Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

Рис. 1.3. Стандартная кривая относительной спектральной видности глаза

Спектральный состав и распределение энергии теплового источника света зависит от температуры излучающего тела. В связи с этим вместо того, чтобы каждый раз указывать спектральный и энергетический составы света, указывают только температуру, при которой обеспечивается данное излучение. Эта температура называется «цветовой температурой».

В 1931 г. МКО ввела в практику четыре стандартных источника белого цвета, названных источниками A, B, C, E, которым соответствуют цветовые температуры следующих значений: 2854, 4800, 6500, 5700 К. Например, источник белого цвета типа С (европейское обозначение D6500) обеспечивает излучение, близкое к спектру солнечного света.

В практической жизни человеку сравнительно часто приходится наблюдать различные объекты в условиях нестационарного освещения. Особенности рассматривания подобных изображений объясняет модель темновой и световой адаптации, разработанная русским ученым П.П. Лазаревым. Теория адаптации описывает изменение чувствительности глаза при переходе от стационарного освещенного состояния к большей или меньшей освещенности. Графически эти зависимости для разных исходных освещенностей приведены на рис. 1.4. Как подтверждают измерения, время темновой адаптации составляет десятки секунд (30…50 сек), а световой – единицы секунд (8…10 сек.). Явления темновой и световой адаптации следует учитывать при проектировании телевизионных систем и наблюдении изображений человеком в условиях нестационарного освещения.

Рис. 1.4. Кривые темновой а) и световой б) адаптации глаза

1.3. Контрастная чувствительность глаза и число различаемых градаций яркости

Если на глаз воздействует изображение с яркостью участков L, то, как показывают эксперименты, наблюдатель реагирует не на абсолютное изменение яркости L, а на ее относительное значение L/L.Минимальное относительное изменение яркости L/L, воспринимаемое наблюдателем, называется относительным разностным порогом раздражения. Разностный порог в определенных пределах изменения интенсивности остается постоянной величиной. Таким образом, минимально заметное приращение ощущения Е в установленных пределах интенсивностей пропорционально относительному разностному порогу:

где k – коэффициент пропорциональности.

Если сделать допущение о том, что эта закономерность, установленная экспериментально для конечных приращений интенсивностей, справедлива для бесконечно малых значений, то соотношение (1.1) приведет к выражению dE = = kdL/L. Интегрируя это уравнение, нетрудно определить

Постоянную интегрирования D определим из условия Е = 0 при L = Lп, то есть D = –klnLп. Тогда соотношение (1.2) примет вид:

Соотношение (1.3), называемое законом Вебера-Фехнера, устанавливает, что ощущение Е пропорционально логарифму яркости L. Экспериментальные исследования позволили установить, что этот закон справедлив в диапазоне яркостей от десятых долей до 103 кд/м2 (рис. 1.5). Из анализа графических зависимостей рис. 1.5 следует, что в широких пределах изменения яркости наблюдаемых объектов относительный разностный порог, называемый также пороговым контрастом, фактически постоянен, то есть (ΔL/L)пор = п = const. Практически в пределах средних величин яркости (1,0…1000 кд/м2) глаз ощущает относительное изменение яркости, примерно равное 2...5%. Допустимый диапазон изменения яркости при соблюдении закона Вебера-Фехнера на рис. 1.5 обозначен символом a. Причем заштрихованная область относительных значений яркости соответствует различным длинам волн воздействующего излучения.

На основании анализа выражения (1.3) можно фактически сказать, что физиологическое ощущение возрастает в арифметической прогрессии, если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии.

С законом Вебера-Фехнера непосредственно связаны такие параметры зрительного восприятия, как наблюдаемый контраст и число различимых градаций яркости (полутонов).

Под контрастом (контрастностью) объекта или изображения К понимается отношение максимальной его яркости Lmax к минимальный Lmin, то есть диапазон воспроизводимых яркостей

К = Lmax/Lmin .

Рис. 1.5. Результаты экспериментальных исследований относительных пороговых значений яркости

В природе, окружающей человека, яркость может изменяться в 105 и более раз. Зрительная система человека неспособна одновременно воспринимать весь этот диапазон изменения яркости и сужает диапазон освещенностей на сетчатке благодаря адаптации – приспособлению к различным яркостям.

При заданном контрасте К глазом воспринимается определенное количество ступеней изменения яркости N, называемых градациями яркости.

Возможное число регистрируемых глазом градаций яркости определим на примере рассматривания ступенчатого клина яркостей с пороговым значением различия по яркости на каждой ступени [3]. Первая градация такого клина отличима от фона, если ее яркость L1 превышает яркость фонового раздражения Lф на величину Lф п:

L1 = Lф + LФ п = Lф (1 + п ).

Вторая градация отличима от первой, если:

L2 = L1 + L1 п = L1(1 + п) = Lф(1 + п)2 .

даемого изображения. Эта зависимость для различных п приведена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Зависимость числа различимых градаций от контраста изображения

Расчет показывает, что при К = 100 (черный бархат с коэффициентом отражения 0,009 на снегу с коэффициентом отражения 0,9) и п = 0,02 число различимых градаций N = 232.

Рассмотренные закономерности лежат в основе выбора динамического диапазона яркостей и контрастности изображений, воспроизводимых телевизионными устройствами.

1.4. Разрешающая способность глаза

Предельная способность человека видеть мелкие детали определяется разрешающей способностью зрительной системы (остротой зрения). К числу принципиальных физических факторов, влияющих на разрешающую способность глаза, прежде всего, следует отнести: дифракцию света, дискретность структуры сетчатки и аберрации в оптической системе глаза. Однако определить остроту зрения по характеристикам оптической системы глаза и структуры сетчатки в полной мере нельзя, так как глаз представляет собой динамическую систему. Процесс зрения сопровождается непроизвольными движениями глазного яблока – тремором. Кроме того, зрительная ось глаза обегает контуры отдельных деталей изображения, как бы анализируя наиболее информативные участки. Указанные движения глаза увеличивает остроту зрения по сравнению со статической (расчетной).

Статическая разрешающая способность глаза определяется минимальным углом наблюдения δmin , при котором две тонкие черные линии на белом фоне различаются с заданной вероятностью Р (Р = 0,95). На рис. 1.7 толщина черных линий равна промежутку между ними. Разрешающая способность зрительного аппарата человека зависит также от яркости и цвета фона, контрастности деталей рассматриваемых объектов относительно фона, времени наблюдения. В некоторых случаях разрешающую способность характеризуют величиной, обратной углу разрешения, – остротой зрения Sзр = (δmin )–1.

С целью количественной оценки разрешающей способности глаза рассмотрим более подробно влияние дифракции света [3]. Световой поток, попадающий в глаз, ограничивается радужной оболочкой, которая является своеобразной диафрагмой. Из оптики известно, что если световой поток проходит через узкую щель (рис. 1.8), то согласно принципу Гюйгенса, каждую точку пространства можно рассматривать как источник сферической волны.

Рис. 1.7. К определению разрешающей способности зрения

Рис. 1.8. К определению влияния дифракции на разрешающую способность глаза

Рассмотрим лучи 1 и 3 от верхней и нижней точек щели, которые пересекутся в точке плоскости изображения. Если фазовый сдвиг лучей 1 и 2 составляет λ/2, то это имеет место и для каждой пары лучей, распространяющихся в конусах, образуемых лучами 1 и 2, 2 и 3, то есть яркость в точке а0 равна нулю. Нетрудно определить положение точки а0 в плоскости изображения. Выразим его через расстояние r от оптической оси. Из рис. 1.8 видно, что sinδ = r/f = λ/D, откуда

где f – расстояние от щели до точки а0 изображения; D – ширина щели; λ – длина волны излучения.

Если проанализировать аналогичные явления не для щели, а для отверстия диаметром D, то соотношение (1.6) примет вид: r0 = 1,22( f /D)λ.

Распределение яркости излучения в плоскости изображения при прохождении плоской волны от удаленного источника света через круглую диафрагму приведено на рис. 1.9 (кривая 1). Диаметр 2r0 кружка рассеяния тем больше, чем меньше D и больше длина волны λ. Если в поле изображения находятся две точки, то картина распределения дополнится кривой 2. Глаз различает две точки лишь в том случае, когда спад интенсивности результирующей кривой превышает пороговое раздражение соответствующих рецепторов.

При оценке разрешающей способности оптических приборов в аналогичной ситуации принято различать две точки в плоскости изображения в том случае, когда максимум яркости излучения одной точки совпадает с первым минимумом в распределении яркости второй точки (или максимумы лежат на большем расстоянии). В этом случае расстояние между точками в плоскости изображения равно r0 . В результирующей кривой образуется провал (27%).