Человеческий фактор. Том 5 - Крёмер К.
ISBN 5-03-001817-4
Скачать (прямая ссылка):
5.7. Контраст
Для того чтобы изображение на экране видеодисплея могло быть видимым, оно должно обладать либо большей, либо меньшей яркостью, чем фон. Различие яркостей объекта и фона определяет контраст изображения. Существует несколько разных способов количественного выражения контраста. Все они представляют собой отношение между яркостью объекта и яркостью фона. Простейшим выражением контраста является относительный контраст
Kn = LtAaKc/L мии, (5.4)
где LMaкс — яркость той части изображения (объекта или фона), которая имеет наибольшую интенсивность, LMHH — яркость остальной части изображения.
Другое выражение для контраста, обычно предпочитаемое специалистами-оптиками, называется модуляционным контрастом:
Км = -L-MaKC ~1мин . (5.5)
^макс ^мин
Модуляционный контраст часто применяется как основной критерий качества дисплея, а также используется для измерения характеристик зрительной системы человека. Ниже мы обсудим понятия модуляционной передаточной функции (МПФ), выражающей качество изображения на видеодисплее, и функции порогового контраста, выражающей характеристики зрительной системы. Эти функции совместно с фурье-анализом используются для математического выражения ухудшения изображений при их передаче через оптические системы, например через объектив фотоаппарата или при выводе их на видео-
Разработка визуальных средств отображения информации_137
дисплей [8, 47]. Сходные процедуры уже долгие годы приме* няются для анализа временных свойств различных систем, например телефонов и высококачественных фотоснимков. Эта процедура, называемая также анализом линейных систем, позволяет разложить любую периодическую волну в ряд по гармоникам основной частоты с различными амплитудами и фазами. На рис. 5.15 показано, как почти прямоугольное распределение яркости можно получить путем суммирования небольшого числа синусоидальных волн различной частоты и амплитуды.
Процедура, позволяющая разложить данную волну в ряд по гармоникам, называется фурье-ана-лизом. Обратная процедура, посредством которой форма волны восстанавливается в результате суммирования гармоник, называется фурье-синтезом.
Зрительную систему человека можно описать в терминах ее чувствительности к восприятию изображения с различной пространственной частотой. Понятие пространственной частоты является основным для определения функции порогового контраста и МПФ [8].
На рис. 5.16 пороги контраста представлены как функции пространственной частоты [47]. Человеческий глаз наиболее чувствителен к пространственным частотам от 3 до 5 периодов на градус, в то время как высокие пространственные частоты (т. е. частую решетку из тонких полосок), так и низкие (т. е. редкую решетку), человеку увидеть труднее. При высоких уровнях яркости происходит небольшой сдвиг максимальной чувствительности — к частоте около 6 периодов на градус.
Любая оптическая система, будь то объектив или видеодис-плей, ухудшает исходное изображение. Величина этого ухудшения зависит от размеров изображения и может быть количественно выражена посредством передаточной функции дисплея. Большие детали, соответствующие низким пространственным частотам, воспроизводятся без существенных искаже*
Рис. 5.15. В результате сложения синусоид образуется почти «прямоугольная» функция.
138
Глава 5
ний. Трудности возникают с воспроизведением мелких деталей, соответствующих высоким пространственным частотам, поскольку они больше подвержены влиянию шума и размыванию в системе. На рис. 5.17 показана МПФ видеодисплея. Обратите внимание на то, что на низких пространственных частотах воспроизведение совершенно — контраст равен единице, а на высоких пространственных частотах кривая МПФ (и контраст) быстро понижается.
Пространственная частота, период на градус
Рис. 5.16. Порог контраста как функция пространственной частоты. Отметим, что зрительная система наиболее чувствительна к пространственным частотам около 3.. .5 периодов иа градус [47].
Размывание, разрешающая способность и МПФ связаны с четкостью знаков на видеодисплее. Однако стандартные процедуры для измерения этих параметров не разработаны. Обычно для измерения распределения яркости на буквах, формируемых на экране видеодисплея, применяют фотометр с микросканирующей щелью, позволяющей определить профиль яркости единичной точки буквы. На рис. 5.18 показан пример распределения яркости вдоль точечно-матричной буквы, где одна точка не светится [37]. В том случае, когда одна точка выключена (что на кривой соответствует впадине), контраст между включенными и выключенной точками равен 0,45. Это происходит благодаря тому, что яркостные профили отдельных точек имеют форму распределения Гаусса и частично перекрываются. По мере возрастания пространственной частоты контраст точек уменьшается и МПФ постепенно понижается.
Разработка визуальных средств отображения информации
139
Сравним МПФ видеодисплея с функцией порогового контраста (рис.
5.19). Когда пространственная частота возрастает до определенного значения, кривая МПФ пересекает функцию порогового контраста, причем точка пересечения соответствует пределу разрешения, за которым человеческий глаз уже не различает более тонких деталей изображения. Разумеется, предел разрешения изменяется в зависимости от яркости и контраста изображения.
