用LCD顯示器測量人眼亮度對比度敏感視覺特性

姚軍財，申 靜，何軍鋒，譚 毅

（1.陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西漢中723000；

2.陜西理工學院數學與計算機科學學院，陜西漢中723000）

用LCD顯示器測量人眼亮度對比度敏感視覺特性

姚軍財1?，申 靜2，何軍鋒1，譚 毅1

（1.陜西理工學院物理與電信工程學院，陜西漢中723000；

2.陜西理工學院數學與計算機科學學院，陜西漢中723000）

根據LCD顯示器亮度的均勻性和顯示光柵對比度的穩定性實驗分析，提出了一種采用LCD顯示器顯示光柵測量人眼對比度敏感視覺特性的實驗方法，并測量了48位青年對象對3種平均亮度光柵的對比度視覺特性，且與目前有代表性的測量方法和結果進行了對比分析.結果表明該測量方法是一種有效、實用和簡便易行的人眼對比度敏感視覺特性測量方法.

人眼視覺系統；LCD顯示器；對比度敏感；空間頻率

1　引 言

人眼視覺特性是圖像顯示、處理及質量評價等研究的理論基礎，其特性非常復雜和難以完全理解，但是隨著光學、生物科學和信息技術的快速發展，越來越多的信息技術趨向于智能化，特別是人類視聽覺特性在多媒體技術中的應用，更是近些年研究的熱點，以致吸引了較多的國內外研究工作者［1-3］.

人眼對比度敏感視覺特性是非常重要的人類空間視覺特性之一，從上世紀30年代起國內外工作者就對其測量方法進行了較多的研究［4-8］.目前國內有代表性的研究報道是由鄧述移等人提出的采用三變儀顯示光柵進行測量的方法［5］，但是其方法的測量過程中，需要不斷調節儀器的象場亮度、顏色和對比度，實驗過程比較復雜.國外Van和Bouman等人采用自制的光學亮度調制儀顯示光柵的測量方法是目前公認的方法之一［4］，但是其設計的光柵顯示儀器比較復雜，不易快捷和精確控制顯示的光柵的亮度和對比度.以致截止目前沒有一種高效易行的人眼視覺特性測量方法，致使得出的視覺模型不能較好的匹配、模擬人眼視覺功能，從而導致智能化信息處理技術進展緩慢，迫切需要一種有效和易行的人眼視覺特性測量方法［9-10］.目前大部分數字信息采用LCD顯示器顯示和處理，則利用顯示器顯示光柵測量的人眼視覺特性進行信息處理將會達到更好的效果，其具有重要的實際研究價值［11-12］.基于此，本文根據LCD顯示器亮度均勻性和顯示光柵的穩定性實驗分析，提出了一種采用LCD顯示器顯示光柵測量人眼對比度敏感視覺特性的實驗方法.且為了驗證此方法，測量了48位青年對象的對比度視覺特性，并與目前公認的測量方法和結果進行了對比.結果表明采用LCD顯示器顯示光柵測量人眼對比度視覺特性是一種有效的、實用的和簡便易行的測量方法.

2　人眼對比度敏感視覺特性及其測量方法

人眼對比度敏感視覺特性是重要的人眼視覺系統空間特性之一，一般采用不同條件下的人眼對比度敏感閾值來描述，其描述函數為人眼對比度敏感函數（Contrast Sensitivity Function:CSF），CSF主要反映敏感閾值與目標空間頻率之間的對應關系.但是人眼對比度敏感閾值不能直接測量，一般采用人眼觀察目標時的對比度覺察閾值的倒數來描述.根據心里和生理物理學的方法，人眼對比度覺察閾值是指人眼處于臨界分辨狀態時觀察目標的對比度值，人眼分辨臨界狀態是指目標剛好能被覺察但又不能完全分辨時的分辨狀態［5，13］.則測量人眼對比度敏感視覺特性主要是測量不同條件下、不同空間頻率的人眼對比度覺察閾值C.則采用LCD顯示器測量覺察閾值的主要過程為:在暗室環境下，用LCD顯示器每次顯示4幅對比度依次減小的光柵，作為觀察目標，每個目標顯示時間為1分鐘，觀察者在2 m處覺察分辨，從而找出目標中人眼處于分辨臨界狀態時的光柵，以此光柵的對比度值為人眼對該光柵所具有的空間頻率的對比度覺察閾值.測量方法的示意圖如圖1.其明暗光柵的對比度定義如式（1），式中L1和L2是明暗條紋的亮度值.

圖1　用顯示器顯示目標光柵測量人眼對比度覺察閾值示意圖Fig.1　Schematic diagram of measuring human contrast detection threshold using the LCD display to show gratings

3　用LCD顯示器測量的實驗方案

采用LCD顯示器顯示目標光柵測量人眼亮度對比度敏感視覺特性的實驗方案，其主要是設計如何用LCD顯示器精確和穩定的顯示目標光柵.其中的難點是LCD顯示器亮度的均勻性、顯示光柵對比度的穩定性和光柵亮度的精確控制等問題.

3.1LCD顯示器亮度均勻性及其對視覺特性測量的影響

為了研究顯示器亮度的均勻性問題，實驗采用顏色校準儀對顯示器屏幕進行了測試，測試將屏幕均勻劃分為9個區域，測試每個區域中心色塊的亮度，色塊RGB值均為255.其結果如表1.

表1　LCD顯示器亮度均勻性測量結果Tab.1　Measurement results of luminance uniformity of LCD display

從表1的測試結果上看，LCD顯示器中心區域的亮度差異為零，均勻性非常好，其余區域的均勻性比較差.但是在測量視覺特性的實驗中，人眼覺察的是光柵條紋，關注的是其亮度相對變化，則在上述屏幕中9個區域的中心位置放置同一光柵條紋，屏幕背景的亮度值為27.63cd/m2，分別測量其明暗條紋的亮度，并計算其對比度值，結果如表2.從表2中可以看出，雖然各個位置條紋的亮度有所不同，但其對比度值差異非常小，其相對偏差最大只有2.4%.表明LCD顯示器亮度的不均勻性對光柵對比度值的影響較小.

表2　9個區域中心光柵條紋的亮度測量和對比度值計算結果Tab.2　Results of measuring luminance and calculating contrast of the gratings displayed on the center of 9 regions

圖2　LCD顯示器亮度和光柵對比度穩定性測試結果Fig.2　Stability test of brightness and contrast of gratings on LCD display

3.2LCD顯示器亮度穩定性及其對視覺特性測

量的影響

實驗需要測量大量對象的視覺特性，設計的實驗必須要有長期性和重復性，則需要研究LCD顯示器亮度的穩定性及其對測量特性的影響.為了研究此影響，在顯示器屏幕中心位置顯示同一對條紋，對其亮度L1和L2在1個月內進行測量.圖2是間隔3天測量1次，在1個月內的測量結果；圖中L1i和L2i是兩個條紋8次測量的結果，每次測量在開機后第2、10、30、60、120、240、360、480、600 min時進行測量，Ci是8次兩條紋的對比度值，i=1，2，3…8，Cmean是顯示器相對穩定后（120 min后）8次各個時刻測量后計算的平均對比度值.

從圖2的實驗結果可以看出，顯示器在開機120 min之后基本達到相對穩定.計算相對穩定后相應各時刻的對比度的標準方差和偏差（用百分比表示），其最大值為0.030 8和4.576 2%.從圖2的實驗結果和計算的方差和偏差，表明LCD顯示器的亮度穩定性在中期內雖然較差，但是其顯示條紋的對比度值上下浮動不大，比較穩定，較好的符合了測量視覺特性時保證光柵對比度穩定和精確再現的實驗要求.而且實驗過程中，只需要調節顯示器的亮度保證光柵的平均亮度不變，其光柵的對比度值基本不變.

3.3目標光柵制作方法

實驗需要通過顯示器顯示大量不同頻率、不同對比度值的光柵.則需要解決以下兩個問題:（1）目前真實人眼觀察目標的最小對比度閾值為0.003［5］，則要求制作的光柵的最小對比度值必須小于0.003.（2）目前顯示器顯示的灰度級為0～255，且只能顯示整數灰度級對應的亮度值，要實現多種對比度，則必須獲得灰度級是小數時的亮度值.其具體的解決方法說明如下.

目前常用的顯示器是采用8 bit的顯卡，即其顯示的灰度級為28等級，即256級.本實驗采用的顯示器是10 bit的顯卡，則可以顯示1 024灰度級，即是在灰度級0～255的每個整數級之間插于3個小數灰度級，即0.25、0.50、0.75.但是目前的亮度計和色度計均不能精確測量灰度級為小數時的亮度值.鑒于此，根據普通顯示器的顯色特性，在間隔為1的灰度級內的亮度值基本符合線性變化，則在實驗中采用整數值測量和小數值線性插值的方法獲得不同灰度級對應的亮度值.具體的方法為:（1）依據實驗中光柵的平均亮度值，初步大致估計其對應的灰度級RGB（R=G= B）值，并根據RGB值制作亮度塊，測量其真實的亮度值.（2）依據第一步中的RGB值，上下間隔1個灰度級制作亮度塊，并測量其亮度值.（3）利用線性插值的方法依次得到每個間隔1個灰度級內小數0.25、0.50、0.75對應的亮度值.任意選取以上獲得的兩組RGB值，以其對應的亮度值作為光柵條紋中明暗條紋的亮度，從而來制作光柵，并計算其對比度值.以平均亮度90 cd/m2為例進行說明，如圖3.

通過圖3的結果表明，制作的光柵的最小對比度值可達到0.00 195，完全滿足目前真實人眼觀察目標的最小閾值為0.003的要求.由于實驗通過顯示器顯示光柵，則光柵的大小不變，人眼觀察光柵的視角不變，但光柵中條紋寬度可以通過改變像素的多少來實現，從而達到改變光柵的空間頻率.實驗過程中需要大量目標光柵圖片，按照以上方法，編寫了如圖4界面所示的程序，用以快捷的制作光柵.

圖3　任意組合兩個灰度級RGB對應的亮度條紋的對比度值Fig.3　Luminance contrast value of two gray stripes corresponding to the RGB combined arbitrarily

圖4　光柵制作程序界面Fig.4　Procedure interface to make gratings

3.4實驗儀器及其參數

實驗采用53.3 cm（21 in）DELL品牌的LCD顯示器，其分辨率為1 920×1 080.屏幕色度計為X-Rite Color色度計，其亮度精度為0.01 cd/ m2.顯示色塊為邊長85 mm的正方形，呈現在顯示屏的中心位置，其背景為黑色（亮度為:0.33 cd/m2，趨近于零），色塊間距10 pixels.視角θ= 2.434 7°，觀察距離L=200 cm.空間頻率依次取為0.410 7、0.821 5、1.232 2、1.971、3.080 1、3.791 3、4.929、7.041、9.857、16.429、24.64 cpd（cycle/degree）.

3.5閾值確定方法和被測試對象

實驗采用心理物理學中的極限調整法測量人眼對比度覺察閾值［5，13］.即測試對象暗適應半小時后，在2米處觀察顯示屏幕中心的光柵，通過自行調節預先做好的光柵的對比度、平均亮度和空間頻率，一次逐漸增大對比度至條紋剛好能被分辨，一次逐漸降低到恰好不能區分，取二者之平均作為本次測量的覺察閾值.測試過程中，對每個空間頻率測量3次，全過程重復測一次，取其平均值作為該頻率的對比度覺察閾值.實驗對象為48名在校大學生，校正后視力均達到1.2以上，暗適應情況良好，色覺無異常.

4　實驗結果和討論

圖5　采用LCD顯示器顯示光柵測量人眼對比度覺察閾值實驗結果Fig.5　Experimental results of measuring human contrast detection threshold using the LCD display to show gratings

4.1實驗結果

通過測試對象對平均亮度為10、60、90 cd/m2的光柵反復覺察，得到暗室環境下不同空間頻率的人眼亮度對比度覺察閾值.如圖5所示，圖中的紅色粗線為各空間頻率下的平均人眼對比度覺察閾值.從圖5中可得:（1）隨著光柵平均亮度的增加，各對應空間頻率的覺察閾值減小，表明在亮度范圍10～90 cd/m2內，人眼敏感程度隨亮度的增加而有所提高.（2）空間頻率在2～8 cpd之間，覺察閾值上下浮動較小，而空間頻率在10 cpd之后，覺察閾值波動較大，表明不同人眼對低頻目標敏感程度非常接近，而對高頻目標敏感程度差異較大.

4.2討 論

人眼對比度敏感視覺特性的測量一直是光學和圖像處理研究者非常感興趣的課題，國內外進行了較多的研究.目前國內對其研究的代表性報道是由鄧述移等人采用自制的三變儀顯示光柵進行的測量，其結果如文獻［5］中的圖3［5］.國外Van和Bouman采用光學儀器顯示光柵的方法，在視角為6.1°下覺察，測量了7個平均亮度光柵下的人眼對比度覺察閾值，取其倒數作為人眼對比度敏感閾值，并歸一化，同時采用Barten及復合模型擬合了其數據，其結果如文獻［4］中的圖4［4］.但采用LCD顯示器顯示光柵測量的相關報道非常少.

對比分析鄧述移、Van和Bouman等人的實驗結果與圖5的實驗結果，可以發現:（1）無論是光學儀器顯示光柵測量還是采用顯示器顯示光柵測量，其測量的人眼對比度覺察閾值變化趨勢基本一致，而且在對應的平均亮度和空間頻率處，閾值大小比較接近.（2）在相近的平均亮度時，三者的測量結果均表現為人眼對空間頻率為2～4 cpd的目標最敏感.表明采用LCD顯示器顯示光柵測量視覺特性是一種有效的方法.

從實驗的設計和測試過程上分析，Van、Bouman和鄧述移等人均是采用光學儀器顯示光柵進行測量，其設計的光學儀器比較復雜，不易較好的精確控制顯示的光柵的亮度和對比度，且實驗過程中，需要不斷人為的調節儀器的象場亮度、顏色和對比度，實驗過程復雜且花費時間較長，不易大量和快捷測量.而相對來說，采用LCD顯示器顯示光柵測量人眼視覺特性的實驗設計和光柵控制均比較容易，且操作簡單、快捷.

更重要的是目前圖像和視頻等大部分信息采用LCD顯示器顯示和處理，而人眼視覺特性是其處理的基礎和最終評價標準，則利用顯示器顯示光柵測量的人眼視覺特性進行圖像和視頻處理將會達到更好的視覺效果［14-15］.所以采用LCD顯示器測量視覺特性是一項非常有實際研究意義和價值的工作.

5　結 論

為了獲得一種實用的、簡便易行的人眼對比度敏感視覺特性測量方法，本文根據LCD顯示器顯示光柵對比度的穩定性和亮度均勻性實驗分析，設計了一種采用LCD顯示器顯示光柵測量人眼對比度敏感視覺特性的實驗方案.方案中，觀察視角為2.434 7°，光柵的平均亮度設置為3種:10、60 cd/m2和90 cd/m2，光柵的空間頻率設置為11種，觀察距離為2 m.同時為了驗證該方法的有效性，測量了48位青年對象的對比度覺察閾值，且與目前有代表性的測量方法和結果進行了對比分析.結果表明該測量方法簡便易行，測量結果基本與采用公認的測量方法測量的結果基本一致.綜合表明該測量方法是一種有效的、實用的和易操作的人眼對比度敏感視覺特性測量方法.當然，人眼視覺特性非常復雜，其測量還受到人的心理、生理和環境等諸多方面的影響，但是視覺特性在人工智能方面的應用非常廣泛，其測量方法的研究是一項非常有意義和實用價值的科研工作，需要開展大量的探索.

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Measuring luminance contrast sensitivity characteristics of human visual system using LCD display

YAO Jun-cai1?，SHEN Jing2，HE Jun-feng1，TAN Yi1

（1.School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China）
（2.School of Mathematics and Computer Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China）

According to the experiments analysis about the uniformity of luminance and stability of contrast of grating displayed on LCD display，a method is proposed to measure contrast sensitivity characteristics of human visual system by displaying the grating using LCD.The contrast sensitivity characteristics of 48 youngers who detect gratings with three kinds of luminance were measured，and it is compared with the typical measurement methods and results.The results show that the measuring method is effective，practical，simple and easy to measure the contrast sensitivity characteristics of human visual system.

human visual system；liquid crystal display；contrast sensitivity；spatial frequency

O432；TN919.81

A doi:10.3788/YJYXS20153006.1063

1007-2780（2015）06-1063-07

姚軍財（1979-），男，湖北黃岡人，碩士，副教授，主要從事視覺光學和顯示器顏色管理方面的研究. E-mail:yaojc4782@163.com

2015-04-28；

2015-07-01.

國家自然科學基金項目（No.61301237）；陜西省青年科技新星計劃項目（No.2015KJXX-42）

Supported by National Nature Science Foundation of China（No.61301237）；Natural Science Foundation of Shaanxi Province，China（No.2015KJXX-42）

?通信聯系人，E-mail:yaojc4782@163.com