Материал: 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