Luciv / МКОИ_пособие

возвращается к достаточной чувствительности, начинает доминировать над колбочками и таким образом берет под свой контроль всю чувствительность зрения. Чувствительность палочек продолжает повышаться в течение примерно 30 минут, точнее, до тех пор, пока это повышение еще можно зафиксировать.

Механизмы, отвечающие за различные виды адаптации, следующие: истощение и регенерация фотопигмента; палочково-колбочковый переход; контроль усиления в рецепторах и других клетках сетчатки; вариативность регионального объединения между рецепторами; пространственная и временная оппонентность; контроль усиления в оппонентных и других высокоуровневых механизмах; нейронный откат; компрессия ответа; когнитивная интерпретация.

Световая адаптация - по существу это процесс, обратный темновой адаптации, хотя его зрительные свойства иные. Световая адаптация происходит, когда мы покидаем полумрак кинотеатра и выходим на залитую солнцем улицу: в этом случае ЗС, дабы обеспечить адекватность восприятия, должна понизить свою чувствительность, поскольку теперь в распоряжении зрения значительно большее количество визуальной энергии.

Световую адаптацию обслуживают те же самые физиологические механизмы, но они ассиметричны в прямой и обратной кинетике: необходимый результат световой адаптации достигается за 5 минут, а не за

30.

Рис. 1.9 демонстрирует ценные свойства световой адаптации.

Рисунок 1.9 Иллюстрация процесса световой адаптации с помощью масштабирования большого диапазона интенсивностей стимулов в относительно малый динамический диапазон ответов.

Сплошные кривые на рис. 1.9 демонстрируют семейство адаптационных ответов; пунктирная кривая показывает гипотетический безадаптационный ответ. ЗС имеет ограниченный динамический диапазон выходных сигналов (порядка 100:1), определяющий наше восприятие, но в реальных сценах

21

разброс уровней освещения может десятикратно превышать разницу между звездной ночью и солнечным днем (правда, почти никогда не возникает необходимости рассматривать что-либо при полном диапазоне уровней освещения).

О световой адаптации можно говорить как о процессе скольжения кривой зрительного ответа вдоль оси уровней освещения (рис. 1.10), которое длится до тех пор, пока не будет достигнут оптимальный уровень для данных условий просмотра. Световая и темновая адаптации в целом аналогичны автоматическому контролю экспозиции в видеосистемах.

Третий тип адаптации, тесно связанный с двумя предыдущими, - адаптация хроматическая. Полагают, что за хроматическую адаптацию отвечают физиологические механизмы, сходные с вышеописанными механизмами световой и темновой адаптации.

Хроматическая адаптация - это во многом независимое управление чувствительностью трех механизмов цветового зрения, что схематично иллюстрирует рис. 1.10.

Рис. 1.10 Схематичная иллюстрация процесса хроматической адаптации как независимой регулировки чувствительности трех типов колбочек.

Полная высота каждой из трех кривых спектральной чувствительности колбочек может меняться самостоятельно. Но, несмотря на то, что хроматическую адаптацию чаще всего толкуют и моделируют как независимый контроль чувствительности колбочек, нет никаких оснований полагать, что за хроматическую адаптацию не отвечают оппонентные и прочие цветовые механизмы.

Если для масштабирования большого диапазона интенсивностей стимулов в выходные сигналы ЗС использована единичная функция ответа, то для отдельно взятой сцены будет использован лишь малый диапазон выходных сигналов. Такой ответ показан пунктирной линией на рис. 1.9, и ясно, что при такой функции ответа воспринимаемый контраст какой-либо отдельно взятой сцены будет ограничен и чувствительность зрения к

22

изменениям будет сильно снижена из-за проблемы «полезный сигнал/шум». С другой стороны, световая адаптация служит созданию целого семейства кривых зрительного ответа, что на рис. 1.9 демонстрируется сплошными линиями. Эти кривые масштабируют используемый диапазон освещенностей отдельно взятой сцены в полный динамический диапазон зрительного ответа, что оптимизирует визуальное восприятие в той или иной ситуации.

Хроматическую адаптацию можно наблюдать при рассматривании белого объекта при разных вариантах освещения (например, листа бумаги при дневном освещении, флуоресцентном или при свете ламп накаливания). Дневной свет содержит относительно большее количество коротковолновой энергии, чем свет флуоресцентный, а свет ламп накаливания относительно большее количество длинноволновой энергии, чем свет флуоресцентных ламп, - однако в целом бумага воспринимается белой под всеми этими источниками. Так происходит потому, что S-колбочковая система становится относительно менее чувствительной под дневным светом, дабы компенсировать дополнительную коротковолновую энергию, а L- колбочковая система становится относительно менее чувствительной при свете ламп накаливания, дабы компенсировать дополнительную длинноволновую энергию. О хроматической адаптации можно говорить как об аналогии с автоматическим балансом белого в видеокамерах.

1.2.4Механизмы зрения, влияющие на цветовое восприятие

Существует ряд важных когнитивных механизмов зрения, влияющих на цветовое восприятие: цветовая память, цветовая константность, распознавание объектов и т.н. когнитивное обесцвечивание осветителя

(discounting the color of an illuminant).

Цветовая память относится к феномену, суть которого в том, что распознаваемые объекты имеют некий прототип цвета, связанного с этими объектами, к примеру: большинство людей помнит типичный цвет зеленой травы и в экспериментальных условиях могут воссоздать стимул этого цвета, если таковое потребуется. Любопытно, что цветовая память зачастую искажена в отношении конкретных объектов: зеленая трава и синее небо, как правило, помнятся более насыщенными, нежели их фактические стимулы.

Цветовая константность относится к повседневному восприятию, при котором цвета объектов остаются неизменными даже при существенных изменениях в цвете освещения и уровне яркости. Цветовая константность обеспечивается механизмами хроматической адаптации и памятными цветами, но при тщательном наблюдении можно показать, что она очень слаба.

Распознавание объектов - это общая реакция на пространственные, временные и светлотно - темновые свойства объектов, но не на их хроматические свойства (Давыдов, 1991).

Когнитивное обесцвечивание осветителя относится к способности наблюдателя автоматически интерпретировать условия освещения и

23

воспринимать цвета объектов после ментальной нивелировки цвета источника освещения.

Таким образом, как только объекты оказываются распознанными, механизмы цветовой памяти и когнитивного обесцвечивания осветителя могут присвоить им соответствующий цвет. Эти механизмы имеют радикальное влияние на цветовое восприятие и становятся критически важными, когда выполняется цветовое сравнение на разных носителях.

Понятно, что обработка визуальной информации чрезвычайно сложна и полностью еще не изучена (и не факт, что будет изучена), но в то же время интересно попытаться проследить повышение сложности корковых зрительных ответов по мере прохождения сигнала по зрительной системе.

Электрофизиологические исследования единичных клеток помогли обнаружить кортикальные клетки с чрезвычайно сложной реакцией на стимулы, к примеру: у обезьян были обнаружены клетки, отвечающие только на изображение обезьяньих лап или мордочек. Существование таких клеток ставит вопрос: до какой степени сложен ответ от одной клетки? Очевидно, что для каждого вида восприятия не существует персональной клетки, поэтому в какой-то момент в ЗС восприятие строится на комбинациях различных сигналов, обеспечивающих различные виды восприятия. Такое построение дает возможность инвариантности восприятия, в частности - цветового. Очевидно, что на цветовое восприятие влияет большое число вариаций стимула и что наша ЗС часто «экспериментирует» с ними.

1.2.5Пространственно-частотные свойства цветового зрения

Исследование зрительного опыта не может быть изолированным. Цветовое восприятие стимула зависит от пространственных и временных характеристик этого стимула: к примеру, черно-белый стимул, мерцающий с определенной частотой, может восприниматься весьма красочным.

Пространственные и временные характеристики человеческой ЗС обычно исследуют через измерение т.н. контрастно-сенситивных функций

(КСФ).

КСФ определяется порогом ответа на контраст (чувствительность обратна порогу) как функция пространственной или временной частоты. О контрасте обычно говорят как об отношении разности между максимальной и минимальной яркостями стимула к их сумме. КСФ как правило измеряются с использованием стимулов, интенсивность которых синусоидально меняется в пространстве и времени, поэтому однородный образец имеет нулевой контраст, а неравномерные образцы, в которых яркость некоторых участков падает до нуля, имеют контраст равный 1.0 независимо от того, какова их общая яркость.

Рис. 1.11 схематично иллюстрирует типичные КСФ яркостного (чернобелый стимул) и хроматического (красно-зеленый и желто-синий стимулы при постоянной яркости) контрастов. Яркостная контрастно-сенситивная функция имеет полосно-пропускающий характер с пиком чувствительности в районе 5 полос на градус и приближается к нулю при отсутствии полос,

24

иллюстрируя тем самым тенденцию ЗС к нечувствительности в отношении однородных полей. Функция также стремится к нулю, начиная с частоты примерно в 60 полос на градус - с этого момента детали уже не могут быть распознаны оптикой глаза или мозаикой фоторецепторов.

Рисунок 1.11 Пространственные контрастно-сенситивные функции яркостного и хроматического контрастов.

Полосно-пропускающая КСФ коррелирует с концепцией центраокружения антагонистичных рецептивных полей, которые максимально чувствительны к промежуточным значениям пространственной частоты.

Хроматические механизмы имеют низкую частоту пропускания и значительно меньшие граничные частоты, что затрудняет использование хроматической информации о тонких деталях (высоких пространственных частотах). Это свойство ЗС используется при сжатии изображений (JPEG, MPEG и др.) и передаче телевизионных сигналов (в системах PAL, SECAM, NTSC).

НЧ характеристики хроматических механизмов указывают и на то, что обнаружение краев/усиление не проходят по данной частотной категории восприятия: сине-желтая хроматическая КСФ имеет меньшую граничную частоту, нежели красно-зеленая КСФ вследствие нехватки в сетчатке S- колбочек. Отметим также, что яркостная КСФ ощутимо выше, нежели обе хроматические, что указывает на большую чувствительность ЗС к малейшим изменениям в яркостном контрасте, чем в контрасте хроматическом. Пространственные яркостная и хроматическая КСФ не участвуют непосредственно в цветовом восприятии, хотя и оказывают на него существенное влияние. Жанг и Ванделл в 1996 г. опубликовали интересную методику внедрения этих типов ответов в вычисление цветового пространства МКО LAB, а Джонсон и Фершильд (2003) предложили новейшую версию данной модели. Можно показать, что гораздо больше

25

пространственных деталей может быть визуально получено из компонента яркости, чем из компонентов цветности.

Рис. 1.12 схематично иллюстрирует типичные временные контрастносенситивные функции (для яркостного и хроматического контрастов), которые имеют много общего с пространственными КСФ, показанными на рис. 1.11.

Рисунок 1.12 Временные контрастно-сенситивные функции яркостного и хроматического контрастов.

Снова яркостные временные КСФ выше по чувствительности и граничной частоте, чем хроматические временные КСФ, что демонстрируют их полосно-пропускные характеристики. Временные КСФ (так же как и пространственные) непосредственно не включены в модели цветового восприятия, но их важно учитывать, когда идет просмотр движущихся изображений (таких, как цифровые видеоклипы), которые могут воспроизводиться с различной экранной частотой. Важно понимать, что функции, показанные на рис. 1.11 и 1.12, типичны, но не универсальны.

Как уже было сказано, разные виды исследования человеческого зрительного восприятия не могут проводиться изолированно, поскольку пространственные и временные КСФ взаимодействуют друг с другом. Пространственная КСФ, измеренная при различных временных частотах, окажется чрезвычайно изменчивой, и то же справедливо в отношении временной КСФ, измеренной при различных пространственных частотах. Эти функции также зависят от иных вариативных факторов, таких, как уровень яркости, размер стимула, ретинальный локус. Подробности по данным взаимодействиям см. у Келли (1994).

Эффект наклона. Интересным феноменом пространственного зрения является т.н. эффект наклона, который состоит в том, что при восприятии решеток, ориентированных под углом 0° и 90° (относительно линии, соединяющей глаза), острота зрения выше, чем при восприятии решеток, ориентированных под углом 45°. Данный феномен наблюдают при создании

26

наклонных полутоновых растров, которые устанавливают так, чтобы наиболее заметные элементы были наклонены под углом 45°.

КСФ и движения глаза. Пространственные и временные КСФ тесно связаны с движением глаз: статический пространственный образец становится динамическим, когда взгляд наблюдателя начинает скользить по стимулу. Отметим, что и пространственная, и временная яркостные КСФ стремятся к нулю, когда к нулю стремится соответствующая частота, и из этого следует, что полностью статичный стимул невидим. В самом деле, если зафиксировать изображение на сетчатке с помощью специальной видеосистемы, закрепленной на глазном яблоке, то восприятие стимула исчезает через несколько секунд (Келли, 1994). Иногда это явление можно наблюдать, тщательно зафиксировав взгляд на каком-либо предмете, - через несколько секунд периферийные объекты начинают исчезать (центральный объект при этом не исчезает, поскольку колебания даже сознательно удерживаемого глаза все же больше, чем пространственная частота центральной ямки сетчатки). Чтобы избежать этого неприятного эффекта, наши глаза постоянно двигаются, то есть выраженные движения глаз необходимы для того, чтобы видеть различные области в поле зрения при высоком пространственном разрешении центральной ямки. Наряду с этим существуют мелкие глазные движения (т.н. тремор глаз), обеспечивающие комфортное зрительное восприятие окружающего мира. Сказанное выше объясняет то, почему тени от ретинальных клеток и кровеносные сосуды обычно невидимы - они двигаются не по сетчатке, а вместе с сетчаткой.

Глазные движения через суммарную экспозицию разных областей сетчатки оказывают существенное влияние на адаптацию и восприятие и необходимы для сохранения визуального контраста. Новейшие технические достижения позволили провести психофизические исследования данного эффекта (к примеру, Бабкок и др. 2003).

Выводы

В разделе 1.1 приведен краткий обзор морфологии и физиологии ЗС человека, акцентированный на тех ее особенностях, что важны для разработки методов обработки цветных цифровых изображений.

Важными элементами оптики глаза являются: хрусталик, макула и фоторецепторы.

Хрусталик и макула воздействуют на цветовое восприятие, работая как желтые фильтры, и поскольку их оптическая плотность различна у разных людей, создают определенную вариабельность в наблюдателях.

Колбочки обеспечивают первую стадию цветового зрения, преобразуя спектральное распределение энергии на сетчатке в трехмерный сигнал, поступающий на обработку в высшие отделы ЗС. Такое преобразование является базисом метамеризма - фундаментального принципа колориметрии.

Численное соотношение колбочек важно для получения оппонентных сигналов, представляемых ЗС. Корректное моделирование оппонентных сигналов требует учета упомянутого соотношения, а пространственное

27

распределение палочек и колбочек и их латеральное взаимодействие критичны для спецификации размера стимула и его расположения на сетчатке.

Цветовое восприятие стимула, попавшего на центральную ямку сетчатки, отлично от восприятия стимула, попавшего на периферию. Пространственное взаимодействие в сетчатке, реализуемое горизонтальными и амакриновыми клетками, критично для тех механизмов, что отвечают за цветовое восприятие при изменении фона, окружения и уровня адаптации.

Кодирование цветовой информации через оппонентные каналы и адаптационные механизмы - это важная особенность ЗС человека, которая учитывается моделями цветового восприятия. Любая из моделей включает в себя стадию хроматической адаптации, стадию оппонентной обработки и функции нелинейного ответа. Некоторые модели включают в себя эффекты световой и темновой адаптации и взаимодействие между палочковой и колбочковой системами.

Наконец, достаточно сильно влияют на цветовое восприятие когнитивные механизмы зрения, такие, как цветовая память и обесцвечивание осветителя.

1.3Психофизические методы оценки восприятия ЗС

Психофизика - это наука, изучающая взаимоотношения между физически измеряемыми стимулами и ощущениями, вызываемыми этими стимулами. Отсюда результаты психофизических экспериментов относят к субъективным оценкам, отличающимся меньшей устойчивостью. И все же результаты психофизических экспериментов полезны и значимы.

1.3.1Два класса экспериментов со зрением

Эксперименты со зрением делятся на:

−эксперименты по определению порогов и соответствий, проводимые для измерения визуальной чувствительности к малым изменениям в стимуле (или в перцепционном равенстве);

−эксперименты по психометрическому шкалированию, предназначенные для выявления взаимоотношений между физическими и перцепционными величинами стимула.

Пороговые эксперименты подходят для измерения визуальной

выявляемости стимула и чувствительности к его изменениям. Пороговый эксперимент можно провести, к примеру, для экспертизы двух моделей цветового восприятия, дающих разные практические результаты, или, к примеру, для оценки качества алгоритма сжатия изображения и ответа на вопрос: действительно ли этот алгоритм не ведет к визуальным потерям?

Эксперименты по психометрическому шкалированию подходят для тех случаев, когда необходимо определить взаимоотношения между стимулами, к примеру: эксперимент по шкалированию может быть проведен с целью выявления численных взаимоотношений между визуальным качеством отпечатанного изображения и адресным разрешением принтера. В

28

моделировании цветового восприятия результаты экспериментов по психометрическому шкалированию используются для выявления взаимоотношений между физически измеряемыми колориметрическими величинами (к примеру, координаты МКО XYZ) и такими цветовыми атрибутами, как светлота, насыщенность и цветовой тон.

1.3.2Классификация шкал

Определены четыре вида шкал (в порядке возрастания математического смысла и сложности): номинальные, порядковые, интервальные и пропорциональные шкалы.

Номинальные шкалы сортируют объекты по имени. Номинальная шкала цветов состоит из категорий красных, желтых, зеленых, синих и нейтральных оттенков, и шкалирование в данном случае - это решение вопроса о том, какой цвет к какой категории отнести. В отношении номинальных данных может быть выполнено лишь их именование.

Порядковые шкалы - это шкалы, элементы которых расположены либо в возрастающей, либо в убывающей последовательности, основанной на большем или меньшем количестве специфического признака восприятия. Набор цветовых образцов можно рассортировать по цветовому тону, а затем в каждом диапазоне тонов образцы можно расположить от светлых к темным, например, неравноконтрастный набор образцов можно разложить так: три темно-, один средне- и два светло-синих образца. Если теперь пронумеровать образцы от одного до шести по мере возрастания их светлоты, то мы получим порядковую шкалу. Такая шкала не будет нести никакой информации о том, насколько один синий образец светлее другого, и очевидной будет лишь неравноконтрастность набора образцов. К порядковым шкалам применимы такие логические понятия, как «больше», «меньше» или «равно».

Интервальные шкалы имеют равные интервалы: шкала является интервальной, если, образцы в любой паре на любом участке шкалы отличаются на одно и то же значение; т.е., в интервальных шкалах отличия восприятия в парах равны между собой, но при этом у этих шкал нет нулевой отметки. Наряду со всеми логическими понятиями, применимыми к номинальным и порядковым шкалам, к интервальным шкалам применимы математические операции сложения и вычитания.

Примером интервальных шкал могут служить температурные шкалы Цельсия и Фаренгейта.

Пропорциональные шкалы обладают всеми свойствами приведенных шкал, но кроме того, у них есть нулевая отметка, благодаря которой на пропорциональной шкале можно уравнять соотношения значений. Пропорциональные шкалы, описывающие работу зрения, очень сложны, и подчас их просто невозможно получить, поскольку нередки случаи, когда существование обоснованной нулевой точки невозможно, к примеру: относительно легко создать интервальную шкалу для оценки качества изображения, но попробуйте вообразить изображение нулевого качества.

29

Можно верно построить шкалы цветового тона, но никакого психофизического смысла в нулевом цветовом тоне нет.

Все математические операции, применимые к интервальным шкалам, а также умножение и деление, применимы к шкалам пропорциональным.

1.3.3Пороговые методы

Пороговые эксперименты выполняются для выявления т.н. «едва воспринимаемых отличий» в стимулах - отличий, которые также называют «едва заметными отличиями» (JND). Пороговые методы используются также для измерения чувствительности наблюдателей к изменениям в одном стимуле. Абсолютные пороги определяются как едва воспринимаемое отличие между стимулом и его отсутствием, а пороги отличия представляют едва воспринимаемое отличие в стимулах, не равных нулю. Пороги описывают в физических единицах, используемых для измерения стимулов, к примеру: яркостный порог может быть измерен в единицах яркости кд/м2. Чувствительность - это величина обратная порогу, то есть низкий порог подразумевает высокую чувствительность.

Пороговые методы используются для определения т.н. визуальной толерантности, которая важна при оценке восприятия цветовых отличий.

Существует несколько видов пороговых экспериментов. Экспериментаторы стараются минимизировать возможность контроля результатов эксперимента наблюдателями, чтобы сократить влияние на результаты различных оценочных критериев наблюдателя (но добиться этого, как правило, удается за счет усложнения процедуры экспериментов).

Пороговые методы следующие: метод регулировки; метод пределов; метод постоянных стимулов.

Метод регулировки - это простейшая и наиболее прямая техника определения пороговых данных, в которой наблюдатель регулирует величину стимула и повышает ее от нулевого уровня до уровня начала восприятия (абсолютный порог), либо, в дальнейшем, до уровня появления едва заметного отличия в восприятии (порог отличия). Порог считается установленным, когда усреднены данные от одного или нескольких наблюдателей.

Метод регулировки хорош тем, что проводится легко и быстро, однако его недостаток состоит в подконтрольности стимула наблюдателю, что может исказить результаты за счет вариабельности субъективных критериев и адаптационных эффектов. Если наблюдатель подходит к порогу, что называется, сверху, то адаптация может вызвать увеличение порога, чего не произойдет при подходе к порогу снизу. Часто пороговый метод применяется для получения первичной оценки порога, которая в дальнейшем будет использована в значительно более сложных экспериментах.

Метод регулировки также используется в экспериментах сравнения, включающих в себя т.н. эксперименты ассиметричных соответствий (используются в изучении цветового восприятия).

30