516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 1.23. Влияние задержки между моментами предъявления изображений стереопары на порог глубинного зрения

Рис. 1.24. Влияние отношения вертикального размера объекта к горизонтальному в изображении на порог глубинного зрения

ков. Из рис. 1.24 видно, что острота стереоскопического зрения резко ухудшается при изменении отношения вертикального размера объекта к горизонтальному от 0,7 до 2, мало изменяясь на интервале этого отношения от 2 до 14.

Следует отметить, что глубинное восприятие является воспитуемым качеством человеческого зрения, имеющим условно рефлекторный характер. Это подтверждает тот факт, что у специально тренированных людей среднее значение порога глубинного зрения может находиться в пределах 2…4 [13]. Данное значение порога глубинного зрения характеризует предельные возможности зрительного аппарата человека. При быстрой смене информации, когда время наблюдения стереоизображений меньше 3 с, среднее значение порога глубинного зрения возрастает. В этом случае следует учитывать оперативный порог глубинного зрения, величина которого определяется динамикой восприятия стереоэффекта и скоростью отображения визуальной информации. Таким образом, при рассматривании изображений неподвижных объектов глубинная острота зрения количественно равна нониальной двумерной остроте зрения, соответствующей наблюдению сдвига одной части линии относительно другой. Предполагается, что высокая острота стереоскопического зрения обусловлена явлением дифракции в изображениях на сетчатках глаз.

Нормальное восприятие стереоэффекта, при котором осуществляется слияние (фузия) отдельных изображений стереопары в сознании наблюдателя в стереоскопическую модель объекта, происходит при условии, если значение физиологического параллакса на сетчатке глаза не превышает размеров зоны Панума. Зона Панума определяет допустимые значения параллакса на сетчатках глаз, количественно она зависит от степени согласования параметров стереоскопических изображений с психофизиологическими особенностями зрительного аппарата человека. Среднее значение размера зоны Панума в угловых единицах при работе со стереотелевизионными установками достигает 55 [14]. В случае превышения физиологических параллаксов размера зоны Панума изображения стереопары двоятся, что приводит к потере стереоэффекта.

Важнейшей характеристикой бинокулярного зрения человека является радиус стереоскопического видения. Все предметы, удаленные от наблюдателя на расстояние, большее 700 м, при бинокулярном рассматривании будут казаться на одном расстоянии. Для расширения стереоскопической дальности наблюдения требуется увеличение базиса рассматривания.

На восприятие стереоэффекта в значительной степени влияют угловые размеры бинокулярно рассматриваемых изображений. Психофизиологически увеличение размеров поля стереоэкрана приводит в процессе просмотра стереоскопического изображения, являющегося сложным комплексным раздражителем, к расширению и усложнению связей между отдельными его частями. В этом случае в восприятии более широко участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображения, повышают различимость отображаемых объектов, а также усиливают впечатление объемности, относительного пространственного расположения рассматриваемых объектов и увеличивают остроту стереоскопического зрения.

В общем случае угловые размеры стереоскопического изображения должны выбираться в соответствии с пространством, в пределах которого возможна одновременная проекция изображений стереопары на сетчатки глаз. Границы такого пространства поля зрения определяются особенностями оптической системы глаз. Бинокулярное поле зрения человека слагается из раздельных полей зрения каждого глаза и состоит из центрального участка, видимого двумя глазами одновременно, и периферических областей, входящих в поле зрения только одного из глаз (рис. 1.25). Угловые размеры центрального участка в горизонтальном направлении составляют 110 , а в вертикальном направлении книзу – 60 , кверху

– 50 . При восприятии цветных изображений границы участка, видимого бинокулярно, сужаются. Причем наименьших размеров зона стереовидения достигает при воспроизведении стереоизображений в зеленом цвете. В среднем зона видимости цветных стереоизображений, считая от центра бинокулярного поля зрения, ограничена в следующих пределах: вверх 25 , вниз – 35 , вправо и влево по 32 . Однако надежное обнаружение различных изменений в стереоизображениях проявляется в пределах зоны с еще более узкими (примерно в 2 раза) границами, соответствующими оперативному, то есть рабочему полю бинокулярного зрения. Например, оптимальный угол обзора в горизонтальной плоскости стереоизобра-

Рис. 1.25. Границы бинокулярного поля зрения:

1 – периферические области зрения; 2 – центральный участок; 3 – зона бинокулярного видения цветных изображений; 4 – оптимальная зона восприятия стереоизображений

жений составляет 35 [15]. В стереотелевизионных устройствах, воспроизводящих эффект оглядывания исследуемых объектов, рассматривание стереоизображений возможно и в более широких угловых границах за счет движений головы или корпуса наблюдателя. Причем при наблюдении стереоскопических изображений в оптимальных угловых границах с наибольшей четкостью оцениваются детали, находящиеся в поле зрения желтого пятна сетчатки размером 5 . Сужение бинокулярного поля зрения относительно оптимальных значений ухудшает остроту стереоскопического зрения без нарушения в целом процесса бинокулярного видения. Экспериментально установлено, что среднее значение порога глубинного зрения увеличивается приблизительно в 5 раз при уменьшении угловых размеров зоны стереовидения в горизонтальном направлении от

35…45 до 4 [16].

В процессе стереоскопического восприятия изображений происходит бинокулярное смешение цветов. Зрительный аппарат человека за счет эффекта бинокулярного смешения цветов создает особые возможности для получения как черно-белых, так и цветных объемных изображений. Эффект бинокулярного смешения цветов заключается в следующем. Если на правый глаз человека

воздействует излучение одного цвета, а в левый глаз попадает излучение другого цвета, то в сознании наблюдателя возникает ощущение нового цвета, промежуточного между воздействующими. Бинокулярное смешение подчиняется общим законам оптического смешения цветов.

Основными могут являться следующие цвета: красный (R) с длиной волны= 700,1 нм, зеленый (G) с = 546,1 нм, синий (В) с = 435,8 нм. Поэтому для получения цветных изображений необходимо воспроизводить три одноцветных или цветоделенных изображения в основных цветах одного и того же объекта и осуществлять их смешение путем совмещения. В случае бинокулярного смешения цветов достаточно, чтобы один глаз наблюдателя воспринимал только одно цветоделенное изображение, а другой глаз – два других. При этом наблюдаемое стереоизображение будет восприниматься цветным.

Определить результирующий цвет стереоизображения при бинокулярном смешении цветоделенных изображений любой цветности можно по цветному графику системы МКО. Однако, несмотря на восприятие, наблюдателями цветового тона и его яркостной компоненты как единого целого экспериментально установлено, что бинокулярная суммация яркостей и цветовых тонов происходит по различным количественным законам вследствие взаимодействия различных физиологических аппаратов человеческого зрения. Например, для правильной оценки яркости стереоскопических изображений, полученных методом бинокулярного смешения цветов, следует иметь в виду, что в этом случае воспринимаемая результирующая яркость L равна векторной сумме яркостей отдельных изображений, смешиваемых бинокулярно [17]:

L L2п L2л ,

где Lп , Lл – соответственно яркость правого и левого изображений стереопары. Для получения объемного черно-белого изображения достаточно смешивать бинокулярно два цветоделенных изображения в дополнительных цветах. В теории цветного зрения дополнительными называются такие два цвета, которые при смешении дают белый цвет. Установить длины волн дополнительных цве-

тов можно по следующему уравнению, полученному опытным путем:

1 559 498 2 424,

где 1 – длина волны одного цвета в нм; 2 – длина волны дополнительного цвета в нм.

Дальнейшие исследования особенностей бинокулярного смешения цветов показали, что если на один глаз наблюдателя воздействовать цветным изображением, а на другой – черно-белым изображением, то результирующее стереоизображение будет восприниматься цветным с некоторой потерей насыщенности цветов.

Экспериментально установлено, что чистота в стереоцветном изображении с бинокулярным смешением цветов уменьшается в среднем на 50% по сравнению с обычным цветным изображением, что приводит к значительному ухудшению качества стереоцветного изображения [18].

В условиях «мгновенного» освещения (интервал времени до 1 мс) никакого бинокулярного смешения цветов обнаружить не удается. При небольшом

времени (несколько мс) наблюдения стереоизображения, полученного методом бинокулярного смешения цветов, возникает эффект «борьбы» полей зрения. Данный эффект заключается в периодической смене впечатления то одного, то другого из предъявленных цветов. При более продолжительном наблюдении стереоизображений «борьба» полей зрения ослабевает и возникает ощущение некоторого стабильного цвета. За счет эффекта «борьба» полей зрения бинокулярное смешение цветов позволяет воспроизводить цветной блеск кристаллов, драгоценных камней, полированного стекла, характерный блеск поверхности различных металлов. Это даст возможность наблюдателю в целом более правильно оценивать структуру поверхностей рассматриваемых физических объектов.

Следует иметь в виду, что при продолжительном наблюдении стереоизображения, полученного методом бинокулярного смешения, восприятие каждого из исходных цветов оказывается в значительной степени измененным по сравнению с началом рассматривания. Закрывая поочередно один и другой глаз, легко убедиться, что оба цвета сильно «выцвели» и стали очень похожими друг на друга. Это объясняется тем, что в процессе адаптации каждого глаза к своему цвету субъективные различия между обоими цветами должны постепенно уменьшаться, так как любой цвет в пределе стремится слиться с цветом фонового окружения, которое, в свою очередь, представляется глазу нейтральным [19].

Кроме того, наличие у одного из сопоставляемых цветных полей более яркого окружения всегда однозначно решит исход бинокулярного «поединка» в пользу цвета именно этого поля.

Экспериментальные исследования показывают, что наблюдение изображений правым и левым глазом в различных цветовых режимах приводит к сравнительно быстрому утомлению наблюдателей. При этом приблизительно в 1,5 раза возрастают ошибки при оценке глубинных соотношений [20]. Для сравнения следует отметить, что восприятие цветности объектов в общем случае незначительно влияет на точность оценки глубинных соотношений [21].

Чтобы обеспечить правильную цветопередачу в стереоцветной телевизионной системе с бинокулярным смешением черно-белого и цветного изображений стереопары, необходимо осуществлять коррекцию искажений насыщенности цветов. Коррекция может осуществляться электрическим способом, например, путем нелинейного преобразования сигналов цветных изображений стереопары, которое практически реализуется с помощью специальных устройств, получивших название гамма-корректоров. Подвергнув сигналы цветных изображений стереопары гамма-коррекции, можно получить в них увеличенную насыщенность цветов. В этом случае черно-белое изображение стереопары минимально исказит насыщенность цветов стереоцветного изображения в целом.

1.8.3. Влияние эффекта оглядывания объектов на восприятие трехмерного пространства

В реальных условиях работы зрительной системы глаза все время перемещаются, обследуя наиболее важные в информационном отношении участки поля зрения. Движения глаз являются необходимым условием получения зрительной информации. Они обеспечивают нормальный физиологический режим работы зрительного аппарата, сохраняя его чувствительность на оптимальном уровне в течение всего акта восприятия.

Зритель в процессе наблюдения под действием различных факторов, например, психологических очень часто осуществляет наклон головы, туловища или даже меняет свою позицию рассматривания. В этом случае наклон головы или туловища играет ту же роль, что и движения глаз, он является как бы продолжением движений глаз. Особенно большой эффект для объемного восприятия пространства создают перемещения наблюдателя относительно рассматриваемых объектов, которые приводят к образованию параллактической разности последовательно получаемых изображений объекта на сетчатке. Например, благодаря движениям головы происходит смена ракурсов одного и того же объекта в сознании наблюдателя, то есть осуществляется эффект оглядывания рассматриваемого объекта, при котором он замечает, как ближние детали перемещаются относительно дальних. Причем у зрителя появляется возможность как бы заглянуть за объекты переднего плана и увидеть (в некоторых пределах) скрытые за ними элементы изображения. Эффект оглядывания наблюдаемых объектов способствует константности восприятия зрительных образов, которая облегчает процесс распознавания физических объектов.

Для оценки особенностей объемного восприятия при оглядывании наблюдаемых объектов рассмотрим изменения разности параллактических углов п и значений монокулярного параллакса (углы г 0 и г на рис. 1.22) от угла оглядывания г. Согласно [22], на рис. 1.26 представлены гра-

условии, что расстояние рассматривания соответствует 2 м, а глубина объекта наблюдения равна 0,25 м. В данном случае под п г и г понимаются значения соответствующих величин при оглядывании рассматриваемого объекта. Из анализа графических зависимостей на рис. 1.26 следует, что бинокулярный фактор при увеличении угла г уменьшается, а монокулярный угол рассматривания объекта (монокулярный параллакс) возрастает. В целом порог разрешения деталей объектов в воспринимаемом пространстве должен уменьшаться при эффекте оглядывания за счет взаимодействия бинокулярного и монокулярного факторов зрения. Таким образом, выводы данного анализа достаточно хорошо объясняют и теоретически обосновывают установленную ранее в процессе экспериментов закономерность, заключающуюся в том, что порог глубинного зрения наблюдателя уменьшается приблизительно в 1,5 раза за счет бокового отклонения его головы [23].

Рис. 1.26. Зависимости относительных значений углов, характеризующих бинокулярный и монокулярный параллаксы, от угла оглядывания:

1 – относительная разность параллактических углов;

2 – отношение углов монокулярного параллакса

В процессе оглядывания рассматриваемого объекта происходит движение изображения отдельных его деталей по сетчатке глаз, что в общем случае может привести к снижению величины кажущегося, то есть воспринимаемого, контраста данных деталей. Согласно [24], при движении изображений по сетчатке глаз справедливы следующие соотношения:

К К , если t t0,

ККtt0 , если t < t0,

где K – величина кажущегося контраста; К – величина контраста в случае наблюдения неподвижного изображения; t – время движения наблюдателя; t0 – время инерции зрительного аппарата, равное примерно 0,05 с при яркости фона 30 кд/м2 и выше. На рис. 1.27 представлены рассчитанные зависимости К К от угловых размеров деталей объекта об в случае его оглядывания. При расчетах учитывалось, что человеческое тело при оглядывании движется равноускоренно с величиной ускорения, которое может достигать 2 град/с2. Кроме того, принималась во внимание зависимость между углом г , определяющим величину монокулярного параллакса, характеризующего движение сетчаточного изображения отдельных деталей объекта, и углом г, определяющим угол оглядывания объекта. Следует заметить, что на рис. 1.27 под понимается величина временнόго сдвига между началом движения наблюдателя

Рис. 1.27. Зависимости снижения эффективного контраста от угловых размеров деталей объекта в случае его оглядывания:

1 – = 0; 2 – = 1; 3 – = 2 с; 4 – = 3 с

при оглядывании и конкретным моментом рассматривания объекта. Из анализа графических зависимостей рис. 1.27 следует, что детали объектов, угловые размеры которых не превышают 5 , при оглядывании воспринимаются с уменьшенным контрастом по сравнению с условиями рассматривания без эффекта оглядывания.

С психофизиологической точки зрения эффект оглядывания имеет очень большое значение при наблюдении стереотелевизионных изображений, так как в этом случае двигательный аппарат глаз не влияет на восприятие стереоэффекта.

2. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПАРАМЕТРАМ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ

2.1. Согласование качественных показателей воспроизводимых изображений с характеристиками зрения

При общей оценке качества изображения высокой четкости на выходе телевизионной или видеоаппаратуры применимы понятия физически точного, физиологически точного, психологически точного воспроизведения, введенные в 1947 г. Н.Д. Нюбергом для техники репродуцирования [25].

При физически точном воспроизведении яркость и цвет каждой точки рассматриваемого объекта должны быть одинаковы по яркости и цвету с соответствующими точками телевизионного изображения. В подавляющем большинстве случаев получить с помощью технических средств физически точное воспроизведение трудно, сложно и часто в этом нет необходимости. Физически точное воспроизведение оказывается избыточным, так как зрительный аппарат вполне довольствуется более грубой структурой изображения по сравнению с оригиналом.

При физиологически точном воспроизведении зрительный аппарат практически (в пределах допустимых искажений) не замечает разницы между наблюдаемым объектом и соответствующим телевизионным изображением, хотя яркость и цвет одноименных участков могут быть неодинаковыми.

При психологически точном воспроизведении яркость и цвет одноименных участков объекта и телевизионного изображения могут значительно различаться, но общее восприятие является схожим, при этом в сознании человека создается вполне определенное суждение о наблюдаемом объекте.

Физиологически точное воспроизведение, как правило, отвечает потребностям среднего статистического наблюдателя и обеспечивает экономическую и технические возможности реализации аппаратуры телевидения высокой четкости массового применения.

Физиологически и психологически точное воспроизведение лежит в основе согласования параметров телевизионного изображения высокой четкости с характеристиками зрительной системы человека.

В общем случае изображение ТВЧ характеризуется форматом и размерами, яркостью и контрастом, числом воспроизводимых градаций яркости, частотой мельканий, четкостью, зашумленностью, степенью координатных искажений, чистотой цвета, диапазоном воспроизводимых цветов. Эти параметры обеспечиваются техническими характеристиками телевизионной системы высокой четкости: числом строк разложения или количеством воспроизводимых элементов изображения, то есть пикселей, числом воспроизводимых кадров в секунду, полосой пропускания усилительных устройств или скоростью цифрового потока, обеспечиваемой трактом передачи системы ТВЧ, величиной отношения «сигнал/помеха», способом телевизионной развертки, типом используемого

воспроизводящего устройства. Рассмотрим более подробно связь между отдельными техническими характеристиками телевизионных систем высокой четкости и параметрами зрительного восприятия.

2.2. Формат и размеры телевизионных изображений

Вещательные телевизионные системы предусматривают наблюдение изображений в пределах угловых размеров поля зрения, обеспечивающего одновременную проекцию телевизионного изображения на сетчатке левого и правого глаза. Границы такого пространства (поля зрения) определяются особенностями оптической системы глаз. Например, угол ясного зрения по вертикали, соответствующий угловым размерам фовеа, составляет 12…15°. Исходя из условия восприятия телевизионного изображения в пределах зоны ясного видения выбирается формат кадра кф , то есть отношение ширины изображения b к его высоте h ( кф bh). Формат кадра является одним из основных параметров телевизионного изображения, от его значения зависит не только информационная, но и эстетическая полнота наблюдаемых изображений, а также другие, чисто технические, характеристики телевизионных систем. Первоначально в телевидении был принят формат изображения кф = 4:3 1,33, что примерно соответствует соотношению геометрических размеров желтого пятна (фовеа) на сетчатке глаза человека. Из геометрических соотношений оптимальное расстояние рассматривания А в этом случае устанавливается следующим образом:

А=0,5h/tg в ,

где в – угол наблюдения телевизионного изображения в вертикальном направлении. Фактически в =10…12°, а А 5h. При этом угол наблюдения телевизионного изображения по горизонтали г будет равным 14…16°. Таким образом, на практике непосредственные размеры устройств воспроизведения телевизионных изображений определяются условиями наблюдения. Однако с точки зрения особенностей восприятия визуальной информации формат кадра телевизионных изображений, равный 4:3, не оптимален [26].

Последующие психофизиологические исследования показали, что телезрители предпочитают формат телевизионного кадра с соотношением сторон 16:9, то есть кф 1,778. Причем, при достаточно больших размерах телевизионного экрана воспроизводимое изображение формата 16:9 становится более реалистичным, главная причина этого заключается в увеличении угла зрения в горизонтальном направлении, что ведет к росту объема воспринимаемой информации. Например, телевизионное изображение с форматом кадра 16:9 содержит на 33% больше визуальной информации в горизонтальном направлении по сравнению с изображением формата 4:3. При этом в восприятии участвуют периферические области сетчатки, которые уменьшают заметность границ изображений, повышают различимость отображаемых объектов, а также усиливают впечатление объемности и относительного пространственного расположения рассматриваемых деталей окружающего нас мира. Таким об-