Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
1.1. Устройство зрительной системы человека
11
Рис. 1.2. Распределение палочек и колбочек на сетчатке глаза
Под действием света молекулы светочувствительных веществ диссоциируют (распадаются) на положительно и отрицательно заряженные ионы.
Например, когда световое излучение возбуждает палочку, возникает фотохимический переходный процесс, в результате которого родопсин распадается
на витамин А и белок (ретинин). Освобождающаяся при этом энергия вызывает нервный импульс (сигнал), который со скоростью до 100 метров в секунду передается по нервным волокнам к зрительному нерву 8 в зрительные
участки коры головного мозга. Реакции светового распада родопсина и йодопсина обратимы, то есть через некоторое время после того, как под действием света они были разложены на ионы, происходит их восстановление в
своей первоначальной чувствительной к свету форме. Таким образом, в глазу
устанавливается непрерывный цикл разрушения и последующего восстановления светочувствительных веществ. Это обеспечивает нормальную работу
глаза в течение продолжительного времени.
Следует заметить, что предварительная обработка информации осуществляется непосредственно на сетчатке благодаря наличию разветвленной
нейронной структуры. В месте отведения зрительного нерва имеется нечувствительная зона сетчатки – слепое пятно 12.
В процессе зрительного наблюдения оптические оси глаз рефлекторно
устанавливаются так, чтобы изображения подвергающихся рассматриванию
объектов проецировались на центральную часть сетчатки, обладающую
наибольшей разрешающей способностью.
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
12
1.2. Световая чувствительность глаза
Способность глаза реагировать на световое раздражение характеризуется чувствительностью. Чувствительность ε глаза к воздействию излучения
определяется величиной, обратной яркости поля, вызывающей пороговое
раздражение: ε = 1/Lп. Чувствительность может измеряться и в единицах, обратных пороговой освещенности наблюдаемого изображения.
Измерения показывают, что глаз способен реагировать на излучения, соответствующие единицам световых квантов. Наряду с этим зрительная система обеспечивает нормальное восприятие и при очень высоких яркостях.
Свойство зрительного ощущения, согласно которому предметы кажутся
испускающими больше или меньше света, называется светлотой. Мы знаем,
что на сетчатку попадают только определенные доли всей световой энергии,
испускаемой предметами в окружающее пространство. Они выражаются величинами яркостей. Таким образом, интенсивность светового раздражения
определяется величинами яркостей, а интенсивность светового ощущения –
величинами светлоты. Чем больше яркость, тем больше светлота. Поэтому
можно сказать, что светлота есть мера ощущения яркости.
Яркостью светящейся поверхности называется пространственная плотность светового потока, отнесенная к единице площади проекции светящейся
поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения. Яркость оценивается в канделах на квадратный метр (кд/м2). Эта единица равна
яркости светящейся поверхности площадью 1 м2 при силе света одна кандела.
Из сказанного следует, что светлота не может быть непосредственно измерена и выражена абсолютными числами. Однако возможна количественная
оценка, выражаемая словами: больше, меньше, равно, намного больше или
меньше, едва различается. Причем этим выражениям можно вполне определенно сопоставить разности измеряемых яркостей. Таким образом, можно
изучить зависимость ощущения от раздражения.
В повседневной жизни между понятиями яркости и светлоты часто не
делают отчетливого различия, но при изучении зрительного восприятия света
их необходимо четко различать. Яркость – объективная величина, ее можно
измерить соответствующим прибором, он называется яркометром. Светлота – величина субъективная, как и все ощущения.
Диапазон яркостей различных предметов, окружающих нас, очень велик – от 0,1 до 30 000 кд/м2 (например, черный бархат и свежий снег на солнце соответственно). Глаз не может одновременно воспринимать весь этот
диапазон яркостей, а обладает способностью самонастраиваться на преобладающие уровни яркости. Способность глаза изменять свою чувствительность
и приспосабливаться к разным яркостям наблюдаемого изображения называется адаптацией. Световая чувствительность глаза изменяется при различных уровнях действующего света.
Известно, что если войти с яркого света в очень слабо освещенное помещение, то в начальный момент глаза ничего не различают. Постепенно
1.2. Световая чувствительность глаза
13
способность глаз различать предметы восстанавливается. После длительного
пребывания в темноте (около 1 часа) чувствительность глаза становится максимальной. Если теперь выйти на яркий свет, то в первый момент глаза будут
ослеплены: восстановление светочувствительных веществ отстает от очень
интенсивного их распада. Постепенно глаза приспосабливаются к уровню
освещения и начинают работать нормально.
Известную роль при адаптации играют и другие процессы, в частности,
непроизвольное изменение размера зрачка. Когда яркость увеличивается,
зрачок сужается, когда яркость уменьшается – зрачок увеличивается. Поэтому диапазон яркости света на сетчатке меньше, чем его значение на роговице
глаза. Предельные размеры зрачка 2 и 8 мм можно наблюдать ярким днем и
темной ночью соответственно.
Палочковый аппарат обладает бóльшей чувствительностью, чем колбочковый. Палочки начинают реагировать на яркости порядка 10–4…10–5 кд/м², а
колбочки на яркости порядка единиц кд/м². При яркостях порядка около 10
кд/м² палочковый аппарат ослепляется. При яркостях 10…104 кд/м² работают
только колбочки. Таким образом, световой динамический диапазон глаза составляет около 109. Такой широкий динамический диапазон обусловлен,
прежде всего, сложными динамическими процессами разложения зрительного пурпура и в меньшей степени явлениями адаптации, связанными с автоматическим регулированием воздействующего на сетчатку светового потока в
результате изменения диаметра зрачка (диафрагмирования).
Электромагнитные колебания, находящиеся в диапазоне длин волн от 380
до 770 нм (где нм – нанометр = 10–9 м), человеческим глазом ощущаются как
свет. Волны этого диапазона обычно называют световым, или видимым излучением. В данном диапазоне длин волн атмосфера, окружающая нашу планету,
обладает наибольшей прозрачностью, что свидетельствует о том, что свойства
глаза формировались в результате многовековой эволюции живых организмов.
Если световой поток создается излучением одной длины волны или
очень узким участком спектра, то он называется монохроматическим.
В зависимости от длины волны монохроматические световые потоки создают у человека ощущения различного цвета. Цвет – это оптическое явление, чувственное ощущение, создаваемое глазом и мозгом.
По аналогии с тонами музыкальной гаммы цветовые оттенки монохроматического света объединены в семь главных цветов, как показано в табл.
1.1 и на рис. 1.3.
Ограничение цвета штриховыми линиями на рис. 1.3 условно, в действительности каждый цвет постепенно переходит в следующий по спектру.
Дополнение любого цвета белым не меняет его цветового тона, а создает
лишь впечатление блеклой окраски (пастельного цвета).
Кроме перечисленных цветов различают еще пурпурный. Он не является
монохроматическим, а образован сочетанием красного и синего световых потоков. В зависимости от соотношения долей красного и синего в этой области выделяют следующие оттенки: вишневый, собственно пурпурный и сиреневый.
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
14
Длина волн, нм
Цвет
Длина волн, нм
Цвет
687
589
580
Красный
Оранжевый
Желтый
527
430
397
Зеленый
Синий
Фиолетовый
Соотношение между воспринимаемыми цветами и длинами
волн воздействующих электромагнитных колебаний
Т а б л иц а 1.1
Рис. 1.3. Шкала цветов видимого спектра
Так как глаз обладает интегральной чувствительностью, то есть реагирует на сумму всех составляющих спектра, то ощущения одинакового цвета
могут создаваться при различных спектральных составах поступающего в
глаз светового потока. Это явление носит название метамеризма. Два различных по составу спектров световых потока, создающие ощущения одинакового цвета, называются метамерической парой.
В более узком смысле, метамеризмом называется явление, когда два образца воспринимаются окрашенными одним цветом под определенным источником освещения, но теряют сходство при других условиях освещения
(с другими спектральными характеристиками излучаемого света). Это объясняется тем, что цвет предмета, который мы видим, формируется из спектра
освещения и спектра отражения. Поэтому при смене источника освещения
отраженный спектр может меняться.
Однако световой поток определенного спектрального состава при одинаковых условиях всегда создает ощущение одного и того же присущего ему цвета.
Чувствительность глаза не только ограничена определенной областью
спектра электромагнитных колебаний, но и неравномерна в этой области, то
есть глаз, воспринимает свет различных длин волн одинаковой энергии неодинаково. Например, два поля, зеленое и синее, излучающие одинаковую
энергию, воспринимаются как имеющие различную яркость (зеленое ярче).
Наибольшая чувствительность глаза лежит в области желто-зеленых цветов
(λ 550 нм).
Распределение чувствительности глаза сходно с распределением энергии в солнечном свете, отраженном естественной живой средой на земле –
зеленью. Это подтверждает приспособление глаза к лучшему восприятию
окружающей среды. Кривая, изображающая чувствительность глаза к лучам
1.2. Световая чувствительность глаза
15
, нм
V
, нм
V
, нм
V
400
0,0004
530
0,862
660
0,061
410
0,0012
540
0,954
670
0,032
420
0,0040
550
0,995
680
0,017
430
0,0116
560
0,995
690
0,0082
440
0,023
570
0,952
700
0,0041
450
0,038
580
0,870
710
0,0021
460
0,060
590
0,757
720
0,00105
470
0,091
600
0,631
730
0,00052
480
0,139
610
0,503
740
0,00025
490
0,208
620
0,381
750
0,00012
500
0,323
630
0,265
760
0,00006
510
0,503
640
0,175
520
0,710
650
0,107
разной длины волны видимого спектра, называется кривой спектральной
видности, или чувствительности.
Спектральная чувствительность глаза у людей несколько различна, а
также зависит от условий наблюдения.
В 1924 году на основании исследования большого числа физических лиц
CIE – Commission Internationale de I’Eclairage – Международная комиссия по
освещению (МКО) установила стандартную кривую относительной видности
V (спектральной чувствительности глаза стандартного наблюдателя МКО),
показанную на рис. 1.4. В табл. 1.2 приведены точные значения параметра V.
В данном случае под V понимается величина, обратная количеству
энергии, воздействующей на глаз на разных длинах волн при неизменности
ощущаемой яркости светового потока, или, что то же самое, зависимость от
длины волны ощущаемой яркости монохроматического источника света
при постоянной энергии излучения. Величина V достигает максимума при
= 555 нм.
Рис. 1.4. Стандартная кривая относительной спектральной видности глаза
Т а б л иц а 1.2
Точные значения кривой относительной видности глаза V
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
16
Экспериментально установлено, что при яркости более 1 кд/м2 (яркость
белой освещенной поверхности при полной луне 0,07 кд/м2) днем в помещении (3…100 кд/м2) распад родопсина в палочках идет настолько интенсивно,
что восстановление все время отстает от распада и концентрация его резко
снижается. В результате – палочки «слепнут». При этом в процессе зрения
участвуют почти исключительно колбочки, и такое состояние называют
дневным зрением. Вместе с тем колбочки менее чувствительны, чем палочки.
При яркости менее нескольких сотых кд/м2 колбочки практически выключаются из процесса зрения. В этом случае в зрении участвуют только палочки, и
оно называется ночным. Данное явление, обнаруженное в 1825 году чешским
физиологом, получило в честь автора открытия название эффекта Ян. Э. Пуркинье (1787‒1869).
Так как полбочки работают только при высоких уровнях яркости – только
дневное зрение является цветовым, а, следовательно – «ночью все кошки серы».
Суммарное воздействие на глаз всего видимого спектра, имеющего распределение энергии по спектру такое же, как и в солнечном свете, ощущается
как белый цвет. Любое другое распределение энергии в спектре света ощущается как цвет. Поэтому восприятие цвета и яркости деталей наблюдаемого
объекта (изображения) зависит не только от характера самого объекта, но
также и от спектрального состава света, освещающего объект, и распределения в нем энергии.
В практической жизни человеку сравнительно часто приходится наблюдать различные объекты в условиях нестационарного освещения. Особенности рассматривания подобных изображений объясняет модель темновой и
световой адаптации, разработанная русским биофизиком П.П. Лазаревым
(1878‒1942). Теория адаптации описывает изменение чувствительности глаза
при переходе от стационарного освещенного состояния к большей или
меньшей освещенности. Графически эти зависимости для разных исходных
освещенностей приведены на рис. 1.5. Как подтверждают измерения, время
темновой адаптации составляет десятки секунд (30…50 сек), а световой –
единицы секунд (8…10 сек.). Явления темновой и световой адаптации следует учитывать при проектировании телевизионных систем и наблюдении
изображений человеком в условиях нестационарного освещения.
Рис. 1.5. Кривые темновой а) и световой б) адаптации глаза
1.3. Контрастная чувствительность глаза и число различаемых градаций яркости
17
1.3. Контрастная чувствительность глаза и число
различаемых градаций яркости
Если на глаз воздействует изображение с яркостью участков L, то, как
показывают эксперименты, наблюдатель реагирует не на абсолютное изменение яркости ΔL, а на ее относительное значение ΔL/L. Минимальное относительное изменение яркости ΔL/L, воспринимаемое наблюдателем, называется относительным разностным порогом раздражения. Разностный порог в
определенных пределах изменения интенсивности остается постоянной величиной. Таким образом, минимально заметное приращение ощущения ΔЕ в
установленных пределах интенсивностей пропорционально относительному
разностному порогу:
ΔЕ = kΔL/L, (1.1)
где k – коэффициент пропорциональности.
Если сделать допущение о том, что эта закономерность, установленная
экспериментально для конечных приращений интенсивностей, справедлива
для бесконечно малых значений, то соотношение (1.1) приведет к выражению dE = kdL/L. Интегрируя это уравнение, нетрудно определить
ΔE = klnL + D. (1.2) (1.2)
Постоянную интегрирования D определим из условия Е = 0 при L = Lп,
то есть D = –klnLп. Тогда соотношение (1.2) примет вид:
ΔЕ = kln(L/Lп), (1.3)
из которого следует, что ощущение E пропорционально логарифму яркости
L. Данное правило называется законом Вебера-Фехнера в честь выдающихся
немецких психофизиков Э.Г. Вебера (1795‒1878) и Г.Т. Фехнера (1801‒1887),
впервые установивших данную закономерность.
Говоря проще, мерой чувственно воспринимаемых различий является не
минимальная величина разности двух раздражений (Р) при данном уровне
раздражения P, а относительная величина, которая остается неизменной при
изменении раздражения, то есть (Р/P) = const.
Экспериментальные исследования позволили установить, что этот закон
справедлив в диапазоне яркостей от десятых долей до 103 кд/м2 (рис. 1.6). Из
анализа графических зависимостей рис. 1.6 следует, что в широких пределах
изменения яркости наблюдаемых объектов относительный разностный порог,
называемый также пороговым контрастом, фактически постоянен, то есть
(ΔL/L)
= Δп = const. Практически в пределах средних величин яркости
пор
(1,0…1000 кд/м2) глаз ощущает относительное изменение яркости, примерно
равное 2...5%. Допустимый диапазон изменения яркости при соблюдении закона Вебера-Фехнера на рис. 1.6 обозначен символом a. Причем заштрихованная область относительных значений яркости соответствует различным
длинам волн воздействующего излучения.
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
18
Рис. 1.6. Результаты экспериментальных исследований
относительных пороговых значений яркости
На основании анализа выражения (1.3) можно фактически сказать, что
физиологическое ощущение возрастает в арифметической прогрессии, если
раздражение увеличивается в геометрической прогрессии.
С законом Вебера-Фехнера непосредственно связаны такие параметры
зрительного восприятия, как наблюдаемый контраст и число различимых
градаций яркости (полутонов).
Под контрастом (контрастностью) объекта или изображения К понимается отношение максимальной его яркости L
к минимальный L
max
, то есть
min
диапазон воспроизводимых яркостей
К = L
max/Lmin .
В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 105 и
более раз. Зрительная система человека неспособна одновременно воспринимать весь этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптации – приспособлению к различным яркостям.
При заданном контрасте К глазом воспринимается определенное количество ступеней изменения яркости N, называемых градациями яркости.
Возможное число регистрируемых глазом градаций яркости определим
на примере рассматривания ступенчатого клина яркостей с пороговым значением различия по яркости на каждой ступени [2]. Первая градация такого
клина отличима от фона, если ее яркость L1 превышает яркость фонового
раздражения Lф на величину LфΔп:
L1 = Lф + LФ Δп = Lф (1 + Δп ).
Вторая градация отличима от первой, если:
L2 = L1 + L1Δп = L1(1 + Δп) = Lф(1 + Δп)2 .
Аналогично для третьей градации:
L3 = Lф (1 + Δп )3 .
Следовательно, для N-й градации
Lп = Lф (1 + Δп )N . (1.4)
1.3. Контрастная чувствительность глаза и число различаемых градаций яркости
19
Рис. 1.7. Зависимость числа различимых градаций от контраста изображения
Из соотношения (1.4) нетрудно определить число различимых градаций
N, если известен относительный разностный порог Δп
ln(Lп /Lф ) = Nln(1 + Δп ).
Учитывая, что Lп /Lф = К – контраст изображения ступенчатого клина,
имеем:
N = (lnК)/ln(1 + Δп ). (1.5)
Таким образом, число различимых градаций N определяется не только
относительным разностным порогом раздражения Δп, но и контрастом К
наблюдаемого изображения. Эта зависимость для различных Δп приведена на
рис. 1.7.
Расчет по соотношению (1.5) показывает, что при К = 100 (черный бархат с коэффициентом отражения 0,009, снег с коэффициентом отражения 0,9)
и Δп = 0,02 число различимых градаций N = 232.
Рассмотренные закономерности лежат в основе выбора динамического
диапазона яркостей и контрастности изображений, воспроизводимых телевизионными устройствами.
1.4. Особенности восприятия цвета
1.4.1. Трехкомпонентная теория цветового зрения
Вторым параметром, характеризующим зрительное восприятие излучения, является цветность.
Если в глаз попадает сложный световой поток, состоящий из ряда составляющих потоков разного цвета, то на него реагируют все три рода светочувствительных рецепторов. В зависимости от соотношения их реакции мы
ощущаем результирующий цвет, соответствующий спектральному составу
света, попадающему в глаз.
Основой теории цветового зрения является установленный экспериментально факт, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения)
трех цветовых потоков – красного (R), зеленого (G) и синего (B) цветов.
В данном случае под смешением понимают явление образования новых
цветов путем составления из двух или трех других цветов.
1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
20
Одним из первых серьезные опыты по цветовосприятию провел И. Ньютон (1642‒1727) в Кембридже в 1666 году. Это были опыты по разложению
солнечного света с помощью стеклянной призмы, которые познакомили человечество с истинной природой цвета. Через маленькое круглое отверстие в
ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, и на его пути Ньютон установил стеклянную трехгранную призму. Пучок света преломлялся в
призме. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса,
которую И. Ньютон назвал «спектром» (от греческого «спектрум» – смотрю).
При этом И. Ньютоном было доказано, что степень преломления и цвет излучения связаны определенной зависимостью.
Изучение вопросов цветовосприятия привело И. Ньютона к мысли о
возможности получения любого цвета путем смешения семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового.
Наконец, расположив эти основные цвета по окружности, он пришел к идее
систематизации условных ощущений и отображения их в виде точек на плоскости (цветовой круг И. Ньютона). Им же было сформулировано правило
нахождения координат точки смеси по координатам смешиваемых цветов.
Однако истоки современной трехкомпонентной теории цветового зрения
впервые сформулированы в работе великого русского ученого М.В. Ломоносова «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее, в публичном собрании Академии наук июля 1 дня 1756 года говоренное
Михайлом Ломоносовым». Эта теория явилась основой для построения феноменологической (феноменология – наука о чувственном познании) модели
цветового зрения, которая предполагает наличие трех основных видов рецепторов, реагирующих на красную, зеленую и синюю части спектра. Эти цвета
называются первичными. Существование в глазу трех видов колбочек и
ощущение разных цветов при действии излучений на разные типы колбочек
является причиной цветного зрения.
При равном возбуждении рецепторов создается ощущение белого, а все
другие цветовые ощущения связаны с различием в возбуждении трех рецепторов.
Трехкомпонентная теория цветового зрения была в дальнейшем подтверждена и нашла развитие в работах английского ученого Т. Юнга (1773‒1813),
который в 1802 г. для оценки этих ощущений предложил пользоваться цветовым треугольником, в вершинах которого располагаются основные цвета.
Более детальное экспериментальное и теоретическое развитие трехкомпонентная теория цветового зрения получила в Германии в трудах Г. Гельмгольца (1821‒1894), в Великобритании – в работах Д. Максвелла (1831‒
1879). Гельмгольц провел многочисленные опыты по смешению спектральных цветов и установил основные закономерности смешения световых потоков. Д. Максвелл дал количественную оценку явлениям смешения световых
потоков различного спектрального состава и предложил математический аппарат для расчета цвета смеси излучений сложного спектрального состава.
Д. Максвелл впервые ввел цветовое уравнение как способ записи равенства
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]