Глава 4 Физиология зрительного восприятия
- Введение
Проблему, которой посвящена эта глава, можно кратко сформулировать следующим образом: каковы допустимые отличия оптико-электронного изображения от реальной картины, чтобы зрительный аппарат человека мог правильно оценивать картину и эффективно воспринимать заключенную в ней информацию? Уровень наших современных знаний не позволяет однозначно ответить на этот вопрос, а для получения приближенного ответа необходимо рассмотреть следующие характеристики и особенности зрительного процесса:
разрешающую способность и пространственно-частотную характеристику;
восприятие шумов;
увеличение изображения;
выделение сигнала на фоне определенной яркости и (или) фоне шумов;
неблагоприятное воздействие таких факторов, как слишком большое или слишком малое поле зрения, слишком быстрое движение картины, мерцание, растровая структура изображения.
Некоторые из этих характеристик и особенностей достаточно хорошо изучены, однако они описаны на языке физиологии зрительного восприятия, и их 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 задач получения изображения. Прежде чем обратиться к физиологии зрительного восприятия, рассмотрим кратко основные особенности зрительного аппарата.
- Основные характеристики зрительного аппарата человека
Рассмотрим здесь только те характеристики глаза, которые играют важную роль при проектировании систем тепловидения. Более подробные сведения можно получить в работах [1—6] 1). 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°) и очень хорошее — в пределах центральной ямки сетчатки диаметром 1—2°. Поле размером 30 X 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 глаза делится на три области с нечетко очерченными яркостными границами — ночного, сумеречного и дневного зрения. Область ночного зрения простирается от абсолютного яркостного порога ~3* 10~в до ~10-4 кд/м2, область сумеречного зрения охватывает 10~4—
*Верхний и нижний выбросы в восприятии резкого края детали высокого контраста при переходе от светлого к темному.
- кд/м2 и область дневного зрения 3—3 -104 кд/м2. 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.
Разрешающая 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. Субъективно качество изображения определяется следующими четырьмя различными 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 характеризует 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 временной выборки, межстрочном мерцании в системах с чересстрочной разверткой, в сползании строк и оптических искажениях.
