экрана.
В оценку качества отображения входит определение числа градаций, воспринимаемых глазом, и сравнение их с числом градаций яркости, передаваемых на средствах индикации. Реальные условия отображения: малая яркость изображения, наличие шумов — приводят к невозможности различать отображаемое число градаций яркости из-за снижения чувствительности глаза.
Так, расчетное число различаемых градаций для телевизионного изображения составляет 95—100. Однако из-за перепадов яркостей в поле зрения наблюдателя и необходимости переэдаптации в этих условиях глаз различает не более 30—35 градаций, а при помехах число различаемых градаций для лучших металлизированных экранов составляет 17, а для обычных телевизионных экранов не превышает 8—10.
Кодирование яркостью. При передаче информации на средствах отображения, где яркость выступает в качестве кода, число градаций ограничивается возможностью абсолютной оценки человеком каждой из ступеней яркости. Пределом этой оценки являются 3—10 световых градаций, включая уровень полного затемнения.
Исходя из этого на средствах отображения типа телевизионных экранов, передающих вторичную обстановку (т. е. освобожденную от помех), используется 5—7 градаций в диапазоне контрастности 10:1.
Если уровень яркости служит кодом для передачи качественных характеристик сообщений (например важности объектов), пределом числа яркостных градаций являются 4 градации, а наиболее употребляемым числом — 2 градации яркости.
Восприятие яркости. Закон Вебера-Фехнера
Диапазон яркостей наблюдаемого объекта оценивается контрастом:
, (2.1)
где Bмакс – максимальная яркость объекта в поле зрения, Lмин – минимальная.
,
где Dвх.зр – диаметр зрачка, Eоб – 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 – DBпор. 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 Fкр, под которой понимается минимальная частота мельканий, при которой мелькающий источник света кажется непрерывно светящимся. При F > Fкр визуально воспринимаемая яркость определяется законом Тальбота: 
, (2.4)
где T – период мелькания источника.
Для диапазона максимальных яркостей экранов современных кинескопов (100 – 350 кд/м 2 ) критическая частота мельканий яркости составляет 48 – 50 Гц.
Какое количество градаций яркости воспринимает человек
Очень часто окончательную оценку изображения делает человек. Если бы человеческое зрение было идеальным и отвечало на световое воздействие с абсолютной точностью и совершенной линейностью, то его можно было бы и не изучать. Однако система зрения человека обладает нелинейной характеристикой, а ее отклик не является абсолютно верным. Важность этих положений для получения изображений признана довольно давно [13], однако они не в полной мере использовались при обработке изображений.
Одной из характеристик системы зрения человека является способность восприятия яркости света. Эксперименты по определению восприятия людьми минимально различимых градаций яркости света, поступающего от калиброванного источника, показали, что яркость света воспринимается глазом нелинейно. Если начертить график зависимости величины этой минимально различимой градации яркости от эталонной яркости, то при изменении яркости в (Пределах нескольких порядков этот график имеет логарифмический характер [14]. Такие субъективные экспериментальные результаты согласуются с объективными данными, полученными в экспериментах на животных, в которых было показано, что светочувствительные клетки сетчатки и оптический нерв возбуждаются с частотой, пропорциональной логарифму интенсивности подводимого к ним света [15]. По вполне понятным причинам подобные объективные измерения на людях не проводились. Тем не менее объективные данные для животных и субъективные показания для людей более чем убедительно подтверждают вывод
о том, что яркость света воспринимается по логарифмическому закону. Это существенно нелинейный закон.
Другой отличительной характеристикой системы зрения человека является ее пространственночастотный отклик. Импульсный отклик глаза, рассматриваемого в виде двумерной линейной системы (т. е. линейной после начального логарифмического преобразования интенсивности наблюдаемого света), не является 
-функцией Дирака. Реакция глаза на приходящее световое поле описывается аппаратной функцией, сечение которой показано на рис. 4.5, а [16]. Острый центральный пик и отрицательные боковые лепестки импульсного отклика глаза наказывают, что глаз обрабатывает пространственные частоты так же, как фильтр верхних частот. Точная форма частотной характеристики глаза исследовалась с помощью ряда психовизуальных экспериментов; было показано, что глаз подавляет низкие и ослабляет высокие пространственные частоты. В грубом приближении пространственно-частотный отклик глаза имеет полосовой характер. Подобная характеристика (рис. 4.5, б), например, была получена в ряде экспериментов, проведенных Манносом и Сакриеоном [17].
Наконец, особенностью зрения человека является способность к насыщению, т. е. к ограничению отклика при очень больших или очень малых интенсивностях наблюдаемого светового потока. Перечисленные свойства системы зрения можно описать моделью представленной в виде блок-схемы на рис. 4.6. Однако данная модель совершенно не отражает других известных свойств системы зрения. Например, есть сведения, что некоторые стороны процесса восприятия изображения можно объяснить только наличием не одной, как на рис. 4.6, а нескольких линейных систем, включенных параллельно, т. е. в рамках модели с частотными каналами
[18]. Другие визуальные явления (такие, как иллюзия одновременного контраста) указывают, что логарифмическое преобразование, введенное в блок-схеме рис. 4.6, является слишком большим упрощением. Но, несмотря на известные недостатки, модель, представленная на рис. 4.6, является полезной, поскольку она
1) объясняет ряд важных явлений, таких, как восприятие яркости света и полосы Маха;
Рис. 4.6. Блок-схема системы зрения человека.
2) указывает, что в системе зрения содержатся некоторые элементы системы обработки информации. В частности, система зрения человека, по-видимому, выполняет некоторые операции гомоморфной обработки информации [19].
Полезно связать логарифмическое преобразование изображения, выполняемое глазом, с рассмотренным ранее вопросом о плотностном и яркостном изображениях. Можно заметить, что поскольку яркость света воздействует на глаз по логарифмическому закону, глаз воспринимает изображение как плотностное, если даже оно представлено (с помощью устройства отображения) в виде яркостного изображения.
Представляется логичным воспользоваться моделями системы зрения человека при анализе возможных применений цифровой обработки изображений. Однако это делать нужно осторожно, так как система зрения человека настолько сложна, что необоснованное применение упрощенных моделей зрения может принести больше вреда, чем пользы. Манное и Сакрисон [17] доказали применимость модели зрения для исследования вопроса о сокращении избыточности изображений. Однако пока еще не определены все области возможного применения моделей зрения.
Градации яркости
Обычно изображение, передаваемое по ТВ, является полутеневым. Это означает, что, кроме ярких и темных мест, соответствующих Вмакс и Вмин, в изображении еще имеется много промежуточных градаций яркости, так называемых полутеней. Наличие большого количества этих полутеней делает изображение более художественным, живым и сочным и увеличивает разборчивость очертаний. Поэтому правильная передача градаций яркости является важным фактором в создании высококачественного ТВ изображения. Бывают случаи, когда нет необходимости в передаваемом изображении иметь полный набор градаций яркости, когда можно обойтись только двумя крайними значениями яркости: Вмакс и Вмин. К таким случаям можно отнести, например, передачу надписей (черные буквы на светлом фоне), технических чертежей и пр. Но передачи из студии, передачи художественных фильмов и т. п. обязательно требуют хорошего воспроизведения полутеней.
Передача и воспроизведение большого числа градаций связаны с повышением требований к ТВ аппаратуре. Поэтому существенно выяснить предельное число различимых градаций, превышение которого приводит только к усложнению аппаратуры без улучшения качества изображения. Как и во многих других случаях, прибором, определяющим разумную границу максимального числа градаций яркости, является человеческий глаз.
Для того чтобы определить максимальное число градаций, надо найти тот порог, при котором человек замечает разницу в двух соседних значениях яркости. Представим себе два смежных светящихся поля (рис. 2.18.а). Перед этими полями находится группа зрителей. В начале опыта В1=В2. Затем при постоянной, например, яркости В1 будем медленно изменять яркость В2. Зрители независимо друг от друга, не сговариваясь, должны сообщить момент, когда каждый из них заметил, что В2 стала отличаться от В1.
Таким образом, определяется минимальная величина, при которой зритель замечает разницу в этих двух яркостях (здесь DВn – индивидуальные показания зрителей, а n – число зрителей).
 | |
 | |
|
Экспериментами установлен следующий закон (закон Фехнера):
 | |
|
Чтобы подсчитать максимальное число различимых градаций яркости на экране кинескопа, представим себе изображение в виде полос с постепенно увеличивающейся яркостью (рис. 2.19), причем яркость каждой полосы отличается от соседней на минимальную величину DВ, определяемую контрастной чувствительностью глаза d.
откуда: 