Содержание к диссертации
Введение
1. Общие принципы получения зрительной информации 10
1.1. Сигналы зрительной информации 10
1.2. Преобразования, передача и запись сигналов информации 19
1.3. Восприятие зрительной информации 38
Выводы 45
2. Обобщенная физико-математическая модель зрительного анализатора 47
2.1. Модель зрительного анализатора 47
2.2. Восприятие двумерного неподвижного объекта 51
2.3. Восприятие изменений объекта во времени 76
Выводы 98
3. Количественная оценка информации, воспринимаемой зрительным анализатором 101
3.1. Информационная емкость системы и информационная плотность воспринимаемого сигнала 101
3.2. Двумерный неподвижный объект и его изображение ПО
3.3. Изменяющийся во времени объект и его изображение 139
Выводы 179
4. Цветной объект 182
4.1. Восприятие цвета объекта 182
4.2. Количество воспринимаемой информации 203
Выводы 213
5. Трехмерный объект 215
5.1. Восприятие трехмерного объекта 215
5.2. Количество воспринимаемой информации 227
Выводы 234
Заключение 236
Литература
- Преобразования, передача и запись сигналов информации
- Восприятие двумерного неподвижного объекта
- Двумерный неподвижный объект и его изображение
- Количество воспринимаемой информации
Введение к работе
Человек получает извне информацию посредством своих органов чувств - зрения, слуха, обоняния, осязания и т.п. Эта информация служит основой жизнедеятельности людей. Считается, что основную часть поступающей информации воспринимает орган зрения человека. Однако органы зрения не только получают зрительную информацию, но также служат для координации действий человека в пространстве при его перемещениях, взаимодействии с другими людьми, в процессе его трудовой деятельности и т.п.
С развитием цивилизации человек стал записывать информацию сначала в виде наскальных рисунков, а затем в виде письменности, книгопечатания, живописи. Запись и получение данной информации (исходящей от людей) осуществляется с использованием органов зрения человека.
В середине XIX века была изобретена фотография, а затем и кинематограф. Была создана техническая база для документальной записи зрительной информации, а также заложены основы фотографического и кинематографического видов искусств. С появлением телевидения началась эра передачи зрительной информации на расстояние.
Велика роль зрения также в информационно-измерительной технике. С целью увеличения зрительной информации воспринимаемой человеком в пространстве были созданы микроскоп, телескоп, стереотрубы и т.п. Для исследования изменений во времени и в пространстве быстропротекающих процессов начала широко использоваться высокоскоростная киносъемка и фоторегистрация. Данные приборы и методы позволяют значительно увеличить объем получаемой зрительной информации и тем самым повысить точность измерений изменений объектов изучения как в пространстве, так и во времени. Однако роль зрения не ограничена измерениями только объектов, воспринимаемых зрительно. Глаз человека практически является конечным звеном при измерениях любых параметров изучаемых процессов, веществ и явлений, будь то температура, давление, влажность, громкость звука и т.п. Это объясняется тем, что на выходе любого измерительного прибора результаты измерений выводятся на табло, дисплей, стрелочный прибор или другой индикатор, воспринимаемый органами зрения экспериментатора.
Конечно, требования к параметрам приборов и систем записи и передачи зрительной информации, измерительных приборов необходимо согласовывать со свойствами органов зрения человека, с их способностью получать, преобразовывать и воспринимать зрительную информацию.
С момента зарождения приборов записи и воспроизведения изображений (фотография, кинематограф, видеотехника) специалисты непрерывно вели работы по обоснованию требуемых параметров приборов с целью повышения качества воспринимаемого изображения, а также улучшения экономических и эргономических показателей систем.
Специалисты в области фотографии, кинематографа и телевидения выполнили серьезные работы по оценке качества изображения, воспроизводимого в системах записи и передачи зрительной информации. Эксперименты проводились с использованием методов психофизических исследований. В настоящее время существуют несколько концепций по оценке качества изображения.
Обоснованию требуемых параметров приборов записи и воспроизведения изображений посвящены работы Эдисона, Айвса, Портера, Шейда, Тальбота, Туна, Трамбела и других зарубежных специалистов. В нашей стране подобные работы велись Е.М.Голдовским, М.В.Антипиным, В.Г.Комаром, С.М.Проворновым, О.Ф.Гребенниковым, Л.Л.Полосиным, Л.Ф.Артюшиным,
Н.К.Игнатьевым, А.В.Луизовым, В.В.Петровым и другими учеными. Основное внимание исследователей было направлено на обоснование параметров приборов, обеспечивающих заданное значение важнейшего субъективного показателя качества изображения - его четкости (резкости). Различными специалистами в качестве одного из основных параметров приборов принята разрешающая способность, критическая пространственная частота, площадь ограниченная пространственной частотной характеристикой и т.п. Все эти параметры косвенно влияют на информационную емкость систем, т.е. на количество получаемой зрительной информации. Однако различный подход к определению требуемых параметров в значительной степени затрудняет сопоставление полученных результатов и особенно обоснование требований к параметрам новых систем.
Рядом авторов (Роуз, И.И.Цуккерман, А.В.Луизов,
О.Ф.Гребенников и др.) предложено принять в качестве параметра систем непосредственно количество зрительной информации, получаемой зрителем при восприятии изображения. Данный путь действительно представляется наиболее перспективным, поскольку учитывает свойства не только приборов записи и воспроизведения изображений, но и зрительного анализатора человека. Однако он затруднен тем, что природа создала совершенный, но чрезвычайно сложный орган зрения человека. Работами ученых вскрыты многие психофизиологические и физические процессы, происходящие в зрительной системе человека. Однако до полного понимания всего механизма зрительного восприятия окружающей среды человеком еще очень далеко.
Решение проблемы нахождения количества получаемой зрителем информации при рассматривании воспроизводимых изображений наиболее актуально в настоящее время в связи с проведением интенсивных работ, направленных на создание новых систем записи и воспроизведения изображения (электронный кинематограф, цифровая фотография и т.п.), а также на совершенствование существующих приборов и систем. Обоснованию требуемых параметров данных приборов и систем вновь уделяется большое внимание и посвящено множество опубликованных работ.
В настоящей работе ставится задача создания на базе обобщенной физико-математической модели зрительного анализатора методологии количественной оценки воспринимаемой зрительной информации с целью оптимизации параметров приборов записи и воспроизведения изображений. С этой целью в первой главе рассматриваются общие физические процессы, сопровождающие получение человеком зрительной информации. Во второй главе делается попытка разработки обобщенной физико-математической модели восприятия зрительной информации, позволяющей находить аналитическими методами зрительные образы, воспринимаемой человеком действительности. В третьей главе разрабатывается методика количественной оценки воспринимаемой человеком зрительной информации при наблюдении как реальных объектов, так и их изображений на экранах кинотеатров или кинескопов. Четвертая и пятая главы посвящены рассмотрению особенностей восприятия цветных и трехмерных объектов и их изображений.
Для того чтобы не перегружать изложение материала громоздкими математическими и арифметическими преобразованиями при общем анализе систем допускаются некоторые упрощения. Например, зрительный анализатор считается достаточно линейной системой, оптическая система глаза рассматривается как бесконечно тонкая линза, широко используются аппроксимации функциями удобными для математических преобразований и т.п. Эти упрощения не влияют на конечный результат при общем анализе систем. Главная задача работы показать общую методологию анализа преобразования сигналов в зрительном анализаторе, которая в случае надобности может быть применена для анализа конкретных систем с использованием уточненных параметров зрительного анализатора, а также систем записи и воспроизведения изображений (частотных характеристик, импульсных реакций, спектральных характеристик и т.п.).
Разработанная методология апробирована автором при решении задач по нахождению оптимальной яркости киноэкрана, параметров фотографического и электронного кинематографов, обеспечивающих отличную четкость изображения, требуемой частоты кинопроекции в системе кинематографа высокого качества, принципа построения кинопроектора нового поколения и др.
Полученные результаты подтверждены выполненными экспериментальными исследованиями.
Преобразования, передача и запись сигналов информации
Системы преобразования, передачи и записи сигналов визуальной информации являются промежуточными звеньями между объектом наблюдения и зрительным анализатором. Они расширяют возможности получения зрительной информации.
Преобразования светового сигнала осуществляются, как правило, оптическими системами. Наиболее распространены простейшие оптические устройства - очки, которые служат для устранения дефектов оптической системы глаза. Бинокли, зрительные трубы, телескопы создают мнимое изображение удаленного объекта наблюдения, рассматриваемое наблюдателем с расстояния наилучшего видения (25-30 см). Лупы и микроскопы создают мнимое изображение объекта наблюдения на расстоянии наилучшего видения в увеличенном виде. Существуют приборы ночного видения, содержащие электронно-оптические преобразователи, образующие изображение объекта со значительным усилением яркости, а также приборы, преобразующие излучения, не воспринимаемые ЗА (ультрафиолетовые, инфракрасные, рентгеновские), в видимое изображение, образованное на специальном экране. Стереотрубы позволяют значительно расширить базис зрения, за счет чего повышается точность определения расстояния до объекта наблюдения. Известны и другие устройства предварительного преобразования световых сигналов.
Передача сигналов информации в настоящее время осуществляется в основном электрическими сигналами по кабельным каналам связи, радиосигналами через эфир и световыми сигналами по световолоконным каналам связи. Каналы связи, как правило, позволяют одновременно передавать множество независимых друг от друга сигналов информации. Для этого передаваемые сигналы модулируют по амплитуде, частоте или фазе несущую частоту. Выбирая необходимый набор несущих частот, спектры передаваемых сигналов разносят в частотном пространстве таким образом, чтобы они не перекрывали друг друга. При этом каждый передаваемый сигнал может описываться функцией только одной переменной - t.
Системы передачи сигналов делятся на две большие группы -системы аналоговой передачи сигналов и системы дискретной передачи сигналов.
Аналоговая передача сигналов - это непрерывная передача, при которой каждому мгновенному значению исходного сигнала отвечает соответствующее мгновенное значение передаваемого сигнала. Передаваемый сигнал подобен по своей форме исходному и возникает в результате «развертки» сигнала по одному из аргументов (х ,у Д,...) функции, описывающей исходный сигнал, вдоль оси времени t. В процессе развертки один из аргументов исходного сигнала преобразуется в аргумент t. Понятно, что если исходный сигнал является функцией времени (например, звуковой сигнал), то развертка сигнала не требуется.
Дискретная передача сигналов - это передача последовательных значений исходного сигнала, взятых через определенные интервалы времени. Она осуществляется в результате предварительной дискретизации сигнала и «укладки» последовательных значений сигнала вдоль оси времени t. Дискретизация - это преобразование непрерывного сигнала в последовательность его значений, взятых через определенные интервалы, называемые шагом дискретизации. Укладка - это совмещение дискретных значений исходного сигнала с осью времени t. При укладке шаг дискретизации исходного сигнала преобразуется в шаг укладки Т . Понятно, что если исходный сигнал описывает функция времени, процесс укладки не требуется, а шаг укладки равен шагу дискретизации.
Дискретная передача сигналов бывает с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ) и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В этих системах сигнал модулирует несущие импульсы или по амплитуде или по ширине. Особый вид дискретной передачи сигналов имеет место в цифровых системах, где осуществляется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). В данных системах передается не физическая величина импульса или его ширины, а ее цифровое значение в закодированном виде.
Передача звукового сигнала как в аналоговой, так и в дискретной форме не вызывает особых затруднений, поскольку звуковой сигнал описывает функция одной переменной - t. На входе передающей системы преобразователем звукового сигнала является микрофон, а на выходе - громкоговоритель.
При передаче зрительной информации необходимы особые преобразования исходного сигнала, поскольку изображение описывается функцией нескольких переменных. Перед передачей изображение требуется представить одномерным сигналом времени t. Рассмотрим данный вопрос более подробно на примере несколько упрощенной системы цветного телевидения, в которой передается изображение, описываемое функцией F(x,y,A,,t).
Восприятие двумерного неподвижного объекта
В данном случае считаем транспарант черно-белым и неподвижным. Входное изображение описывает функция FBx(x ,y ), а его спектр SBx(fx,fy). Считаем, что транспарант расположен в пределах поля ясного видения одного глаза и имеет угловые размеры 30x22 град. (рис.2.2) При проведении анализа делаем допущение о том, что ЗА является системой достаточно линейной и инвариантной к сдвигу. При этом следует иметь в виду следующее.
Восприятие мелких деталей объекта зависит не только от свойств оптической системы глаза, но и от структуры сетчатки, которая неравномерна по всей ее поверхности. В дальнейшем мы будем иметь в виду только дневное или колбочковое зрение, которое имеет место при яркостях объекта более 0,1...1,0 кд/м . Разрешающая способность выше всего в области центральной ямки сетчатки (желтого пятна) и быстро падает с удалением от нее. На угловом расстоянии +20 от центральной ямки разрешающая способность снижается почти в десять раз [11]. Только в пределах зоны наиболее четкого видения ( 1-2) разрешающая способность ЗА достигает своего максимального значения. Следовательно, в общем случае, ЗА не удовлетворяет условию инвариантности к сдвигу. Однако, как было показано выше (см.главуї), при рассматривании объекта (а также и его изображения), глаз как бы «обследует» наблюдаемый предмет, обегая его взором. При этом он совмещает с заинтересовавшей его деталью объекта зону наиболее четкого видения. Последнее в какой-то степени компенсирует неинвариантность к сдвигу ЗА. Поэтому вполне допустимо при общем анализе считать ЗА системой удовлетворяющей условию инвариантности к сдвигу в пределах поля ясного видения.
Для решения равенств (2.1) и (2.2) необходимо знать импульсную реакцию или ПЧХ ЗА. Многими исследователями предпринимались попытки нахождения данных характеристик ЗА. Для апробации предложенной модели ЗА применим один из подходов к определению ПЧХ ЗА.
Методы экспериментального определения ПЧХ оптических систем и кинопленок основаны на измерении глубины модуляции выходного изображения периодической решетки (миры) при заданной постоянной глубине модуляции в решетке на входе. Данный метод не применим для нахождения ПЧХ зрительного анализатора, поскольку непосредственно определить глубину модуляции в воспринимаемом зрителем изображении тест-объекта -задача чрезвычайно трудная. Вследствие этого многими исследователями использовался косвенный метод нахождения ПЧХ зрительного анализатора. Рассмотрим один из методов, который основан на предварительном определении зависимости пороговой глубины модуляции от пространственной частоты решетки. Причем под пороговой глубиной модуляции понимается граничное значение глубины модуляции в тест-объекте, начиная с которого зритель перестает замечать его периодическую структуру и воспринимает тест-объект как равномерно светящуюся поверхность.
Схема установки для нахождения пороговой глубины модуляции показана на рис. 2.3. В установке используются два проекционных канала I и II с осветительными системами 1 и 2. В кадровом окне проекционного канала I установлен тест-объект 5 - решетка с синусоидальным распределением коэффициента пропускания и заданной пространственной частотой. Объектив 6 данного канала образует в плоскости экрана 9 изображение решетки, а объектив проекционного канала II создает световой фон. Световые потоки проекционных каналов I и II объединяет полупрозрачное зеркало 8, поэтому на экране 9 оба канала образуют суммарную освещенность.
В оптических системах обоих проекционных каналов установлены дозаторы света 3 и 4. Каждый из них представляет собой два поляроида, один из которых можно поворачивать вокруг оптической оси системы, изменяя ее коэффициент пропускания, а следовательно, и освещенность изображения решетки или светового фона на экране 9.
Эксперимент состоит в следующем. Наблюдатель рассматривает изображение тест-объекта на экране 9, постепенно снижая глубину модуляции путем уменьшения коэффициента пропускания оптической системы проекционного канала I и одновременного пропорционального увеличения коэффициента пропускания оптической системы проекционного канала II. При этом он добивается такого значения глубины модуляции Тпор, при котором перестает замечать полосы в изображении тест-объекта. Изменение коэффициентов пропускания оптических систем обоих проекционных каналов осуществляется таким образом, что средняя освещенность Е Ср изображения на экране остается неизменной. Это необходимо для того, чтобы адаптация зрительного анализатора была постоянной.
Двумерный неподвижный объект и его изображение
Приведенные значения информационной емкости ЗА справедливы когда наблюдатель длительное время рассматривает конкретный объект (транспарант), «обегая» его взором и совмещая с заинтересовавшими его деталями объекта зону фовеального зрения. В данном случае ЗА допустимо рассматривать как инвариантную к сдвигу систему. Если же наблюдателю предъявляют объект на ограниченное время или он его рассматривает при неподвижном взоре, то необходимо учитывать снижение разрешающей способности ЗА по полю изображения (см. рис.2.9). В данном случае разрешающую способность ЗА следует принять равной ее средней величине в пределах поля ясного видения. На основе рис.2.9 вычислено, что если поле ясного видения составляет ±15 по горизонтали и ±11 по вертикали, то среднее значение разрешающей способности ЗА Ncp=0,32N3a. Следовательно при L=100 кд/м Ncp=52 1 0 1 мм" , а при L=12 кд/м Ncp=41 мм" . Для таких значений разрешающей способности информационная емкость ЗА составит Н =1,9х106 и Н =1,2х10б нат.ед. для яркостей поля адаптации 100 и 12 кд/м соответственно, т.е. снизится примерно в десять раз. В 111 і дальнейшем изложении материала, если не будет особых оговорок, то будем считать ЗА удовлетворяющим условию инвариантности к сдвигу.
Информационная плотность воспринимаемого ЗА светового сигнала на основе выражения (3.16) будет равна для Ь=100кд/м2 Н р=2,4х105 нат.ед/мм2=3,5х105 бит/мм2; для L=12 кд/м2 Н р=1,5х105 нат.ед/мм2=2,2х105 бит/мм2.
Информационная емкость и информационная плотность светового сигнала определяют на сколько четко воспринимает ЗА наблюдаемую действительность. Чем больше значения этих величин, тем лучше распознаются мелкие детали объекта, а воспринимаемая резкость крупных деталей возрастает. Приведенные примеры показывают, что с увеличением яркости поля адаптации ЗА с 12 до 100 кд/м как информационная емкость ЗА, так и информационная плотность светового сигнала возрастают в 1,6 раза. Следовательно и воспринимаемая четкость наблюдаемых объектов при этом повышается.
При наблюдении действительных объектов фильтрующее действие ЗА ограничивает минимальные размеры деталей объекта различаемых глазом. Реальные объекты окружающего нас мира содержат детали сколь угодно малых размеров. Следовательно, спектр объекта не ограничен по частоте. Допустимо считать, что спектр реального объекта в общем случае равен единице в пределах воспринимаемых ЗА частот. Спектр сигнала на выходе ЗА в этом случае всегда будет равен ПЧХ ЗА.
Если объект (транспарант) расположен на расстоянии S06=2,5 м от наблюдателя, то при N3a=162 мм"1 глаз различит на поверхности транспаранта решетку с частотой до No6=N3aPo =162(30, где (30 -линейное увеличение глаза, равное po=f 3a/SO6=1672500=0,0064. Следовательно NO6=162x0,0064=1,04 мм"1. При этом минимальное расстояние между двух различаемых точек объекта примерно составит 1 мм. Приблизим теперь транспарант к наблюдателю на расстояние SO6=250 мм. Разрешаемая глазом частота на объекте повысится до NO6=10,4 мм"1, а минимальное расстояние между двух различаемых точек объекта снизится до 0,1 мм. Мелкие детали объекта для наблюдателя стали лучше распознаваться, однако это не увеличило информационной емкости ЗА и количества получаемой им информации. Действительно, если в обоих случаях в пределах взора наблюдателя находится участок транспаранта ограниченный полем ясного зрения наблюдателя, то его площадь равна Q06=Q/Po Площадь изображения объекта на поверхности сетчатки глаза в этом случае составит Q=Q06Po Поскольку N NaaPo» то можем написать N3a=N06/Po
Количество воспринимаемой информации
Информационная емкость ЗА по восприятию цветов зависит от максимального количества Мза цветов, которое ЗА способен различить. Вопросом нахождения максимального количества различаемых цветов занимались многие исследователи.
Как было показано выше, ЗА различает 150 спектральных цветов и 30 пурпурных цветов, т.е. всего 180 монохроматических цветов. Если считать, что ЗА воспринимает к=180 тонов, насыщенность которых изменяется от 1 до 0, причем для каждого тона существуют L цветов, различаемых ЗА по их насыщенности, то ЗА воспримет M3a=Lk=L180 различающихся между собой цветов.
Однако по мере снижения насыщенности цветов количество различаемых ЗА тонов уменьшается, а количество различаемых по насыщенности цветов для каждого цветового тона различно. Поэтому решить поставленную задачу в общем виде невозможно.
На рис.4.6 показан цветовой график, построенный Райтом, с нанесенными на него отрезками прямых, которые представляют собой интервалы цветности, соответствующие одинаковым зрительным ощущениям. Из рисунка следует, что область зеленых цветов (верхняя часть графика) слишком растянута, а сине-пурпурных (нижняя часть графика) - очень сжата. Аналогичную картину можно видеть на графике рис.4.7, построенном Мак Адамом. Каждая исследуемая точка цветности окружена эллипсом, представляющим собой геометрическое место точек, соответствующих одинаковому зрительному восприятию цвета. Для наглядности оси эллипсов на рис.4.7 увеличены в 10 раз.
Аналогичные исследования проводились и другими исследователями. В результате было установлено, что число различаемых ступеней L чистоты цвета от чисто спектрального до белого колеблется для различных длин волн от 4 (для желто-зеленого) до 20 - 25 (для синего и красного). Общее количество цветов, воспринимаемых глазом при постоянной яркости объекта достигает 4000-6000. Число же градаций (уровней) яркости, различаемых ЗА, как было показано, составляет 253. Общее число цветов, отличающихся как по цветовому тону и чистоте, так и по ярко сти и различаемых ЗА, достигает нескольких десятков тысяч.
Общее число цветов, воспринимаемых ЗА зависит от многих переменных факторов, поэтому до сих пор оно не установлено.
Примем в первом приближении, что число различаемых глазом цветов, которые отличаются друг от друга тоном, насыщенностью и яркостью составляет Мза=20000...60000. Тогда информационная емкость ЗА по цвету будет равна всего лишь Н =9,9...11,0 нат.ед. Однако данные цифры мало о чем говорят, поскольку восприятие указанного количества цветов (без изображения) действительно не несет в себе существенной информации.
Как уже указывалось, природа снабдила человека цветным зрением в основном с целью увеличения распознаваемости деталей окружающего человека мира. Поэтому правильнее учитывать информацию вносимую цветовым зрением как дополнение к информации, получаемой ЗА о пространстве. Если при восприятии ахроматических цветов, т.е. черно-белых объектов, ЗА различает 253 уровня яркости то при цветовом зрении к данному количеству градаций яркости добавляется определенное количество качественных показателей цвета - цветовой тон и чистота цвета. Последние могут различаться ЗА для каждой фиксированной яркости объекта, увеличивая количество воспринимаемых уровней сигнала до 20000...60000.
Следовательно, приближенно можно принять, что логарифм отношения сигнал/шум будет равен т=1п(1/Д)=1п(20000...60000)= =9,9...11,0 нат.ед. Информационная плотность светового сигнала в пространстве, воспринимаемого ЗА, составит H p=4N23a(9,9...11,0)[l-2/(2+l,45)] нат.ед./мм2, т.е. увеличится по сравнению с наблюдением черно-белых объектов (т=5,5) примерно в два раза.
Приведенные данные, конечно, дают только общее представление о получаемой наблюдателем информации при восприятии окружающей его действительности. Появление воспринимаемых цветов объектов наблюдения только условно можно считать равновероятным по получаемой извне информации. В повседневной жизни цвета многих наблюдаемых объектов априори известны наблюдателю и их появление не добавляет существенной информации о наблюдаемой сцене. В других же случаях, особенно когда важна распознаваемость наблюдаемых объектов, их цвет несет в себе существенную долю получаемой извне информации.
