4.4. Инерционность зрения и восприятие мельканий.

Зрительное ощущение вызывается световым импульсом не мгновенно, а через некоторое время после его начала, и, наоборот, световое ощущение продолжается и после окончания воздействия света. Свойство зрительной системы сохранять состояние покоя или работы в течение некоторого времени после начала или завершения воздействия светового импульса называется инерционностью зрения.

Рис.1.4.6 – К инерционности зрения

На рис. 1.4.6 показано соотношение между постоянным по яркости L прямоугольным световым импульсом и вызываемым им световым ощущением в виде светлоты W. Ощущение зрением светлоты основано на возбуждении светом в различной степени цветочувствительных рецепторов глаза одной, двух или одновременно трех зон спектра. Как видно из рисунка, ощущение светлоты возникает через некоторый момент времени ∆t после начала воздействия света. На такое же время смещено и начало спада светлоты. Кривая изменения светлоты во времени отчетливо делится на две части – одна описывает возрастание светлоты, а другая – ее спад в зависимости от времени. Обе части кривой по форме близки к экспоненте.

Сетчатка глаза, являясь частью мозга вынесенной на периферию, передает информацию в вышележащие зрительные отделы мозга не непрерывно, а как бы дискретными порциями. Нужно какое-то время, чтобы в слоях сетчатки накопилась необходимая для формирования сигнала энергия и сформировался сам импульсный сигнал изображения объекта – «кадра». Это время приблизительно равно 0,1 с (10 Гц-овая тактовая частота палочкового зрения - по теории Л.Ф. Артюшина). Т.е. в течение такого времени происходит основное накопление энергии в сетчатке. Такое накопление, или, как его часто называют, временная суммация, имеет место не только в зрительной системе. Этим свойством обладает и слуховая система, и даже тактильная система, отвечающая за осязание. Во всех случаях время накопления, так называемая критическая длительность, имеет тот же порядок и составляет около 0,1 с. Кроме того, после тщательного анализа электрической активности мозга, было установлено, что это строго определенный периодический процесс. С процессом накопления энергии непосредственно связана инерция зрения. Из-за нее происходит смазывание изображений при быстром движении в поле зрения. Размываются границы предметов, сливаются детали объектов за окном поезда, возникает световой шлейф за источниками света. Пока время накопления не превышает критической длительности, зрительное ощущение зависит от произведения яркости объекта на время наблюдения, т. е. от энергии.

Так как информация передается из сетчатки в мозг дискретно во времени, то если так же дискретно подавать ее на сетчатку – вход зрительной системы, то в мозгу при обработке такой информации возникает ощущение слитности. Частот входного светового сигнала до 10 Гц следует избегать, так как в этом случае между периодическими внешними световыми импульсами и близкими по частоте отсчетами в зрительном анализаторе возникает интерференция, ведущая к дискомфортному восприятию изображения и возникновению, например, таких побочных ощущений как состояние усталости, тревоги. Но уже частота кадросмен, равная 16 Гц, как показал опыт «немого» кино, а тем более 24 Гц, до которой довели частоту кинопроекции из-за необходимости повышения информационной емкости оптической фонограммы на кинопленке (при переходе к звуковому кино появилась необходимость улучшения воспроизведения высоких частот в аудиосигнале), вполне достаточны для передачи изображения слитного движения объекта дискретными отсчетами. В телевидении приняли частоту кадросмен 25 Гц, поскольку удобно иметь частоту кадров кратную частоте питающего переменного напряжения (50 Гц), чтобы избежать сетевых помех. В некоторых странах, например в США и Японии, частота переменного тока 60 Гц и, соответственно, частота кадросмен 30 Гц. Это – одна из причин различия между основными стандартами телевизионного вещания.

Следствием зрительной инерции является слитное восприятие последовательности световых сигналов при их достаточной частоте. Если через достаточно малое время вслед за первым световым сигналом последует второй (пунктирные линии на рис.1.4.6), то вызванное им ощущение в той или иной мере сольется с первым. Чем меньше промежуток времени, разделяющий сигналы, тем менее прерывисто световое ощущение. При некоторой частоте, когда падение светлоты ∆W не превосходит порогового значения, последовательность световых сигналов воспринимается как один непрерывный. Частота, обеспечивающая непрерывное зрительное восприятие прерывистых сигналов, называется критической частотой слияния мельканий.

Изображения движущихся объектов воспроизводятся в кино и телевидении именно последовательностью дискретных кадров – световых сигналов. Если бы не было такого технического решения, то не было бы ни кино, ни телевидения. Причины, сделавшие возможной такую замену непрерывного движения дискретными отсчетами во времени, обусловлены как раз инерционностью зрения, поскольку зрительный образ сохраняется в сознании некоторое время после того, как прекратилось действие света. Этот зрительный образ называется последовательным. Его возникновение объясняется тем, что продукты фотораспада зрительного пигмента восстанавливаются не сразу после прекращения освещения сетчатки и отрицательные ионы продолжают давать импульсы тока, приводящие к возникновению зрительного ощущения.

Критическая частота слияния мельканий зависит от размеров мелькающей площадки, а также от амплитуды изменения яркости. При кинопроекции критическая частота мельканий составляет 48 Гц и ее получают благодаря двойной обтюрации проецируемого изображения одного кадра при общепринятой частоте кадросмен 24 кадр/с. В телевидении роль обтюрации играет передача изображений по полям: сначала передаются нечетные строки данного кадра, потом на время обратного хода луча поступает гасящий сигнал, экран затемняется, а затем передают четные строки того же кадра, снова гасящий сигнал и т. д., т.е. происходит черезстрочная развертка. В результате возникает мелькание с частотой 50 Гц вдвое превышающей частоту ТВ-кадров. Такая критическая частота слияния мельканий практически остается неизменной при непрерывном просмотре в течение около 2 часов. Изображение будет казаться зрителю более «спокойным», что в свою очередь ведет к снижению фактора утомляемости, если повысить частоту полей, например, до 75-100 Гц при той же частоте кадров 25 Гц. В некоторых ТВ-системах с прогрессивной разверткой, оба поля ТВ-кадра содержат все строки (и четные, и нечетные), но повторяются дважды, обеспечивая частоту кадров также 25 Гц.