人眼對比度敏感視覺特性的實驗測量方法

申 靜

（陜西理工學院 數學與計算機科學學院，陜西 漢中 723000）

人眼視覺特性是圖像技術中非常重要的理論基礎之一，通過實驗測試和理論分析研究視覺特性，建立其模型，對促進圖像技術的應用和發展均能提供較大的技術支持。目前，顯示器是信息顯示、傳輸和交流的重要工具，所以用顯示器測量人眼視覺特性具有非常重要的實際意義［1－4］。

自上世紀50年代起，國內外許多專家學者采用不同的儀器顯示目標光柵，通過改變光柵的平均亮度，在亮度對人眼視覺特性的影響方面作了一定的實驗研究［5－10］，研究發現：不同的亮度條件下，人眼對信息的分辨力不同，但是模型中的部分參數值由實驗條件決定，給實際應用帶來許多不便。

要使顯示器的圖像再現質量和觀看效果達到最佳，必須協調顯示器亮度、色度以及信息再現與人眼視覺特性之間的關系［5－7］，即要求得到人眼視覺特性與顯示圖像的平均亮度之間的關系。CRT顯示器無論在顏色的表現和觀察視角上都具有較大的優勢，在許多相關領域均采用CRT顯示器來控制和再現色彩［5，11－15］。本文通過控制 CRT 顯示器顯示目標光柵圖像的亮度和光柵的對比度，設計實驗方案，測量了15名在校大學生在不同平均亮度條件下的對比度覺察閾值，探討了人眼視覺特性與顯示器亮度之間的關系。

1 人眼對比度敏感視覺特性描述

在工程光學和圖像技術研究領域，儀器的光學傳遞函數理論已經比較成熟，人眼是非常完美的成像儀器，人眼的光學傳遞函數也可以用于定量地描述人眼空間視覺特性，并且可以明確地探討視覺信息處理機制的本質［6］。對于人眼視覺系統，人眼的光學傳遞函數采用人眼對比度敏感函數（contrast sensitivity function：CSF）來表示，其反映不同條件下的人眼對比度敏感與空間頻率之間的關系；但是人眼對比度敏感值無法直接測定，通常根據韋伯定理采用心理物理學測定閾值的方法得到，結合人的視覺系統結構和心理學特征規定：人眼的對比度覺察閾值指的是目標光柵剛能為人眼覺察時所需要的最低調制度，即人眼覺察處于閾值時的光柵的對比度值［6］，對比度覺察閾值的倒數即為人眼對比度敏感閾值（以下簡稱敏感閾值）。實驗要求測量出不同頻率下的人眼對比度覺察閾值。

2 實驗方法

2.1 對比度定義

對于亮度光柵，對比度采用標準的Michelson對比度定義，其表達式［8］如下式：

式中，L2和L1分別為明暗條紋的亮度，L為整個條紋的平均亮度。

2.2 目標光柵參數和實驗儀器

實驗制作的目標光柵為明暗相間的矩形波條紋光柵。目標光柵是由多組不同級別亮度、不同亮度對比度的光柵圖片組成。光柵選取0.5、1、2、3、5、10、30、50、55、60、70、90、120、150cd／m2共14個級別亮度，光柵圖片的亮度對比度依次增大，圖片間的對比度間隔非常小，達到0.002。根據國內外前人的研究［6－10］，人眼對空間頻率處于2～8cpd（周／度）的物體最為敏感，實驗光柵選取的空間頻率為4.93、1.97、1.23cpd。實驗時觀察者自動調節光柵的亮度和對比度以適應觀察，從而獲得對比度覺察閾值。

目標光柵選用53.3cm（21英寸）的SONY－520、10bit數字CRT顯示器顯示，顯示器設置為D65光源體，6500K色溫。并配有 Matrox Millennium P650彩色顯示型實時圖像采集卡，該卡分辨率為1024灰度級，實時彩色顯示1024色，顯示圖像清晰、穩定。

2.3 精確控制顯示器亮度方法

由于實驗采用的圖像顯卡能達到分辨率為1024灰度級，則與普通的256級顯卡相比，相當于256級中每一級值中再插入3個亮度值，而目前的亮度計通過實驗發現，其對于亮度分為256級能測量其準確值，但其中的插入值對應的亮度測量不精確；則采用CRT顯示器的亮度在較小范圍內認為是線性關系，即可采取RGB值為整數時用亮度計測量其亮度，為小數時采用線性插值的辦法獲得其亮度。如此可以得到RGB值每間隔0.25的時候的每一個對應的亮度值。亮度值間隔越小，則得到的光柵對比度值就越小，對實驗測量人眼視覺特性就越有利。

2.4 實驗方法和實驗對象

人眼對比度覺察閾值的測量是一個心理物理學過程，一般采用極限調整法進行測量和確定，具體的實驗和取值方法為：因為周圍環境對人眼的影響，且實驗在暗室中進行，人眼需要一定的時間適應暗環境，因此要求每次測量時每位被測試者必須先暗適應30min，再對實驗條紋光柵進行適應，在完成適應階段后，在離顯示屏2.0m處（視角為2.4347°）觀察顯示的目標光柵圖片；實驗時被測試者通過自行調節目標光柵的序號（光柵已按照平均亮度和對比度值編號），達到自行調節目標光柵的亮度（目標光柵頻率不變）和目標光柵的對比度值，以進行覺察和分辨目標；測試過程中，首先從大到小逐漸降低光柵的對比度，直到人眼剛好能看見條紋而又不清晰，再從小到大逐漸增大條紋的對比度值，剛好能看見而又不清晰，取二者的平均值為該次對比度覺察閾值，如此可以減低人眼覺察適應帶來的誤差，實驗時屏幕上每次顯示4幅光柵，其對比度值依次要么降低要么增加，圖1是4幅對比度值依次增大的示意圖。實驗中每一空間頻率和每一亮度下的敏感閾值重復測量3次，取其平均值作為該空間頻率光柵在不同亮度下的人眼敏感閾值。

圖1 4幅對比度值依次增大的光柵示意圖

測試對象為15名健康的在校大學生和研究生，經過視力矯正后，視力均達到1.2以上，眼科檢查均為正常，無色覺異常，暗適應情況良好。

3 實驗結果

通過15名被測試者對不同平均亮度光柵的測試，獲得的人眼敏感閾值與亮度的關系曲線如圖2所示。由圖2可見，對應于同一亮度下，不同的頻率、不同人眼觀察到的敏感閾值有較大的不同，表現為：對頻率f＝4.93cpd的光柵，測試15名青年的敏感閾值均相對比較接近，如圖2（a）所示；而對f＝1.97cpd和f＝1.23cpd的光柵，在亮度較低時，15名被測試者覺察到的敏感閾值差別較大，且對f＝1.23cpd的光柵比f＝1.97cpd的光柵觀察到的敏感閾值差別更大；在亮度較大時，不同人的敏感閾值同樣相對比較接近，如圖2中（b）、（c）圖。根據前人的研究經驗，人眼最敏感的空間頻率范圍為2～8cpd，而f＝4.93cpd剛好處于其中，也即是說不同的人在同一亮度（較高）下對處于人眼最敏感空間頻率范圍的物體的對比度覺察閾值是非常相近的，換句話說，只要視力正常，人眼覺察圖像細節的能力非常相近。但是當成像于視網膜所對應的物體不處于人眼最敏感空間頻率范圍且亮度較低時，不同的人對物體的敏感程度有較大的不同。

圖2 15名被測試者對3種空間頻率光柵覺察得到的人眼對比度敏感閾值與平均亮度間的關系曲線

對各個空間頻率在不同亮度下測量15位觀察者的對比度覺察閾值求平均，獲得的平均人眼對比度敏感閾值與亮度的關系曲線見圖3所示。從圖3可以發現：3條曲線的形狀基本相同，但是每條曲線隨亮度變化的趨勢有明顯差異。從變換趨勢上劃分，每條曲線劃分為3階段：第1階段敏感閾值隨著亮度的變化而變化比較快，曲線的斜率比較大，對應的亮度小于1cd／m2；第2段對應的亮度范圍比較窄，一般為過渡階段，曲線開始轉折，這時的亮度稱為轉折亮度；第3階段亮度大于10cd／m2，敏感閾值隨著亮度的增加而幾乎不變。由圖3可見，f＝4.93cpd的轉折亮度在5～10cd／m2之間，頻率f＝1.97cpd和f＝1.23cpd的轉折亮度分別在3～5cd／m2之間和1～3cd／m2之間，即3種頻率曲線的轉折亮度隨空間頻率的增加而增加，3種頻率的曲線的平滑部分隨f的增加而變窄，并且向亮度較高處平移；在比轉折亮度更低亮度范圍內（1cd／m2以下），曲線波動程度隨頻率減小而加劇。

在眼視覺光學研究領域中，前人把觀察目標的亮度分為2個區域，即 Weber區域和DeVries－Rose區域［8］，對應的分別是曲線平滑部分所對應的亮度范圍和曲線波動較大部分所對應的亮度范圍。從圖3可見，f＝1.23cpd的曲線的 Weber區域比f＝4.93cpd的曲線的Weber區域寬且向較低亮度處平移。在亮度處于DeVries－Rose區域，人眼敏感閾值波動比較大，變化比較快，且空間頻率越小，敏感閾值變化就越快，而在 Weber區域，敏感閾值幾乎不變。表明：在DeVries－Rose區域，顯示器亮度的提高可以增加人眼敏感程度，同時表明其也提高了顯示器顯示圖像的分辨率，但是隨著亮度的增加（在 Weber區域），亮度對分辨力的提高達到一定限度。

圖3 測量獲得的3種空間頻率光柵的平均人眼對比度敏感閾值與平均亮度間的關系

對比分析圖2和圖3發現，在亮度較高（超過10 cd／m2）時，每位觀察者對不同亮度下覺察的敏感閾值差異非常小，曲線的斜率趨近于零，表明人眼對比度敏感能力達到飽和，當亮度為60cd／m2時，敏感閾值最大，表明人眼對顯示器顯示圖像的分辨力達到最佳。

4 結論

本文通過控制CRT顯示器顯示目標光柵圖像的平均亮度來設計實驗，并嘗試測量了15名正常視力的在校大學生的人眼對比度敏感閾值，研究了人眼視覺特性與顯示器顯示圖像效果的關系。實驗結果表明：增加CRT顯示器亮度可以提高圖像再現效果，但是亮度的作用有一定限度，必須使得人眼視覺特性與亮度傳遞特性相匹配。人眼視覺特性的研究是一門交叉學科，涉及到物理學、生理學、心理學和計算機等相關知識，人眼視覺特性的測量和研究是一項非常有意義的工作。

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