Системы тепловидения - Влияние кадровой развертки на восприятие изображения

4.7. Влияние кадровой развертки на восприятие изображения
Дефекты изображения, связанные с разложением на кадры при сканировании, принадлежат к числу самых неприятных. В идеальном случае покадровая развертка, используя свойства глаза суммировать изображения во времени и пространстве, обеспечивает субъективное впечатление непрерывного во времени и пространстве изображения. Наихудший дефект изображения обнаруживается в том случае, когда глаз ощущает, что изображение не непрерывно во времени. Такое восприятие действия кадровой развертки называется эффектом мельканий или просто мельканием.

1. Мелькания

Мелькания представляют собой сложное явление, свойства которого по-разному воспринимаются наблюдателями и в сильной степени зависят от характеристик индикаторного устройства. Понимание этого явления весьма важно с точки зрения физиологии зрительного восприятия, так как оно показательно для сущности механизма обработки информации в мозгу. Поэтому мелькания широко исследовались применительно к задачам физиологической оптики. Восприятие мельканий, по-видимому, представляет вероятностную функцию с очень резким переходом от видимости к невидимости. С ростом кадровой частоты изображения мелькания становятся неразличимыми при превышении определенной частоты, называемой критической частотой мельканий FKp.
х) На самом деле при неограниченном росте кадровой частоты п соответственно числа независимых интегрируемых кадров и при постоянных шумах за один кадр мы придем к случаю, когда видимость будет ограничиваться имеющимся контрастом, а шумы системы станут несущественными.

Фиг. 4.12. Частота мельканий в зависимости от освещенности экрана и скважности [48].
В изображающей системе мелькания должны быть устранены, поскольку в лучшем случае они будут раздражать и рассеивать внимание, а в худшем — вызывать головную боль, утомление глаз и тошноту. Особенно важно устранить мелькания в диапазоне альфа-ритма (~3—10 Гц), поскольку они могут вызвать конвульсии или возбудить симпатические ритмы в мозгу с неочевидными последствиями. Ясно, что мелькания являются серьезным дефектом, и их нельзя допускать в системе.
Мелькания на экране индикатора изображающего устройства были впервые исследованы Энгстремом [48], пионером телевидения. Энгстрем варьировал скважность импульсов, кадровую частоту и освещенность экрана индикатора прямоугольными импульсами. Оптический индикатор с белым экраном имел размеры 300 X 400 мм и рассматривался с расстояния 1,5 м при окружающей освещенности ~10 лк. Трубка индикатора была заперта. Энгстрем [48] установил, что FKp зависит от углового размера изображения на экране индикатора, яркости поля адаптации и закона изменения яркости. Данные, приведенные на фиг. 4.12, показывают, что в определенных пределах FKp пропорциональна логарифму пика освещенности. Энгстрем повторил эксперименты на кинескопе с экраном, имеющим длительное послесвечение, чтобы показать эффект накопления, а Шаде [6] экстраполировал данные Энгстрема на случаи других констант экспоненциального затухания люминесцентных экранов.
Видимая яркость мигающего поля при частоте мельканий, превышающей Fkр, описывается законом Тальбота, рассмотренным
в книге [43], а также Дэвсоном [4]. Если яркость меняется со временем как L (t) и время кадра равно Г/, то эквивалентная воспринимаемая яркость стационарной картины U по закону Тальбота будет равна

(4.12)
Это значит, что, если частота превышает FKp, видимая яркость равна усредненной по времени яркости. По Люксенбергу и Кюну, отклонения от этого закона при экспериментальных проверках никогда не превышали 0,3%.
Важный эффект, часто ошибочно не учитываемый при проектировании систем,— зависимость FKp от расположения мелькающего источника в поле зрения. Было замечено, что Fbp растет с увеличением угла, отсчитываемого от оси зрения. Таким образом, периферическое зрение более чувствительно к мельканиям, чем центральное зрение. Нередко приходится иметь дело с системой, в которой увеличение выбрано из соображений согласования с разрешающей способностью глаза без учета мельканий и в которых мелькания на краю поля зрения действуют раздражающе. Отсюда следует вывод, что для индикатора большого размера нужно обеспечивать высокую кадровую частоту либо оставлять экран индикатора малым при сравнительно низкой частоте мельканий. С восприятием мельканий связан стробоскопический эффект, благодаря которому передаваемая последовательностью кадров движущаяся картина воспринимается как непрерывное движение, пока глаз не замечает мельканий.

1. Чересстрочная развертка

На ранней стадии исследований в области телевидения Энгстрем [48] показал, что при данной кадровой частоте мелькания можно устранить с помощью так называемой двухходовой чересстрочной развертки. В этой схеме кадр делится на два последовательных изображения, называемых полями, каждое из которых передается с частотой, вдвое превышающей частоту кадров. Первое поле содержит только четные (или нечетные) строки растра, а второе — остальные строки (фиг. 4.13).
Если экран индикатора наблюдается с такого расстояния, что не происходит разрешения отдельных строк растра, глаз сливает оба изображения, создавая визуальное впечатление однородности картины по всей площади. Благодаря этому методу частота кадров удваивается и превышает Гьр. Однако в случае разрешения строк изображение будет мерцать, или сцинтиллировать. Это явление связано со сдвигом фаз в соседних строках на полупериод кадра

Фиг. 4.13. Чересстрочная развертка. а — первое поле; б — второе поле; в — полный кадр.
и называется междустрочным мерцанием. Энгстрем показал экспериментально связь междустрочного мерцаиия с разрешением строк; с учетом этой связи решается компромиссная проблема обеспечения приемлемых характеристик мерцания и разрешения в системе. Энгстрем также указал, что моргание, быстрые движения глаз или головы могут стать причиной восприятия наблюдателем только одного поля. Это очень неприятный эффект, который усиливается с увеличением кратности чересстрочной развертки. Субъективное впечатление таково, что картина расчленена на полосы.
Если по каким-либо причинам, например из соображений сохранения ширины полосы или телевизионного стандарта, необходимо устранить мелькания протяженных участков, применяя чересстрочную развертку, а не увеличение частоты кадров, то нужно рассмотреть компромиссные решения. С одной стороны, можно выбрать такое увеличение изображения, чтобы полностью использовать разрешающую способность системы, допустив при этом междустрочное мерцание. С другой стороны, можно уменьшить увеличение в такой мере, чтобы устранить междустрочное мерцание, пожертвовав при этом разрешением. Другой эффект был отмечен Шаде [6], который наблюдал, что четкий растр тонкой структуры существенно ухудшает видимость и шумов, и деталей картины. Когда Шаде устранял растровую структуру путем расфокусировки или увеличения дистанции наблюдения, заметно повышался видимый уровень шума, но при этом существенно улучшалось и восприятие деталей изображения.
Хороший обзор дефектов, вносимых растром в изображение при кадровой частоте 30 Гц и чересстрочной развертке с кратностью 2 : 1, дан Брауном [49]. Он заметил, что если оптическим путем заэкранировать все строки, кроме одной, то эта неэкранированная строка представляется стабильной и немигающей, а если оставить неэкранированными две соседних строки, то наблюдается осцилляция строк. При рассматривании полной картины междустрочное мерцание воспринимается только на малых участках

Фиг. 4.14. Порог междустрочного мерцания в зависимости от типа чересстрочной развертки и частоты кадров [501.

1 — кратность развертки 2:1 \ 2 — кратность развертки 3 : 1; 3 — кратность развертки 4 : 1 (чередование строк 1—2—3 —4); 4 — кратность развертки 4: 1 (чередование строк 1—3—2—4).
равномерной яркости, и мелькания особенно заметны на границах этих участков.
Браун описал также явление сползания строк при чересстрочном разложении, когда создается впечатление, что строки сползают вверх или вниз, причем кажущееся направление сползания зависит от индивидуальных особенностей глаза, в частности от направления, в котором глаз преимущественно осуществляет отслеживание картины. Сползание строк наблюдается в условиях восприятия междустрочного мерцания и становится более заметным при увеличении яркости картины и углового расстояния между строками. Другие исследователи установили, что сползание строк проявляется сильнее и становится особенно неприятным при повышении кратности чересстрочной развертки.
Браун исследовал также субъективное влияние сужения видеополосы в телевизионной системе при введении чересстрочной развертки (кратность 2 : 1) и сохранении постоянной кадровой частоты. Он сравнивал картину, полученную с обычной разверткой при числе строк на высоту кадра от 189 до 135, изменяя число строк ступенями в 21/9 раза, с картиной, сформированной в кадре с числом строк 225 и чересстрочной разверткой, чтобы исследовать влияние освещенности. Браун сравнивал также изображение в кадре с числом строк от 225 до 135, изменяя число строк ступенями в 21/4 раза при обычной развертке с изображением, полученным с чересстрочной разверткой при числе строк 225, чтобы исследовать влияние шумов и связанных с их восприятием параметров.
Наиболее интересный вывод Брауна заключается в том, что субъективно междустрочное мерцание воспринимается наблюдателем как шум. В этом легко убедиться, наблюдая изображение с высоким отношением сигнала к шуму при высокой яркости (150—300 кд/м2) на экране телевизора с близкого расстояния и обращая внимание на видимое наличие шумов по вертикали.
Часто по экономическим соображениям выгодно использовать чересстрочную развертку с кратностью более 2:1, однако эффекты ухудшения изображения в этом случае недостаточно хорошо известны. Индерхиз [50] исследовал пороги мерцания, используя осциллограф с экраном из люминофора типа Р1 и формируя 12-строчный прямоугольный растр с чересстрочной разверткой с кратностью 2 : 1, 3 : 1 и 4 : 1 (с чередованием полей 1—2—3—4 и 1—3—2—4). Он использовал кадровые частоты 20, 25, 30 и 40 Гц и определял порог междустрочного мерцания в зависимости от яркости экрана и типа развертки (фиг. 4.14). Индерхиз также наблюдал эффект сползания строк в том случае, когда междустрочное чередование идет в одном направлении. Глаз при этом имеет тенденцию воспринимать каждую строку отдельно, в результате чего возникает кажущееся движение всего растра в вертикальном направлении.

1. Мелькания края

При использовании систем тепловидения многие наблюдали еще один кадровый эффект, проявляющийся в мелькании края линии сканирования при сканировании в двух направлениях с малым мертвым временем сканирования. Точки близ каждого края растра освещаются дважды в течение короткого промежутка времени при прямом и обратном ходе линии сканирования, и, если интервал времени между этими двумя засветками мал, мозг может воспринять их как одну засветку.
Рассмотрим простой случай линейной развертки в двух направлениях с мертвым временем сканирования 6 секунд/кадр, временем кадра Tf и шириной индикатора W. Предположим, что мертвое время поровну поделено между правым и левым краями, и рассмотрим изменение во времени яркости произвольной точки Н экрана индикатора (фиг. 4.15), где точки 1 и 2 определяют границы индикатора, но не концы линии сканирования.
На фиг. 4.16 показано положение этих точек в моменты времени, когда точки 1,2 и £ освещены. При высокой скважности и малом мертвом времени точка 2 будет освещена дважды в течение короткого промежутка времени, и глаз может воспринять эти две вспышки как одно событие. Такой же эффект наблюдается в точке 1 на другом краю индикатора и может также наблюдаться в произвольной точке £, если она окажется достаточно близко к краю- индикатора.
Если две последовательные засветки в точке \ воспринимаются слитно, то легко убедиться, что кажущаяся частота кадров F'

Фиг. 4.15. К рассмотрению мелькания края.
будет ниже фактической частоты F. Кажущаяся частота кадров F' в точке £ определяется выражением
(4.13)
Частота кадров снижается не в каждой точке £, а только в точках, близких к краю. Например, для(т. е. на каждом
краю)Влияние мелькания края на восприятие изображения недостаточно ясно, чтобы предсказать его последствия, однако это еще один фактор, который заставляет отдать предпочтение высоким частотам кадровой развертки и сканированию в одном направлении»

4.8# Число строк на высоту кадра
и оптимальная дистанция наблюдения
Энгстрем [48] смоделировал изображения телевизионного типа без чересстрочной развертки при частоте 24 кадр/с и числе строк на высоту кадра 60, 120, 180, 240 и бесконечность. Используя высоту индикатора 150, 300 и 600 мм и освещенность от 50 до 60 лк, Энгстрем определял оптимальную дистанцию наблюдения.

Фиг. 4.16. Последовательность событий при мельканий края.

Фиг. 4.17. Видимость строк растра в зависимости от размера картины по вертикали и дистанции наблюдения [48].
Размер" по вертикали: 1 — 600 мм; 2 — 300 мм; з — 150 мм.

Фиг. 4.18. Разрешаемое число строк растра на сантиметр в зависимости от дистанции наблюдения для трех размеров картины по вертикали [48].
Кривая соответствует угловому расстоянию между строками 2'; размер картины по вертикали: #150 мм; О 300 мм; X 600 мм.

Фиг. 4.19. Число наблюдателей, выбирающих дистанцию менее указанной [51].
1 — изображение, в котором строчная структура растра подавлена колебаниями электронного луча; 2 — обычное изображение.
Он установил, что наблюдатели обычно выбирают дистанцию, на которой растр едва заметен, и что меньшие дистанции отвергаются именно из-за видимости растра. Результаты приведены на фиг. 4.17 и 4.18.
Кривая на фиг. 4.18 показывает, что наблюдатели непроизвольно выбирают дистанцию, с которой расстояние между строками видно под углом 0,58 мрад (2'). Энгстрем также нашел, что если изображения, полученные с использованием растра и без него, рассматриваются с дистанции, обеспечивающей одинаковую видимость, то эта дистанция примерно на 50% превышает оптимальное расстояние наблюдения изображения с растром.
В более поздних экспериментах Томпсон [51] определял оптимальные дистанции наблюдения для телевизионного изображения с растром и изображения, в котором строчная структура растра подавлена колебаниями электронного луча. Он установил, что для 480 активных строк, 60 полей и частоты 30 кадр/с средние оптимальные дистанции были таковы, что угловой размер картины с растром составлял по вертикали 7,6°, а картины без растра 13,1°. Это соответствовало примерно 0,28 мрад на строку в первом случае и 0,48 мрад на строку во втором. Первая цифра расходится с результатами Энгстрема, что, возможно, объясняется большим числом наблюдателей у Томпсона. В этом отношении весьма показательным является распределение по наблюдателям, представленное на фиг. 4.19. Один из выводов, который можно сделать на основании этого распределения, заключается в том, что система с фиксированным увеличением (или с фиксированной дистанцией наблюдения) удовлетворит только небольшую часть наблюдателей.
Ясно, что неограниченное уменьшение числа строк на высоту кадра в конечном счете приведет к недопустимому для данного класса картин ухудшению качества изображения. Энгстрем на основании своих исследований указывает, что для телевизионного вещания 240 строк являются удовлетворительными, 180 — недостаточными, 120 — приемлемыми на пределе, 60 — недопустимо малыми. В большинстве случаев применения FLIR аналогичных оценок не делалось, однако для решения таких задач, как навигация и разведка поля боя, следует, по-видимому, принять цифры, близкие к указанным. Таким образом, рекомендации Энгстрема применимы и для FLIR.

1. Роль яркости окружающего фона

Опыт специалистов, использующих оптико-электронные изображающие приборы, показывает, что теоретически рассчитанные характеристики не всегда достигаются в практических условиях. Часто ухудшение характеристик связано с сильным влиянием яркости окружающего фона на восприятие информации с экрана индикатора. Глаз адаптируется к средней яркости окружающего фона, поэтому попытка обеспечить хорошее восприятие за счет высокой яркости экрана индикатора не приведет к желаемым результатам, если окружающий фон будет темным. Глаз будет адаптироваться к среднему (низкому) уровню яркости и, следовательно, будет работать не в оптимальных условиях.
Для учета этого явления Люксенберг и Кюн [43] ввели коэффициент окружающего фона Fs как отношение яркости окружающего фона к яркости рабочей поверхности. Например, окружающим фоном может быть внутренность кабины летчика, а рабочей поверхностью — экран индикатора. По мнению Люксенберга и Кюна, коэффициент Fs влияет на визуальное восприятие следующим образом:

1. При 0,1 <С Fs <i 1 обеспечиваются оптимальные условия зрительного восприятия.
2. При Fs << 0,1 условия зрительного восприятия хуже, чем в предыдущем случае.
3. Условие Fs > 1 соответствует наихудшему случаю.

Важность коэффициента Fs применительно к системам тепловидения убедительно показал Кийя [52]. Характеристики обнаружения и опознавания цели оператором FLIR существенно улучшаются, когда экран индикатора FLIR окружен равномерным фоном примерно такой же яркости, что и экран. Этот факт имеет большое значение, поскольку при использовании FLIR типичным является наблюдение через светонепроницаемый окуляр или непосредственное наблюдение экрана индикатора на темном фоне. Таким образом, оценивая требуемый уровень яркости индикаторов тепловизионных систем, необходимо знать и учитывать световой уровень окружающего фона, чтобы можно было обеспечить хороший коэффициент окружающего фона.