Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сенсорные и перцептивные процессы. Учебное пособие
.pdf
Измерение и расчёт некоторых характеристик стимула 111
3.3.2 Некоторые качества зрительных ощущений
и физические характеристики света
Видимый свет – это электромагнитные колебания (излучения) с дли-
нами волн λ от 380 до 760 нанометров (нм)
1
[22, с. 840]. С длиной волны связано субъективное качество зрительного ощущения – цвет. Цвета,
ощущаемые человеком в результате воздействия излучений, представляющих собой колебания в узком диапазоне длин волн, называются спек-
тральными (см. таблицу 3.10)
2
; излучение, представленное колебаниями
с определённой длиной волны, называется монохроматическим. Комбинирование таких излучений позволяет получить цвета, называемые неспек-
тральными: оттенки серого (могут быть получены путём «смешивания»
красного, зелёного и синего излучений), пурпурный (красное или фиолетовое с синим), розовый (красное с белым) и др. Коричневый цвет может
быть получен как с участием только спектральных (зелёного и красного),
так и спектральных и неспектральных (жёлтого и пурпурного, оранжевого и серого, оранжевого и синего) цветов
3
. Важно отметить, что современные видеодисплеи воспроизводят только три спектральных цвета –
красный, зелёный и синий, – а все остальные цвета и оттенки, включая
спектральные, формируются путём подбора уровней их яркости (об этой
характеристике света и соответствующей величине подробнее см. далее).
Эффекты смешивания излучений очень просто изучить при помощи стандартного диалогового окна выбора цвета, используемого в большинстве
графических редакторов и множестве программ, так или иначе предназначенных для вывода результатов работы в графической форме.
Ниже светового диапазона (по частоте) лежит инфракрасное излучение, выше – ультрафиолетовое. Эти излучения мы не видим, но широко
используем в технических системах, в частности, для получения инфор-
1
Частота световой волны вычисляется как отношение скорости света c = 299 792 458 м/с к λ.
2
В некоторых психологических словарях и основывающихся на них интернет-источниках можно встретить определение спектрального цвета, которое является неполным и, как следствие, может
быть неправильно понято: «Цвет или (более точно) тон любого зрительного стимула, доминирующая
длина волны которого находится в пределах видимого спектра». Это определение, вероятно, основывается на точной формулировке Льва Фёдоровича Артюшина (1924–2016) [22, с. 841]: «Цвета излучений, длины волн которых расположены в диапазоне видимого света в определённых интервалах
вокруг длины волны какого-либо монохроматического излучения, называются с п е к т р а л ь н ы м и
цветами».
3
Обращаем внимание читателя на то, что речь идёт о «смешивании» излучений, но не красок!
112 Методический справочник
мации об окружающем мире. Зрение многих видов, однако, обладает чувствительностью к инфаракрасному и ультрафиолетовому излучениям.
Таблица 3.10
Спектральные цвета и соответствующие длины световых волн
Цвет Красный Оранже-
вый
Жёлтый Зелёный Голубой Синий Фиоле-
товый
λ, нм 625 – 760 590 – 625 565 – 590 500 – 565 485 – 500 440 – 485 380 – 440
Каждый спектральный цвет характеризуется относительной спектральной световой эффективностью (видностью) V (λ), выражаемой
в долях единицы. Максимум V (λ) = 1 приходится на 555 нм (зелёный
цвет) для дневного и 507 нм для ночного зрения (рис. 3.6
1
). Это смещение
максимума часто именуют эффектом П´уркине или П´уркинье
2
.
Обычно фотометрические расчёты проводятся с учётом характеристик дневного зрения. Максимум относительной спектральной световой
эффективности при дневном зрении соответствует световой эффективности K(λ), равной 683 люменам (лм) на ватт (Вт) (лм/Вт)
3
. Спектральную световую эффективность монохроматического излучения K(λ)
часто записывают как произведение K
m
· V (λ), где Km= 683 лм/Вт.
Очень важно понимать, что основные фотометрические величины делятся на энергетические и световые, причём у каждой энергетической
величины есть свой световой аналог (и наоборот). Дело в том, что, как
следует из рис. 3.6, доля собственно световой энергии в общей энергии излучения зависит от длины волны. Световые величины получают
из энергетических с учётом спектральной световой эффективности. Таким образом, кривые относительной спектральной видности не просто
выражают частную психофизическую закономерность, они носят фундаментальный характер. В практических вычислениях используют таб-
1
На основе векторного изображения https://nl.wikipedia.org/wiki/Bestand:LuminosityCurve1.svg,
распространяемого на условиях Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported и др. Автором первоначальной версии является Ir. H. Hahn.
2
Ян Эвангелиста Пуркине (1787–1869) – выдающийся физиолог, педагог и общественный дея-
тель.
3
В честь выдающегося инженера Джеймса Уатта (1736–1819), создавшего эффективную паровую машину и предложившего внесистемную единицу измерения мощности «лошадиная сила»,
широко применяемую до сих пор.
Измерение и расчёт некоторых характеристик стимула 113
Рисунок 3.6: кривые относительной спектральной видности V (λ) для дневного (спра-
ва) и V
�
(λ) для ночного (слева) зрения. По оси абсцисс – длина волны
лицы значений относительной спектральной видности для разных длин
волн (напр., [23]).
Выше мы уже упоминали люмен – единицу измерения светового по-
тока Φ
v
, представляющего собой световую величину. Световой поток
Φ
v
есть собственно световая часть потока излучения Φe, являющего-
ся энергетической величиной и характеризующего мощность излучения.
Зная относительную спектральную световую эффективность монохроматического света, мы можем выразить световой поток следующим образом (из этой формулы видно, что световой поток измеряется в люменах):
Φ
v
(λ) = Km· V (λ) · Φe(λ).
Если речь пойдёт о полихроматическом излучении, расчёт несколько
усложнится, но принцип останется тем же самым.
Для дальнейшего изложения требуется ввести понятие телесного угла
и единицы его измерения – стерадиана (ср). Телесным углом называют
область пространства, образованного множеством лучей, выходящих из
одной точки, и поверхностью, которую они пересекают. Очень часто рассматривают телесный угол, образованный конусом, основание которого
лежит на поверхности сферы, а вершина – в её центре (рис. 3.7
1
). Угол,
1
Рисунок адаптирован из изображения со страницы http://www.seos-project.eu/modules/laser-
rs/laser-rs-c03-s02-p02.html.
114 Методический справочник
который вырезает основание конуса на поверхности сферы радиусом R
сектор площадью S = R
2
, равен стерадиану.
Рисунок 3.7: телесный угол Ω вырезает на поверхности сферы радиусом R сегмент
площадью S
Световой поток, распространяющийся внутри телесного угла Ω, опре-
деляет силу света I
v
:
I
v
=
Φ
v
Ω
.
Сила света – одна из важнейших фотометрических световых величин.
Она измеряется в канделах
1
(кд). До 1979 г. эталон канделы был опре-
делён следующим образом: «Кандела – это сила света, излучаемого чёр-
ным телом (курсив наш – Д. Я. и др.) перпендикулярно поверхности
площадью 1/60 см
2
при температуре 2042,5 К2(температура затвердевания платины при нормальном давлении)» [24, с. 302]. Такой силе света
соответствует сила излучения I
e
(энергетическая величина, равная потоку излучения на стерадиан (Вт/ср); называется также энергетической
силой света), составляющая
1
683
Вт/ср для λ = 555 нм.
Чрезвычайно важным фактором психофизического исследования
является физическая яркость стимула. Яркость представляет собой
1
От латинского candela – свеча. Довольно часто силу света характеризуют в «свечах» в обы-
денной речи; это верно семантически и почти соответствует использованию устаревшей единицы –
пентановой свечи.
2
Кельвин – единица измерения термодинамической температуры, названная в честь выдающе-
гося физика Уильяма Томсона, лорда Кельвина (1824–1907).
Измерение и расчёт некоторых характеристик стимула 115
световую величину, определяемую как излучаемая поверхностью сила
света, приходящаяся на перпендикулярную излучающей поверхности
плоскость. Фотометрическую яркость источника света обычно выражают в канделах на кв. метр (кд/м
2
), в литературе продолжает также
использоваться устаревшая единица измерения нит; 1 нит = 1 кд/м
2
.
Достаточно часто иностранные, в основном североамериканские, авторы выражают яркость в ламбертах
1
(Лб); 1 Лб =
10
4
π
кд/м2. Яркость
измеряют при помощи приборов, называемых яркомерами.
Рисунок 3.8: угол па-
дения света
Световой поток Φv, приходящийся на участок
освещаемой поверхности площадью S, создаёт осве-
щённость
E
v
=
Φ
v
S
.
Заменяя Φ
v
на IvΩ, где Iv– сила света, а Ω – телесный
угол, причём Ω =
S cos α
r
2
, получают закон освещённо-
сти Ламберта
E
v
=
Ivcos α
r
2
,
где α – угол падения света (рис. 3.8), а r – расстояние до источника света (по [24, с. 306]). Это чрезвычайно важное соотношение, из него следует,
что освещённость падает обратно пропорционально квадрату расстояния
до источника. Кроме того, соотношение задаёт приблизительный способ
оценки яркости источника света по создаваемой им освещённости.
Освещённость измеряется в люксах (лк), 1 лк = 1 лм/м
2
. Для из-
мерения освещённости используют приборы, называемые люксметрами.
При выполнении многих измерений важно поддерживать освещённость
помещения на определённом уровне, поэтому такой прибор необходим
в любой лаборатории, где проводятся психофизические исследования.
Многие современные смартфоны имеют встроенные датчики освещённости, кроме того, существуют программные решения на основе данных
с камеры, так что примерно измерить освещённость в учебных целях
можно вообще без использования специальных технических средств
2
.
1
Внесистемная единица, названная в честь Иоганна Генриха Ламберта (1728–1777) – выдаю-
щегося астронома, математика, физика и философа.
2
В принципе, современные люксметры – очень доступные приборы, в широком ассортименте
представленные на рынке измерительной техники. В реальных исследованиях, безусловно, следует
использовать люксметр, а не средство, его заменяющее.
116 Методический справочник
Рассмотрим простой способ получения приблизительной оценки яркости монитора без яркомера, основанный на законе освещённости Ламберта. Если разместить монитор в помещении, лишённом иных источников
света, и установить датчик люксметра перпендикулярно (α = 0, cos α =
1) плоскости экрана на расстоянии 1м (r
2
= 1), яркость можно вычислить как отношение освещённости (в лк) к площади экрана (в м2)1. Конечно, полагаться на результаты таких измерений в реальном психофизическом исследовании не ст´оит. В качестве альтернативы можно предложить метод определения силы света, основанный на уравнивании освещённости, создаваемой разными источниками света, сила света одного из
которых известна [24, с. 308–309].
Стивенс с коллегами предпринял попытку разработать собственно
психофизическую единицу измерения субъективной яркости – брил.
1 брил соответствует величине ощущения, вызываемого быстрым предъявлением светлого пятна яркостью 10
−6Лб2
и размером 5 угл. град.
в условиях полной темновой адаптации. В лаборатории Стивенса были
получены достаточно сложные зависимости, описывающие величину
ощущения в различных условиях. К сожалению, они оказались валидны преимущественно для искусственных, контролируемых условий
наблюдения, и не получили подтверждения при работе со сложными
изображениями (по [25]).
3.3.3 Оборудование для демонстрации визуальных
стимулов
Современные мониторы персональных компьютеров являются очень
удобным средством предъявления визуальных стимулов. До недавнего
времени
3
у исследователей зрительного восприятия наибольшей попу-
лярностью пользовались мониторы, в которых для формирования изоб-
1
См. напр., http://forum.ixbt.com/topic.cgi?id=28:27364:6.
2
Чуть более 0,003 кд/м2.
3
В 2014 г. в Белграде проводился обучающий семинар, приуроченный к 37-ой Европейской конференции по зрительному восприятию и 2-ой конференции «Визуальная наука искусства». На семинаре обсуждались компьютерные технологии, применяемые в исследованиях зрительного восприятия. Когда докладчик из компании Cambridge Research Systems обратился к аудитории из примерно
40 человек с вопросом об используемом в их лабораториях оборудовании, оказалось, что подавляющее большинство продолжает применять мониторы с ЭЛТ.
Измерение и расчёт некоторых характеристик стимула 117
ражения используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), хотя производство таких устройств было в основном прекращено в конце нулевых годов. Причина низкой популярности устройств с дисплеями на жидких
кристаллах (ЖКД) в исследовательской среде, вероятно, заключается
в несовершенстве технологий ранних ЖКД. Перечислим некоторые из
них:
• низкое цветовое разрешение (6 бит на канал) ЖКД. Эта проблема
и на данный момент имеется у недорогих матриц, выполненных по
технологии TN (twisted nematic TFT
1
– на скрученных нематических
кристаллах);
• искажения при малых углах обзора. Проблема характерна в первую
очередь для TN-матриц;
• большое время отклика. Ранее наименьшим временем отклика характеризовались TN-матрицы, в настоящее время эта проблема в основном решена и для других широко применяемых технологий. Сейчас в доступном ценовом сегменте встречаются IPS-мониторы (in-
plane switching – плоскостное переключение) с временем отклика
2 мс.
Нужно сказать, что к настоящему времени практически все причины, по
которым применение мониторов с ЖКД являлось нежелательным для
психофизических экспериментов, устранены в рамках технологии IPS.
Однако дисплеи с ЭЛТ, вероятно, будут ещё долго применяться исследователями, так как выработка ресурса трубки в условиях лаборатории
идёт медленно.
При работе с мониторами всех типов следует учитывать нелинейность
их световой характеристики, объясняемую свойствами ЭЛТ и имеющую
характер показательной функции [26]. Такая нелинейность имеет место
и в эпоху ЖКД, причём в современных видеосистемах применяются схемы, приводящие их собственную, близкую к S-образной, нелинейность
к показательному виду. Это делается с целью обеспечения совместимости
нового оборудования с ранее созданными программами и разнообразными визуальными цифровыми произведениями. На рис. 3.9 показаны световые характеристики двух реальных дисплеев. Небольшая S-образность
1
TFT (thin-film transistor) – активная матрица на тонкоплёночных транзисторах.
118 Методический справочник
характеристики монитора с ЭЛТ объясняется длительной (более 10-ти
лет) эксплуатацией устройства. Если необходимо, световую характери-
Рисунок 3.9: световые характеристики экранов ЭЛТ-монитора LG Flatron 775FT и но-
утбука Dell Inspiron 15 (модель 3521 с TN-матрицей)
стику дисплея можно линеаризовать методом гамма-коррекции.
Показанные на рис. 3.9 зависимости отражают параметры гамма-
декодирования, осуществляемого воспроизводящим трактом видеосистемы. Для ПК этот тракт представляет собой последовательность «программное обеспечение → видеокарта → монитор». Этот процесс приближённо описывается зависимостью
S
out
= kS
γ
in
,
где S
out
– сигнал на выходе, Sin– на входе, k – согласующий коэффициент, а γ – параметр, определяющий уровень гамма-преобразования. Обычно для современных персональных вычислительных систем, работающих
под управлением операционных систем Linux, Windows и Mac, суммарное значение γ составляет 2, 2. В старых (до 2009 г.) системах Apple по
умолчанию γ = 1, 8. При этом собственная гамма мониторов равна примерно 2,5, и некоторое её уменьшение достигается программно. Как правило, изображения, получаемые с цифровых камер и т. п., являются уже
гамма-скорректированными с учётом этих параметров. Исключение составляет формат raw, в котором сохраняются данные на профессиональных цифровых фотоаппаратах, однако средства просмотра этого фор-
Измерение и расчёт некоторых характеристик стимула 119
мата могут самостоятельно осуществлять гамма-кодирование. Принцип
гамма-коррекции показан на рис. 3.10.
Рисунок 3.10: принцип гамма-коррекции. Для функций, показанных на графике, γ со-
ставляет 2,2 (гамма декодирования) и
1
2,2
(гамма кодирования). По осям – яркость
в долях единицы
Таким образом, если мы работаем с синтезированным полутоновым
изображением и хотим, чтобы его физическая яркость была представлена в линейной шкале, нам необходимо провести гамма-кодирование его
пикселей по формуле
S
in
= (
S
out
255
)
1
γ
· 255,
где S
in
– результирующее значение яркости пикселя, подаваемое на вход
воспроизводящего тракта, S
out
– пиксель синтезированного изображения.
Предполагается, что градации яркости представлены логическими значениями от 0 до 255. Если изображение цветное, то преобразование выполняется отдельно для каждого цветового канала, причём значения γ
каналов могут несколько отличаться.
В условиях лаборатории одна лишь гамма-коррекция не решает всех
возможных проблем, связанных с демонстрацией визуальных стимулов,
т. к., во-первых, диапазон яркостей монитора может отличаться от заявленного производителем, причём для разных цветов по-разному, вовторых, световая характеристика может отклоняться от формы показательной функции (как на рис. 3.9). Гораздо более универсальным методом работы с оборудованием является получение его точной световой ха-
120 Методический справочник
рактеристики с использованием яркомера. Такая характеристика может
быть сохранена в виде таблицы, сопоставляющей физическую яркость
её логическому уровню, и описана аналитически при помощи методов
регрессионного анализа
1
.
3.3.4 Некоторые качества звуковых ощущений
и физические характеристики звука
Звук как физический раздражитель характеризуется прежде всего
частотой (либо спектральным составом) и амплитудой, а также некоторыми другими, связанными с последней, физическими характеристиками. В случае, если звуковой сигнал представляет собой чистый синусоидальный тон, можно вести речь не о спектральном составе, а только
о частоте. Если же звуковой сигнал не имеет выраженной периодичности,
т. е. содержит спектр частот, при помощи некоторых математических операций (например, преобразования Фурье
2
) он может быть представлен
в виде суперпозиции гармонических составляющих. Каждая из полученных гармоник будет иметь определённую частоту и амплитуду; в сумме
эти гармоники дадут исходный сигнал. Субъективно основной частоте
звука (основной гармонике) соответствует высота, а амплитуде – гром-
кость. Однако очень важно учитывать, что субъективная громкость тонов разной частоты различна. Особенности спектрального состава определяют тембр звука.
Поличастотный звук может иметь выраженный максимум амплитуды на определённой частоте, тогда этот звук будет восприниматься как
примерно равный во высоте чистому синусоидальному тону, частота которого равна частоте этого максимума. Частота звука измеряется в гер-
цах
3
(Гц).
1
Зависимость логической яркости от физической удобно аппроксимировать функцией экспо-
ненциального распада вида y = A1·exp(
−x
t
1
)+A2 ·exp(
−x
t
2
)+y0. Зная параметры этой функции, мож-
но оперировать физическими величинами непосредственно. Процедуры поиска параметров функции реализованы, в частности, в программах QtiPlot (www.qtiplot.com, распространяется свободно)
и Origin (http://originlab.com, коммерческая).
2
Жан Батист Жозеф Фурье (1768–1830) – выдающийся физик и математик, внёсший опреде-
ляющий вклад в основы термодинамики и гармонического анализа.
3
Единица названа в честь выдающегося физика Генриха Рудольфа Герца (1857–1894).
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]