基于中間視覺的場景模擬及亮度轉換模型研究*

孫立曄 馬劍 劉剛＊＊ 肖俊宏

(1.沈陽建筑大學土木工程學院，沈陽 110168;2.天津大學建筑學院，天津 300072)

1 引言

場景模擬與再現，需要對場景進行定性和定量化的描述。因此根據景觀照明中不同場景的特征建立場景再現與模擬方法并確定再現、模擬場景和實際場景之間物理刺激的量化關系，對實現場景模擬、再現起到了重要作用。

人眼觀看物體時產生的感受，要同時受到目標和場景環境中多種因素的影響［1］，例如亮度、色彩等。當環境處于亮度較低、對比較弱的中間視覺水平時，視覺細胞中主要是桿狀細胞產生反應，此時人眼視覺功能將產生許多不同于明亮環境下的視覺特點，包括周圍的環境會讓人覺得模糊，并且缺乏色彩等，此時場景的視覺感受主要受到亮度和亮度比的影響［2～4］。

本研究考慮場景光環境中亮度及其對比的影響，針對場景特性、場景的圖像特征、模擬與再現實驗條件等因素［5，6］進行了場景模擬、再現方法的研究，并提出符合中間視覺的低亮度弱對比條件下實際場景與再現場景亮度的轉換模型。通過本研究，不僅為中間視覺條件下場景的再現和模擬提供理論基礎和方法，使研究更加系統化和標準化，也是對現有相關研究領域的有益探索，同時也為進一步相應場景視覺效果的主觀評價提供了科學保障。

2 研究方法與關鍵環節

2.1 實驗條件

場景模擬、再現與儀器設備、環境特性等因素都有關系，為此，需要通過實驗對場景特性及相關因素進行研究和標定。

實驗主要在天津大學建筑學院建筑技術研究所“光色測量及主觀評價多功能實驗室”中封閉的暗室中進行。

儀器設備主要有 EMP-7800投影儀 (分辨率:1024×768)、日本 Topcon BM-7彩色亮度計、照度計、標準色板、數碼相機等。其中標準色板是中國電影科學技術研究所用專門研制的樹脂漆噴涂而成，色板編號如圖1所示;BM-7彩色亮度計具有較高的精度和應用范圍，可以用來對實際場景和再現、模擬場景圖像中景物元素的色刺激和亮度刺激進行測量。

圖1 標準色板及編號

2.2 照度范圍的確定

考慮實驗誤差影響和實驗結果的對比分析，實驗中所取亮度范圍包括中間視覺水平，并覆蓋一部分明視覺水平:將照度范圍劃分11個等級，照度值隨等級提高而降低，針對不同等級照度值，測量相應的亮度，結果見表1。

表1 照度測量值lx

2.3 視角的還原

拍照相機光圈、焦距以及圖像軟件參數的不同、實驗人員在圖像投影前觀賞位置不同，會對應不一樣的視角，這會影響再現、模擬場景觀看的效果，為此，需要考慮視角的還原［7］。

通過縮放圖像和調節位置的遠近來調整視角，可以得到觀賞者在圖像投影前應處的位置，以保證所選擇的再現和模擬場景與實際場景在視覺感受上最為接近。

當圖像投影在白屏上滿屏顯示時，實驗中評價者在投影屏幕前的位置［7］為:

式中:d——人距離投影白屏的距離(m);

L——白屏對角線的長度(m);

f—— 相機的焦距(mm);

y'——相機成像屏幕的對角線長度 (mm)。

2.4 亮度特性研究

以標準色板為研究對象，對不同照度等級場景中色板實際亮度、圖像投影亮度和圖像再現亮度進行測量，從而對相應亮度關系進行標定，確定再現、模擬場景和實際場景之間的亮度關系模型。

1)實景拍攝與測量

利用數碼相機拍攝每個照度等級的實景，記錄照片編號和參數;在同樣位置放置亮度計進行測量，記錄此時實際場景亮度，記為L1。

2)投影亮度的測量

將拍攝的實景照片經過投影儀投影;在根據視角還原計算出的位置上，用亮度計測量此時屏幕上圖像的投影亮度，記為L2。

3)再現亮度的測量

人眼對目標的視覺感受除了受到目標直接刺激的影響，還要受到目標周圍環境帶來的影響。本研究中，對人視覺感受產生主要影響的是亮度和亮度比，所以主要考慮標準色板中六塊灰度色塊的再現效果，并以彩色塊的再現效果為參考，調整圖像參數達到和實景最接近的效果。測量此時圖像亮度，記為 L3。

3 實驗結果與分析

3.1 整體趨勢分析

以圖2為例，照度降低，對應亮度隨之下降;照度不變時，隨著色塊明度的降低，亮度也隨之下降。

除了一、二級照度，其他各級照度對應的亮度基本處于中間視覺范圍，此時各色塊亮度存在較為明顯的關系:L1＜L2＜L3;在此范圍內，當照度較高時，隨著明度的降低，三種亮度差別減小，尤其從中灰塊開始，三種亮度在數值上趨近于同一值;但從第七級照度開始，三種亮度的差值開始加大。

由以上分析看到，不同的視覺環境，對人視覺感受會產生不同的影響:

1)越暗的環境，亮度變化對人視覺感受的影響越大，由此對再現和模擬效果的影響也越大。因此亮度轉換模型公式亦應針對不同的亮度水平考慮;

2)曲線的趨勢和灰度塊之間光譜反射率曲線的關系是相符的。

3.2 亮度關系分析

1)實景亮度L1與投影、再現場景亮度 L2、L3以L1的對數為自變量，利用對數坐標表達L1和L2、L1和L3的關系，如圖3、圖4。可以看到亮度特性的對數值之間存在著比較明確的線性趨勢。

2)實景亮度L1和再現場景亮度L3關系估算

分不同的視覺水平考慮對實景亮度和再現亮度進行擬合估算，如圖 5，得到公式 (2)、公式(3)，公式表明，以界限3 cd/m2為分界點:在明視覺 (L1＞3cd/m2)時，再現亮度和實景亮度很接近;而對應中間視覺 (L1≤3cd/m2)狀態時，再現亮度是實景亮度的二倍。這表明，在中間視覺范圍內，調整后再現亮度的變化值大于明視覺時的情況。

圖2 色板亮度趨勢分析

圖3 L1和L2分析

3.3 亮度轉換模型

分析表明，不同場景對應的亮度刺激對數值之間具有較為明顯的線性關系，為此在中間視覺范圍內，采用對數擬合再現亮度和實際亮度之間的關系，如圖6，得到亮度轉換模型，見公式4。

圖4 L1和L3分析

圖5 不同視覺狀態下L1和L3估算擬和

式中:L1——實景亮度，cd/m2;

L3——再現亮度，cd/m2。

圖6 亮度模型公式

公式 (4)體現了在中間視覺水平狀態時，當場景給人與實際環境相似的視覺心理感受時，實景和再現、模擬場景之間的亮度關系。利用公式也可以實現實景亮度和模擬場景亮度的轉換。

4 驗證性場景再現

選取兩類實際場景:一類為單景觀元素場景;一類為較為復雜的綜合場景，如圖7所示，利用本研究中提出的場景再現和模擬方法及其亮度轉換模型公式進行驗證性實驗。驗證實驗的實驗條件、儀器、環境與系統特性和亮度模型研究實驗保持一致。

圖7 湖畔小路及綜合場景的再現效果

4.1 實驗步驟

1)在同一位置利用數碼相機拍攝場景;利用亮度計測量實景亮度L1;

2)考慮視角還原，確定再現時觀看與測量位置;并利用亮度計測量相應再現亮度L3(實測);

3)利用公式 (4)計算相應測點再現后應有的再現亮度L3(計算)。

對測量的再現亮度和計算的再現亮度結果進行比較，如表2。

表2 再現場景亮度比較 單位:cd/m2

4.2 結果分析

湖畔小路和綜合場景中根據場景特點各選了2個、6個有代表性的測點進行比較。結果表明，圖7湖畔小路單景觀元素場景層次較為簡單，亮度變化較少，而綜合場景中包括了建筑、樹木、水面和倒影等層次，尤其是水面的亮度受周圍環境的影響較大，因而變化較多;另外，相機、測點的選擇、測量儀器的精度等誤差會對整個實驗產生一定影響;物理刺激帶來的生理刺激和心理刺激存在不一致性，這些對再現的效果都會產生影響。但通過比較，本系統對場景的再現和模擬效果可以滿足人們視覺上的要求，達到較高的再現、還原程度。

5 結論

1)不同的視覺水平會對人的視覺及相應的心理感受產生不同影響，從而產生不同的場景視覺效果:

2)在較暗的環境中，亮度變化對再現和模擬效果會產生較大影響;

3)不同的視覺水平下，實際、再現場景中對應的物理刺激特性也會存在不同的量化關系。

4)亮度的轉換模型不僅可以使實際場景得以定量化再現，還可以將模擬場景中相應的物理刺激值轉化成實際物理指標，完成再現、模擬場景和實際場景之間對應關系的定量化轉換。

本研究基于中間視覺的低亮度、弱對比環境，對場景模擬與再現的方法進行研究，并得到了相應條件下實際場景與再現場景亮度的轉換模型公式，這一模型具有較好的預見性和實踐性，可以完成再現、模擬場景和實際場景之間亮度對應關系的定量化轉換。同時本研究為相關領域的進一步研究提供了一種科學和可重復的模式與方法。

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