516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 1.9. Распределение яркости в плоскости изображения

Если этот критерий, введенный Рэлеем, применить для оценки угла разрешения глаза, то получим δmin r0 /f = 1,22(λ/D). Для λ = 500 нм, D = 5 мм имеем δmin = 0,03 . Это значение условно может быть принято за теоретический предел разрешающей способности глаза, определяемый волновой природой света.

При рассмотрении вопроса о влиянии дискретной структуры сетчатки на разрешающую способность глаза в первом приближении можно считать, что для различения двух деталей изображения необходимо, чтобы расстояние между ними в плоскости изображения было не менее диаметра рецептора (между двумя возбужденными должен быть по крайне мере один невозбужденный рецептор). В желтом пятне сетчатки глаза расстояние между центрами смежных колбочек составляет около 2 мкм, следовательно, расстояние между возбужденными рецепторами r0 должно составлять не менее 4 мкм. Если учесть геометрию глазного яблока, то можно показать, что это расстояние на сетчатке соответствует углу разрешения δmin 0,06 .

Следует заметить, что в случае, когда расстояние между двумя точками на сетчатке меньше диаметра рецептора, эти точки все же могут быть различимы, так как интенсивность возбуждения этого рецептора меньше, чем смежных. Эксперименты подтверждают, что минимальный темный промежуток, регистрируемый глазом, может соответствовать углу, значительно меньшему, чем 0,06 .

Рассматривая вопрос о влиянии структуры сетчатки на разрешающую способность, следует иметь в виду, что размер светочувствительного элемента сетчатки лишь в предельном случае определяется размером рецептора. По мере удаления от центральной части сетчатки плотность рецепторов падает, а их диаметр увеличивается. Поэтому минимальное расстояние между оптическим изображением двух точек на сетчатке глаза, чтобы точки наблюдались раздельно, увеличивается от центра глаза к его периферии (см. рис. 1.2). В соответствии с этим изменяется и острота зрения в пределах сетчатки глаза. В процессе преобразования светового раздражения в нервное возбуждение при малых освещенностях объекта полезный сигнал становится соизмеримым с помехами (темновые шумы сетчатки, которые вызываются спонтанным разложением зри-

тельного пурпура, флуктуации поглощенного светового потока и др.) В этом случае вступает в действие механизм пространственного суммирования возбуждений – от нескольких рецепторов, что приводит к увеличению полезного сигнала. Размер эквивалентного светочувствительного элемента, интегрирующего по площади изображения световое воздействие, возрастает, образуется так называемое рецептивное поле. В этом случае разрешающая способность, естественно, определяется размерами рецептивных полей. По мере дальнейшего уменьшения освещенности размеры рецептивных полей увеличиваются, что приводит к падению разрешающей способности.

Палочки, являющиеся рецепторами ночного зрения, расположены по сетчатке реже, чем колбочки, являющиеся рецепторами дневного зрения. Поэтому при малой освещенности, когда работает палочковый аппарат, острота зрения мала и глаз не различает мелких предметов, а крупные имеют нерезкие очертания. С увеличением освещенности по мере вступления в работу колбочкового аппарата и сокращения рецептивного поля острота зрения растет. При достижении определенной освещенности рост остроты зрения прекращается, так как размеры рецептивного поля достигают своей минимальной величины. Однако только анатомические размеры колбочек в полной мере не определяют остроту зрения, на нее влияют также искажения, вносимые оптической системой глаза, в результате чего может быть снижена четкость оптического изображения уже на сетчатке глаза.

В реальных условиях наблюдения изображения разрешающая способность глаза в значительной мере определяется влиянием хроматической аберрации в хрусталике, механизм влияния которой не отличается от механизма влияния хроматической аберрации на разрешающую способность оптических приборов.

Острота зрения зависит также от контрастности K воспринимаемых деталей по отношению к фону изображения (Kдет = Lдет/Lф, где Lдет – яркость отдельных деталей изображения), а также яркости фона (Lф) [4].

При уменьшении контрастности Kдет и яркости фона острота зрения снижается (рис. 1.10, кривые а). Иную зависимость имеет острота зрения при наблюдении ярких деталей на темном фоне. В этом случае при увеличении яркости фона острота зрения вначале быстро растет и достигает максимума уже при Lф 2 кд/м2, а затем монотонно снижается (рис. 1.10, кривая б). Такой вид зависимости объясняется светорассеянием в глазной среде, называемым иррадиацией. Наличие иррадиации приводит как бы к расширению («расползанию») размеров белых деталей и сужению черных. Например, белая полоса на темном фоне всегда кажется шире, чем такая же черная полоса на белом фоне. Поэтому при наблюдении черных точек белый промежуток между ними «расползается», и оказывается его можно сделать меньшим, то есть острота зрения в этих условиях наблюдения возрастает. При рассматривании белых точек на черном фоне «расползаются» сами точки, и промежуток субъективно уменьшается. Чтобы точки были заметными, необходимо расстояние между ними увеличивать, то есть острота зрения при этом уменьшается.

Рис. 1.10. Зависимости остроты зрения от контрастности воспринимаемых деталей по отношению к фону при различных значениях яркости фона

Зависимости угла разрешения глаза от яркости изображения для различных значений относительного разностного порога п отдельных деталей испытательной таблицы в виде ступенчатого клина приведены на рис. 1.11. При яркости 100 кд/м² и предельном контрасте изображения ступенчатого клина угол разрешения достигает 0,75…1 . Если δmin = 1 , то острота зрения Sзр равна единице. Эта величина обычно принимается врачами в качестве нормы для остроты зрения, хотя у отдельных лиц этот угол бывает в несколько раз меньше.

Из-за неоднородности структуры сетчатки данное значение остроты зрения справедливо только для области желтого пятна. По мере удаления от центра разрешающая способность глаза постепенно уменьшается.

Приведенное выше значение остроты зрения справедливо только для чер- но-белых изображений и значительно отличается для цветных изображений. В табл. 1.2 приведены данные остроты зрения для некоторых сочетаний цветов относительно черно-белого изображения.

Рис. 1.11. Зависимости остроты зрения от яркости при рассматривании отдельных элементов испытательной таблицы в виде ступенчатого клина

Из приведенной таблицы видно, что разрешающая способность глаза неодинакова для различного сочетания цветов и для любого из них она ниже, чем для черно-белого, то есть когда элементы изображения различаются между собой только по яркости, а не по цвету.

Например, размер различаемых, как цветные, красных деталей на зеленом фоне и зеленых на синем фоне соответственно в 2,5 и 5 раз больше размера черных деталей на белом фоне. Более мелкие цветные детали для глаза будут казаться серыми, и они будут отличаться друг от друга только в случае, если имеют различную яркость.

Цветовосприятие неодинаково также по полю зрения. По мере перемещения на периферию сетчатки наблюдается постоянное обесцвечивание синезеленых и пурпурно-малиновых оттенков, переход к двухкомпонентному зрению с основными цветами – синим и желтым – и к ахроматическому.

На практике характеристики остроты зрения глаза являются основой для расчетов разрешающей способности телевизионных систем.

1.5. Инерционность зрительного ощущения и восприятия мерцающих изображений

Возникновение и прекращение фотохимической реакции в светочувствительных элементах сетчатки глаза после начала и окончания воздействия на них импульса света происходят не мгновенно, а в течение некоторого времени, чем обусловливается наличие зрительной инерции.

Пороговое ощущение при воздействии светового раздражения определяется, в конечном счете, общим числом квантов света, поглощенных площадью рецептивного поля. При фиксированной интенсивности раздражения это число зависит от площади рецептивного поля и времени воздействия света. Следовательно, между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения проходит некоторое время, называемое временем ощущения (зрительной инерцией).

Для возникновения зрительного ощущения при условии фиксированной площади рецептивного поля необходимо, чтобы произведение светового потока Ф, вызывающего раздражение, на время воздействия τ (экспозиция) достигло определенного порога

Фτ = const.

Если Ф в течение времени воздействия не постоянен, то данное соотношение можно представить в виде:

Выражение (1.7) устанавливает связь между временем воздействия τ и характером изменения величины Ф(t). Эксперименты показывают, что это соотношение лишь количественно описывает наблюдение явления в ограниченном диапазоне времени τ < τкр. В действительности продолжительность времени ощущения зависит от интенсивности света, уровня адаптации глаза, спектрального состава света и других факторов. Например, зависимость времени ощущения от яркости наблюдаемых объектов, построенная на основе экспериментальных данных, приведена на рис. 1.12. Для обычно встречающихся условий наблюдения время нарастания зрительного ощущения около 0,1 с. При этом ощущение от красного цвета нарастает быстрее всего, а от синего – наиболее медленно. При увеличении яркости светового импульса время нарастания ощущения уменьшается и наоборот. Заметим, что при прекращении раздражения для исчезновения ощущения также требуется некоторое время.

Наличие инерционности глаза обеспечивает слитное восприятие (отсутствие мельканий) серии импульсов света, если их частота выше определенной величины. Минимальная частота световых импульсов, при которой достигается слитное восприятие, называется критической частотой мельканий. Слитное восприятие импульсов наблюдается при условии, если величина изменения восприятия Е меньше разностного порога чувствительности глаза для данной средней яркости. В телевизионном изображении это обеспечивается при спаде яркости импульса в пределах 2%.

Поэтому критическая частота мельканий подчиняется общему психофизическому закону, и выражается эмпирическим уравнением Айвса-Портера:

fкр = algL + b,

где а и b – параметры уравнения.

Для яркостей, не превышающих 500…1000 кд/м2 мелькающего белого света и скважности импульсов 0,5, с достаточной для практики точностью можно считать а = 10 и b = 30. В этом случае зависимость критической частоты мельканий fкр от яркости световых импульсов L иллюстрируется рис. 1.13.

Рис. 1.12. Зависимость времени ощущения от яркости наблюдаемых объектов

Рис. 1.13. Зависимость критической частоты мельканий от яркости мигающего источника света

Рис. 1.14. Зависимость коэффициентов a, b от величины скважности световых импульсов

Для других величин скважности световых импульсов значения коэффициентов а и b приведены на рис. 1.14 [4].

Исследования, проведенные в Институте физиологии им. И.П. Павлова РАН, показали наличие оптимальной частоты 77 ± 2 Гц в случае воздействия электрических импульсов на мозг человека. Частота 77 ± 2 Гц превышает критическую частоту слияния мельканий в телевидении и кинематографе, но лежит в диапазоне усваиваемых мозгом частот, регистрируемых электроэнцефалограммами [5].

Экспериментально установлено положительное воздействие на психофизиологическое состояние зрителей световых мельканий с частотой 77 ± 2 Гц. В этом случае наблюдается улучшение показателей психофизиологического состояния: снижается утомление и улучшается внимание.

Экспериментальное доказательство существования оптимальных параметров световых мельканий вызвало к жизни идею создания как телевизионной, так и кинематографической систем, способствующих улучшению психофизиологического состояния зрителей, снижению их утомления и улучшению внимания.

1.6. Особенности восприятия цвета

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.

Одним из первых серьезные опыты по цветовосприятию провел И. Ньютон (1643-1727 г.г.). Это были опыты по разложения солнечного света с помощью стеклянной призмы. Ньютон показал, что степень преломления и цвет излучения связаны определенной зависимостью.

Изучение вопросов цветовосприятия привело 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 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. 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 гг.), 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 гг.) в Великобритании – в работах Д. Максвелла (1831-1879 гг.). Гельмгольц провел многочисленные опыты по смешению спектральных цветов и установил основные закономерности смешения световых потоков. Максвелл дал количественную оценку явлениям смешения световых потоков различного спектрального состава и предложил математический аппарат для расчета цвета смеси излучений сложного спектрального состава. Максвелл впервые ввел цветовое уравнение как способ записи равенства цветовых ощущений при воздействии на него различных по спектральному составу излучений. В подтверждение своих теоретических исследований Максвелл в 1861 г. одним из первых получил цветовую фотографию, синтезированную из трех цветоделенных изображений.

А. Кениг и Дитеричи (Германия) в 1892 г. экспериментально определили кривые спектральной чувствительности разновидностей колбочек (кривые ос-

Рис. 1.15. Кривые спектральной чувствительности различных групп колбочек

новных возбуждений). Более детальное исследование вопросов спектральной чувствительности глаза были проведены в 1935 г. русскими физиологами Н.Т. Федоровым и В.И. Федоровым (рис. 1.15). Масштабы представленных на рис. 1.15 кривых спектральной чувствительности выбраны такими, чтобы для белого цвета площади, ограниченные кривыми, были бы равны, так как ощущение белого цвета возникает при возбуждении всех трех разновидностей колбочек.

Таким образом, анализ воздействующего на глаз излучения тремя типами колбочек с различной спектральной чувствительностью и последующий синтез результатов их возбуждений зрительными участками коры головного мозга вызывает ощущение большого числа цветовых оттенков окружающих нас предметов. Важной особенностью нашего цветового зрения является то, что глаз воспринимает яркость предметов путем суммирования ощущений, полученных тремя рецепторами, а цветность воспринимается как отношение этих ощущений.

1.7.Принципы цветовых измерений и расчетов

1.7.1.Колориметрическое определение цвета

Втелевидении используется локальное, пространственное и бинокулярное смешение цветов. Локальное смешение может быть одновременным, когда на одну поверхность проецируются два или несколько излучений, вызывающие каждый в отдельности ощущение разных цветов, и последовательным, когда аналогичные излучения воздействуют на глаз последовательно одно за другим. При быстрой смене излучений в зрительном аппарате возникает ощущение единого результирующего цвета. При пространственном смешении участки, окрашиваемые смешиваемыми цветами, имеют достаточно малые размеры, и глаз воспринимает их как единое целое. Примером могут служить мелкие штрихи, мозаика и др.

Из основного закона смешения следует, что любые четыре цвета находятся

влинейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть выражен через любые три взаимно-независимых цвета:

где f′F – излучение произвольного состава, единица которого обозначена через F, а количество единиц – через f′; R, G, B – единичные количества основных цветов; r′, g′, b′ - множители, указывающие количества излучений, соответствующих цветам R, G, B, – или «модули этих цветов».

Основными называются взаимно-независимые цвета, которые нельзя получить смешением двух других, то есть они не могут быть связаны уравнением типа:

r′R = g′G + b′B; g′G = r′R + b′B; b′B = r′R + g′G.

Примером взаимно-независимых являются R, G, B цвета. Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобно произво-

дить путем установления тождества цветов полей сравнения с помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну из граней которой проецируется излучение исследуемого источника, а на другую грань – излучение от трех источников: красного R, зеленого G и синего B. Зрительная труба, при помощи которой ведутся наблюдения, направлена на ребро призмы, разделяющего освещенные грани. Следовательно, поле зрения трубы разделено на два поля сравнения: одно, освещаемое исследуемым цветом, другое – освещаемое смесью трех источников. Между каждым из трех источников R, G, B и призмой стоит устройство, ослабляющее полное излучение данного источника в определенное число раз. Меняя интенсивность потоков излучения, подаваемого на грань призмы от того или иного источника, колориметрист добивается уравнивания цвета, то есть цветности и яркости полей сравнения.

Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов нельзя получить цветового равенства (1.8) ни при каких значениях основных цветов R, G, B. Согласование для этих цветов наступает лишь тогда, когда один из основных цветов переносится на сторону исследуемого цвета.

В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например красной составляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид:

f′F + r′R = g′G + b′B,

или

f′F = –r′R + g′G + b′B.

Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения (1.8) коэффициенты r′, g′, b′ могут иметь отрицательные значения. Это позволяет расширить применимость форм цветного уравнения (1.8), показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми переменными r′, g′, b′, что подтверждает его трехмерность.

Знание численных значений цветовых коэффициентов r′, g′, b′ полностью определит воздействующее на глаз излучение и количественно, и качественно. Для определения только качественной характеристики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества основных цветов r, g, b, определяемые из следующих выражений [6]:

где m = r′ + g′ + b′ – цветовой модуль.

Очевидно, что r + g + b = 1. Символы r, g, b носят названия координат цветности.

Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне определенными основными цветами. Поэтому в целях устранения неопределенности измерения цвета МКО в 1931 г. стандартизовала в качестве основных цветов – три монохроматических излучения с длинами волн λR = 700 нм, λG = 546,1 нм и λB = 435,8 нм. Выбранные основные цвета удобны тем, что два из них R и B близки к краям видимого спектра, а третий G – к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свою группу рецепторов.

Координаты цвета r′, g′, b′ любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излучения P(λ):

b P b d ,

1

где λ1, λ2 – границы светового диапазона электромагнитных колебаний.

Величины r , g ,b представляют собой цветовые свойства среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства (1.8), которые были стандартизированы МКО в 1931 г. на основе экспериментальных исследований. Цветовые свойства наблюдателей были стандартизованы для монохроматического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин волн. В результате были получены удельные координаты или удельные цветовые коэффициенты. Графические зависимости удельных координат цвета или кривые смешения изображены на рис. 1.16.

Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (1.8) величины r′, g′, b′ для чистых спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это показывает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB. Отрицательные координаты затрудняют расчеты цвета излучения по его спектральному составу. Вторым недостатком системы RGB является необходимость расчета всех