Временные характеристики зрения

2.5. Временные характеристики зрения

Пороговая энергия, которую ощущает глаз, определяется той суммарной энергией, которая попадает на глаз за время его засветки (экспозиции) t_п. Эта величина постоянная и определяется в некотором диапазоне длительности светового импульса и частоты повторения: Ft_п= const.

Если поток F в течение экспозиции непостоянен, то глаз реагирует на величину .

Как быстро глаз реагирует на изменение яркости? Эта экспериментальная зависимость также определяется перепадом яркости (рис. 2.12). Из рисунка видно, что постоянная времени реакции _p не менее 0,1с.

При прекращении раздражения глаза светом (или спадом интенсивности облучения) зрительное ощущение также пропадает не мгновенно, а в течение определенного времени. Можно, таким образом, говорить об инерционности зрения, которая определяется конечной скоростью протекания фотохимических реакций в рецепторах сетчатки, конечной скоростью передачи сигнала в мозг и его последующей обработки. На инерционность зрения оказывает влияние также изменение положения объекта в пространстве.

Практически очень важным случаем является периодическое воздействие на глаз светового потока. В этом случае можно построить визуальное восприятие яркости L в зависимости от истинной яркости В (рис. 2.13). Видно, что L меняется по закону, близкому к экспонециальному с постоянной времени , равной (0,1  0,15)с. Интересно отметить, что ощущение звука имеет  = 0,16с.

Поскольку глаз инерционен, то при увеличении частоты следования световых импульсов видимый (ощущаемый) перепад яркости уменьшается, а затем при некоторой критической частоте пульсации яркости становится незаметным. Эта критическая частота (рис. 2.14.): f_kp = a lgL + b, где a и b – постоянные коэффициенты, зависящие от скважности импульсов, их формы и спектрального состава света.

Для L = 30 кд/м² (белый свет), скважности 2 (a = 9,6; b = 65) критическая частота:

f_кр = 41 Гц.

Именно f_кр определяет частоту смены кадров в кино и ТВ. (Кстати, у насекомых f_кр200 Гц).

Если частоты мельканий выше f_кр, то яркость воспринимается как постоянная величина, равная: , где T – период изменений истинной яркости, L – воспринимаемая (ощущаемая, визуальная) яркость.

Это закон Тальбота.

Можно утверждать, что современное кино и телевидение зиждятся на инерционности зрения. Можно напомнить, что слитность движений наступает уже при 16 Гц.

2.6. Пространственные характеристики зрения (рис. 2.15)

Угол зрения одного глаза составляет 140-160^о, двух глаз – более 200^о. В этом случае говорят также о поле бинокулярного зрения, которое образуется взаимопересечением конических фигур с вершинами в каждом глазу и ограничениями из-за деталей лица (нос, брови, скулы). На поле зрения выделяют области, достаточно резко различающиеся между собой:

Центральное зрение (4^о), ясное зрение (до 35^о по горизонтали, до 22^о по вертикали), периферическое (боковое) зрение (75-90^о).

Из диапазона ясного зрения следует формат 3:4, который обычно и используется в ТВ и в кино.

Поле ясного зрения увеличивается, а также пропадают «провалы» (напр., слепое пятно) за счет почти непрерывного движения («дрожания») глаз. Эти движения синхронны для обоих глаз и называются саккадическими движениями. При расстоянии до объекта 30 см (чтение текста) саккадические движения позволяют просмотреть пространство в 5 букв за 15-20 мс. Для других значений угловых перемещений требуются большие времена:

Оба глаза фокусируются на объекте одновременно, при этом обе зрительные оси сходятся в общей точке. Процесс сведения осей называется конвергенцией и происходит за  165 мс.

Угловая разрешающая способность глаза оценивается минимальным углом зрения _min под которым видны две рядом расположенные детали изображения, разделенные промежутком, имеющим яркость, отличную от яркости этих деталей (рис. 2.16).

Величина _min зависит от следующих факторов.

1. Дифракция света на зрачке. Свет проходит через зрачок диаметром dзр ( 8 мм). По принципу Гюйгенса, каждая точка зрачка излучает (рис. 2.17). Если расстояние от центра зрачка до точки a равно f, то при некотором r освещенность становится равной нулю, потому что лучи 1 и 2, 2 и 3 и т.д. различаются на /2. При разности хода лучей в /2 получаем:

.

При учете того факта, что интерференция происходит не на отрезке d_зр, а на диске диаметром d_зр, получим:

.

Диаметр первого кружка рассеяния интерференционной картины можно определить в зависимости от критерия выбора его границы. Если взять критерий Рэлея, когда максимум изображения одной точки совпадает с первым минимумом второй точки (рис. 2.18), т.е. провал интенсивности составляет 27%, тогда:

Для  = 500 нм, d_зр = 5 мм, _min = 0,03. Это теоретический предел разрешающей способности глаза за счет дифракции.

2. Дискретность структуры чувствительного поля глаза. Для различения двух точек изображения надо, чтобы между двумя возбужденными рецепторами был хотя бы один невозбужденный. В желтом пятне расстояние между центрами смежных колбочек составляет  2 мкм, т.е. расстояние между возбужденными рецепторами r₀ должно быть не менее 4 мкм, что составляет min  0,06.

3. Другие причины ограниченного разрешения – хроматическая аберрация в хрусталике и др. Особенно сильно сказывается уменьшение яркости – за счет увеличения размеров рецептивных полей.

Оценивая разрешение глаза в целом, можно сказать, что при яркости 100 кд/м² и предельном контрасте ( 100) наименьший угол зрения составит около одной угловой минуты. Отсюда, зная яркость изображения, размеры изображения и расстояние до экрана, можно определить максимальное число элементов разложения.

Однако выше речь шла о предельных значениях, т.е. о предельно большом количестве элементов разложения. А сильно ли сказывается зрительно уменьшение числа элементов разложения от предельно большого, определяемого разрешающей способностью глаза?

Эксперимент (Рыфтин, 1933) показал, что кажущееся изменение четкости G пропорционально относительному изменению числа элементов разложения N изображения:

, где  - коэффициент пропорциональности.

Или: .

Отсюда: G =  lnN + C

При N = 1, G= 0 (нулевая четкость), т.е. С = 0.

При G = 1, N = N_max, т.е. .

Итак: .

G принимается равным 1 при любом N, выбранном как N_max, а затем идет ухудшение четкости G при уменьшении их общего количества до N.

Если N_max = 8510⁴ (800 строк, формат 4/3), то графически (рис. 2.19) видно, что изменение числа элементов изображения вдвое уменьшает кажущуюся четкость изображения на 5,1%, но при малом N_max четкость G падает очень сильно.

ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ