Luciv / МКОИ_пособие

Метод пределов сложнее, чем метод регулировки. В методе пределов экспериментатор в порядке возрастания (или убывания) предъявляет стимулы с предопределенным дискретным уровнем интенсивности.

Для возрастающего ряда экспериментатор предъявляет стимулы, начиная с гарантированно невоспринимаемого, и просит наблюдателей отвечать «да», если они восприняли стимул, и «нет», если не восприняли. Если они отвечают «нет», экспериментатор повышает интенсивность стимулов и начинает новое испытание, и так продолжается до тех пор, пока наблюдатели не скажут «да».

Для убывающего ряда начинают со стимула той интенсивности, при которой он устойчиво воспринимается, и понижают ее до тех пор, пока наблюдатели не скажут «нет», - это значит, что они перестали воспринимать этот стимул.

Порог считается установленным, когда усредненное значение интенсивности стимула при переходе от «да» к «нет» (или от «нет» к «да») получено для определенного номера из возрастающего или убывающего рядов. Усреднение результатов рядов обоих типов сводит к минимуму влияние эффектов адаптации, однако же наблюдатели все еще находятся под властью личных критериев выбора, поскольку могут ответить «да» или «нет» по собственному усмотрению.

В методе постоянных стимулов экспериментатор выбирает несколько уровней интенсивности стимула (обычно от 5 до 7), лежащих вокруг уровня порога. Каждый стимул в случайном порядке много раз предъявляется наблюдателю, а по окончании испытания определяется частота восприятия стимулов каждого из уровней интенсивности. По полученным данным может быть построена т.н. кривая частоты наблюдения, то есть психометрическая функция, позволяющая определить как сам порог, так и его колебание. Порог считается установленным, когда стимул каждой интенсивности воспринят по меньшей мере в 50% случаев.

1.3.4Методы сравнения

Методы сравнения подобны пороговым методам, но отличаются от них своей задачей - она состоит в выявлении визуального равенства двух стимулов, что иногда бывает полезным в оценке порогов.

Эксперименты сравнения - это базис колориметрии МКО, в которой метамерные равенства используются для получения т.н. функций цветового соответствия (color matching functions): к примеру, если данный цветовой стимул визуально соответствует аддитивной смеси первичных красного, зеленого и синего световых потоков, и спектральное распределение смеси при этом не идентичного спектральному распределению тестируемого цветового стимула, то соответствие считается метамерным. Физические параметры таких соответствий могут быть использованы для получения т.н. фундаментальных чувствитель-ностей ЗС человека и для создания системы трехстимульной колориметрии. Применяется два метода сравнения: асимметричное соответствие и сравнение по памяти.

31

Асимметричное соответствие - это цветовое соответствие, полученное путем некоторого изменения условий просмотра: к примеру, стимул, рассматриваемый при дневном свете, может визуально соответствовать другому стимулу, рассматриваемому при свете ламп накаливания, благодаря чему можно получить пару стимулов, идентичных по цветовому восприятию при данных изменениях в условиях просмотра. Такие данные могут использоваться для создания и тестирования моделей цветового восприятия, разрабатываемых с целью учета изменений в условиях просмотра.

Отдельным вариантом эксперимента на асимметричное соответствие является т.н. гаплоскопический эксперимент, при котором в один глаз попадает тестируемый стимул при одних условиях просмотра, а в другой глаз одновременно попадает стимул сравнения при других условиях просмотра: наблюдатель одновременно видит оба стимула и производит уравнивание.

При сравнении по памяти наблюдатель производит уравнивание с предварительно запоминаемым цветом. Обычно эти соответствия, которые также являются асимметричными, используются для изучения зависимости восприятия от условий просмотра. Иногда сравнение по памяти создает т.н. ментальный стимул, как, например, идеальный ахроматический (серый) или стимул с однозначным цветовым тоном (к примеру, однозначный красный без синего или желтого компонентов).

1.3.5Методы получения информации от наблюдателей

Психометрические функции могут быть получены для любого отдельного наблюдателя (через множественные испытания) или для группы наблюдателей (одно или несколько испытаний на наблюдателя). Существует три метода получения информации от наблюдателей: метод «да - нет» (или «зачет - не зачет»); метод принудительного выбора, ступенчатый метод.

Метод «да - нет». При данном методе наблюдателей просят ответить «да», если они распознают стимул (или изменения в стимуле), и «нет», если не распознают. Психометрическая функция в данном случае - это процент ответов «да» как функция от интенсивности стимула, а 50% ответов «да» толкуется как уровень порога. Альтернативно данный метод может быть использован для измерения визуальных допусков над порогом, обеспечивающим эталонную интенсивность стимула, к примеру, цветовое отличие в фиксированной паре: наблюдателей просят зачесть стимул, если его интенсивность представляется ниже эталонной (допустим, малое цветовое отличие), и не зачесть его, если интенсивность - выше эталонной (скажем, большое цветовое отличие). Психометрическая функция в данном случае - это процент незачетных ответов как функция от интенсивности стимула, а 50% незачетов считается точкой визуального равенства стимулов.

Метод принудительного выбора устраняет влияние различных наблюдательских критериев на результаты эксперимента, что достигается предъявлением стимула в одном из двух пространственных (либо временных) интервалов: наблюдателей просят установить, в каком из двух интервалов стимул был предъявлен. Наблюдателям не разрешается отвечать,

32

что стимул не был предъявлен вообще, и, если они сомневаются, их вынуждают предположить, в каком из двух интервалов был предъявлен стимул (отсюда и название метода). Психометрическая функция в данном случае - это процент верных ответов как функция от интенсивности стимула, а область изменения функции - это диапазон от 50% верных ответов, данных на основании предположения, до 100% верных ответов, данных на основании уверенного выявления стимула той или иной интенсивности. Порог в данном случае определен как интенсивность стимула, при которой наблюдатели ответили правильно в 75% случаев и, следовательно, распознали стимул в 50% случаев. Пока наблюдатели отвечают честно, их личные критерии не могут повлиять на результаты эксперимента.

Ступенчатый метод - это модифицированный метод принудительного выбора, который служит для выявления пороговой точки на психометрической функции. Ступенчатые методы используются только тогда, когда предъявление стимула может быть полностью автоматизировано. Стимул предъявляется, а наблюдатель отвечает, что его распознал: если ответ верный, стимул той же интенсивности предъявляется вновь; если ответ неверный, то интенсивность стимула повышается. Если наблюдатель правильно отвечает при трех последовательных тестах, то интенсивность стимула понижается. Интенсивность стимула понижается пошагово до тех пор, пока не будет достигнута желаемая точность в определении порога. Последовательность из трех правильных (или неправильных) ответов, которая привела к изменению интенсивности стимула, в результате дает конвергенцию интенсивностей стимулов, верно определенных в 79% тестов (0.7933=0.5), то есть очень близко к номинальному пороговому уровню (75%).

Зачастую несколько независимых друг от друга ступенчатых методов используются одновременно, чтобы, как говорят, рандомизировать эксперимент (то есть придать ему случайный характер). Ступенчатый метод также можно реализовать при помощи ответов «да - нет».

При постановке психофизических экспериментов возникает ряд проблем, ощутимо влияющих на результаты этих экспериментов, в частности, в исследовании цветового восприятия. Важнейшими факторами, которые необходимо учитывать в экспериментах со зрением, являются следующие: возраст наблюдателя, жизненный опыт наблюдателя, количество наблюдателей, отсев по аномалиям цветового зрения, сообразительность наблюдателя, инструкции, контекст, обратная связь, уровень освещения, цвет освещения, фоновые условия, условия окружения, контроль и мониторинг глазных движений, адаптация, сложность наблюдательской задачи, контроль результатов наблюдателем, частота повторов, диапазон эффектов, содержание изображения, число изображений, продолжительность наблюдательской сессии, мотивация наблюдателя, когнитивные факторы, статистическая значимость результатов.

Все перечисленные (и многие другие) параметры оказывают существенное влияние на психофизические результаты и должны быть

33

тщательно описаны и/или проконтролированы. Учет всех этих факторов необходим как при выполнении экспериментов, так и при интерпретации и практическом применении их результатов в той или иной области.

Выводы

Психофизические эксперименты дали нам большую часть знаний о ЗС человека.

Эксперименты со зрением делятся на два больших класса: эксперименты по определению порогов и соответствий, проводимые для измерения визуальной чувствительности к малым изменениям в стимуле; эксперименты по психометрическому шкалированию, предназначенные для выявления взаимоотношений между физическими и перцепционными величинами стимула.

Для оценки экспериментальных данных определены четыре вида шкал: номинальные, порядковые, интервальные и пропорциональные шкалы. Номинальные шкалы позволяют выполнить только именование данных. Порядковые шкалы позволяют расположить данные в возрастающей, либо в убывающей последовательности, основанной на большем или меньшем количестве признака. Интервальные шкалы позволяют расположить данные равномерно по шкале, но у этих шкал нет нулевой отметки. Пропорциональные шкалы - интервальные шкалы, но с нулевой отметкой.

Для измерения визуальной чувствительности к малым изменениям в стимуле применяются следующие пороговые методы: метод регулировки; метод пределов; метод постоянных стимулов.

Для выявления визуального равенства двух стимулов разработаны методы сравнения.

Результаты психофизических экспериментов зависят от методов получения информации от наблюдателя и многих факторов, обусловленных как физиологическими и психическими особенностями наблюдателя, так и условиями проведения эксперимента.

1.4Колориметрия

Колориметрия - это основа системы научного описания феномена цветового восприятия. В данной главе будет дан обзор твердо устоявшейся практики колориметрии, согласованной с принятой в 1931 г. системой МКО. Система МКО позволяет детально описывать цветовые соответствия только для некоего среднего наблюдателя, но при этом она остается действующим международным стандартом более 70 лет (Райт, 1981; Фершильд, 1993). Однако колориметрия МКО - это лишь отправная точка: в направлении прогнозов фактического восприятия стимулов при различных условиях просмотра систему МКО расширяют модели цветового восприятия, не ограничиваясь при этом лишь ответом на вопрос: соответствуют ли стимулы друг другу по восприятию или нет?

34

1.4.1Базовая колориметрия

Колориметрия занимается цветовыми измерениями. Вышецкий (1973) указал на существенное различие между основной и высшей колориметриями.

Базовую колориметрию Вышецкий (1973) описывает так: «Колориметрия в строгом смысле - это инструмент прогнозирования того, будут ли соответствовать друг другу по цвету два световых потока (визуальных стимула) с разным спектральным распределением энергии при заданных условиях наблюдения. Прогноз определяется трехстимульными значениями двух визуальных стимулов, и если трехстимульные значения у одного стимула точно такие же, как и у другого, - цветовое соответствие будет констатировано усредненным наблюдателем с нормальным цветовым зрением».

Высшую колориметрию Вышецкий описывает следующим образом: «Колориметрия в более широком смысле включает в себя методы оценки восприятия цветового стимула, предъявленного наблюдателю в сложном окружении, которое мы наблюдаем в повседневной жизни. Оценку восприятия считают конечной целью колориметрии, но из-за своей невероятной сложности эта цель очень далека от своего достижения. С другой стороны, некоторые аспекты общей проблемы прогнозирования цветового восприятия стимулов не кажутся столь неуловимыми: известные примеры - измерение цветовых различий, белизны и хроматической адаптации (хотя по большому счету и эти проблемы все еще не решены, и дальнейшая работа в этих областях весьма интересна и практически важна)».

Рассмотрим основные положения базовой колориметрии и некоторые методы измерения цветовых отличий, которые закладывают фундамент моделей цветового восприятия.

Прежде чем начинать разговор о цветовых измерениях, необходимо рассмотреть саму природу цвета.

Цвет - это атрибут зрительного ощущения, и результат цветового восприятия объектов зависит от трех компонентов. Первый компонент - это источник видимой электромагнитной энергии, необходимой для запуска сенсорного процесса зрения. Второй компонент – объект. Энергия модулируется физическими и химическими свойствами объекта. Третий компонент – ЗС. Модулированная энергия попадает в глаз, обнаруживается фоторецепторами и обрабатывается нейронными механизмами ЗС человека, организуя наше цветовое восприятие. Отметим, что источник света и ЗС тоже связаны, дабы подчеркнуть влияние самого источника на цветовое восприятие через механизм хроматической адаптации и другие.

Поскольку для возникновения цвета необходимы все три компонента, то для создания надежной системы физической колориметрии эти компоненты должны быть определены количественно.

Источники света количественно описаны спектральным распределением их энергии и стандартизованы как осветители. Материальные объекты

35

описываются их геометрией и спектральным распределением энергии излучения, отраженной от них или пропущенной ими.

ЗС человека количественно описана через ее способность к выявлению цветовых соответствий. Эта способность представляет собой т.н. первичный ответ (колбочковое поглощение) ЗС.

1.4.2Стандартные излучения и источники света

Первым компонентом является источник света, поскольку именно источники света испускают электромагнитную энергию, необходимую для возбуждения визуальных ответов.

Спецификация цветовых свойств источников света выполняется двумя путями: путем измерения и путем стандартизации.

Источники света - это физический излучатель лучистой энергии. Лампы накаливания, солнце, небо и флуоресцентные трубки - примеры источников света.

Стандартные излучения - это стандартизованные таблицы значений, представляющих спектральное распределение энергии, попадающей на исследуемый объект. Это излучение не обязательно может быть получено от одного источника. Стандартные излучения МКО: A, D65 и F2 - это стандартизованное представление типичных «вольфрамового» (лампы накаливания), дневного и флуоресцентного источников света соответственно. Другие стандартные излучения не имеют соответствующих им источников света, например: стандартное излучение МКО D65это статистическое представление усредненного дневного света с коррелированной цветовой температурой приблизительно 6500 К.

Поскольку чаще всего между спектральным распределением энергии стандартного излучения МКО и источником, его имитирующим, возникает существенная разница, в колориметрических вычислениях для стимулов, участвующих в описании цветового восприятия, должно использоваться фактическое спектральное распределение энергии источника света.

1.4.3Полный излучатель

Идеальным тепловым излучателем является т.н. абсолютно черный излучатель (абсолютно черное тело, излучатель Планка), отдающий энергию только за счет нагрева (рис. 1.13) [5].

Спектральная плотность энергии излучения абсолютно черного излучателя определяется уравнением Планка как функция от единственной переменной - абсолютной температуры по Кельвину:

M λ = c1λ−5 (ec2 / λT − 1), Втм3 ,

постоянная Планка; k = 1,380662E10−23 , Дж/K, постоянная Больцмана; λ - длина волны, м; T – температура абсолютно черного тела, К; e = 2,718228.

36

Рисунок 1.13 Абсолютно черное тело

Пересчет между температурными шкалами осуществляется по формулам:

[°C ] = [K ] − 273,15 ; [°F ] = 9 / 5[K ] − 459,67 .

Таким образом, если известна абсолютная температура черного тела - известно спектральное распределение излучаемой энергии.

Температура черного тела называется его цветовой температурой, поскольку она однозначно определяет цвет такого источника. Абсолютно черные излучатели редко встречаются вне специализированных лабораторий, показатель цветовой температуры малополезен и чаще используется другой показатель - коррелированная цветовая температура.

Источник света не обязательно должен являться абсолютно черным излучателем, чтобы ему могла быть присвоена коррелированная цветовая температура (Correlated Color Temperature). Коррелированная цветовая температура (КЦТ) источника света - это цветовая температура абсолютно черного излучателя, при которой его цвет ближе всего к цвету исследуемого источника, например: лампы накаливания могут иметь КЦТ 2800 К, типичная флуоресцентная трубка - 4000 К, усредненный дневной свет - 6500 К, белая точка компьютерного графического дисплея - 9300 К. Если коррелированная цветовая температура источника растет, он будет синее; если падает - краснее. По КЦТ источника света можно определять его цветность (u,v) и наоборот, как показано в [6].

1.4.4Стандартные излучения МКО

МКО рекомендует несколько стандартных излучений, предназначенных для колориметрии: А, С, D65, D50, F2, F8 - F11.

Стандартное излучение А представляет собой планковский излучатель с цветовой температурой 2856 К и используется для колориметрических вычислений, когда нас интересует освещение лампами накаливания.

37

Стандартное излучение С - это спектральное распределение стандартного излучения А, модифицированное специфическими жидкостными фильтрами, утвержденными МКО, и представляющее собой имитатор дневного света с КЦТ порядка 6770 К.

Излучения D65 и D50 входят в D-серию стандартных излучений, которые основаны на статистике большого числа измерений реального дневного света. Стандартное излучение D65 представляет собой усредненный дневной свет с КЦТ 6504 К, a D50 - усредненный дневной свет с КЦТ 5003 К. D65, как правило, используется в колориметрии, D50 - в полиграфии.

Стандартные излучения F (их 12) представляют собой типичные спектральные распределения флуоресцентных источников различных видов. Стандартное излучение F2 представляет собой «холодный» флуоресцентный белый с КЦТ 4230 К, F8 - это флуоресцентный имитатор D50 с КЦТ 5000 К, a F11 - трехполосный флуоресцентный источник с КЦТ 4000 К. Трехполосные флуоресцентные источники очень популярны - они производительны, эффективны и отличаются зрительнокомфортным цветовоспроизведением.

Стандартное равноэнергетическое излучение (иногда его называют стандартным излучением Е) весьма удобно для математических расчетов, потому что ему назначено относительное спектральное распределение энергии, равное 100 по всем длинам волн.

1.4.5Цвет материальных объектов

Когда источник света (или стандартное излучение) известен, то следующий шаг в колориметрии материальных объектов - это характер взаимодействия объектов с видимой лучистой энергией. Существует лишь три варианта взаимодействия лучистой энергии с материальными объектами: поглощение, отражение и пропускание. Такое взаимодействие подчиняется закону сохранения энергии, то есть сумма поглощенной, отраженной и пропущенной лучистой энергии должна быть равна сумме

падающей энергии, согласно уравнению

Φ(λ ) = R(λ ) + T (λ ) + A(λ ),

где Φ(λ ) - это поток лучистой энергии, R(λ ) - отраженный поток, T (λ ) - пропущенный поток и A(λ ) - поглощенный поток.

Отражение, пропускание и поглощение - это явления, возникающие при взаимодействии света с веществом. Способности к отражению, пропусканию и поглощению - это измеряемые величины, описывающие данное взаимодействие, но поскольку эти величины в сумме всегда должны быть равны падающему потоку, обычно их измеряют в относительных (в долях от падающего потока), а не в абсолютных фотометрических величинах, для чего используются спектральные коэффициенты. Таким образом, спектральный коэффициент отражения определяется как отношение отраженной энергии к падающей; спектральный коэффициент пропускания - как отношение пропущенной энергии к падающей; и спектральный коэффициент поглощения - как отношение поглощенной энергии к

38

падающей. Спектральные коэффициенты выражают в виде процентов (0- 100%) или долей (0-1,0).

В колориметрии при анализе взаимодействия лучистой энергии с объектами учитывается геометрия освещения и просмотра. Сказанное можно проиллюстрировать явлением глянца: представьте себе матовый, полуглянцевый и глянцевый фотоотпечатки или рисунки - различную степень глянца этих материалов можно отнести на счет геометрического распределения зеркального коэффициента отражения поверхности объекта.

Вот один из примеров влияния геометрических эффектов на восприятие: существует множество вариантов покраски автомобилей, дающих различные интересные изменения в цвете при изменении освещения и геометрии наблюдения - «металлик», «жемчуг» и прочие «эффектные» покрытия. Для полного количественного описания этих эффектов строятся т.н. функции двунаправленного распределения коэффициента отражения или пропускания (bidirectional reflectance distribution functions), которые должны быть получены для каждой возможной комбинации угла освещения, угла наблюдения и длины волны. Измерение таких функций невероятно сложно, очень дорого и создает огромный массив данных, который, в свою очередь, трудно обработать: поэтому, чтобы избежать переизбытка данных, для колориметрии было определено строго ограниченное количество стандартных вариантов геометрий освещения и наблюдения.

1.4.6 Рекомендации МКО по условиям освещения и наблюдения

В свое время для спектрометрических измерений на отражение МКО определила четыре стандартных вида геометрии освещения и четыре стандартных вида геометрии наблюдения, которые позиционированы как две пары оптически обратимых конфигураций: рассеянный/ нормаль (d/0) и нормаль/ рассеянный (0/d); 45/ нормаль (45/0) и нормаль/ 45 (0/45). Вначале указывается геометрия освещения, а затем (через дробь) - геометрия наблюдения (рис.1.14) [7].

При d/0-геометрии образец освещен под всеми углами с помощью т.н. фотометрического шара и рассматривается по нормали к поверхности или под углом близким к ней.

При 0/d-геометрии образец освещен по нормали (или под углом близким к ней), а отраженная энергия собирается со всех углов с помощью фотометрического шара. Оба вида геометрии взаимно обратимы и поэтому дают одинаковые результаты (при условии, что все прочие инструментальные параметры неизменны).

Отметим, что измерения по описанным вариантам геометрии производятся только на отражение и у многих приборов в той области фотометрического шара, которая отвечает за угол зеркального (прямого) отражения освещения при 0/d-геометрии (или же за угол, при котором зеркальное отражение возникает при d/0-геометрии), установлена

39

специальная черная ловушка, исключающая зеркальный компонент отражения, благодаря чему измеряется только диффузный коэффициент отражения. Такие измерения называют «измерениями с исключенным зеркальным компонентом» (в противоположность измерениям с «включенным зеркальным компонентом», то есть выполненным без использования черной ловушки).

Рисунок 1.14 Стандартные условия наблюдения и освещения

45/0- и 0/45-геометрии измерения. Вторая пара вариантов геометрии измерения - это 45/нормаль (45/0) и нормаль/45 (0/45). При 45/0-геометрии образец освещен одним или несколькими источниками света, падающего под углом 45° к нормали, а измерения производятся по нормали. При 0/45геометрии образец освещен по нормали к поверхности, а измерения проводятся под углом 45° одним или несколькими датчиками.

И вновь геометрии взаимно обратимы и дают одинаковые результаты независимо от конструкции приборов. Использование геометрий 45/0 и 0/45 гарантирует, что все компоненты глянца исключены из измерений, и поэтому данные варианты геометрии измерения используются в тех ситуациях, при которых требуется сравнение цветовых стимулов, получаемых от поверхностей с разным уровнем глянца (например, в полиграфии и фотографии). Отметим, что при получении колориметрических данных от различных материалов крайне важно обращать внимание на геометрию инструмента.

Определение коэффициента отражения как отношения отраженной энергии к падающей полностью подходит к измерениям коэффициента полного отражения (d/0 или 0/d), однако для двунаправленных измерений коэффициента отражения (45/0 и 0/45) отношение отраженной энергии к падающей исключительно маленькое (так как отраженная энергия регистрируется в малом диапазоне углов), поэтому для получения значений, пригодных для практического использования, при обоих вариантах двунаправленной геометрии измерения коэффициент

40