Функциональные особенности зрительной системы

Кроме спектральной чувствительности глаза, также и другие функциональные особенности зрительной системы человека учитываются при оценке качества изображения, при поиске путей улучшения параметров изображения, при кодировании, оцифровке изображений, при световых и цветовых расчетах и определениях, в свето- и цветоизмерительных устройствах. А для создания высококачественного кино- фото- или видеоизображения необходимо осознавать, как воспринимает и воспроизводит освещаемый объект съемки то или иное устройство и как его воспринимает зрительная система. Ибо только четкое понимание этих процессов позволит специалисту легко обеспечить требуемую свето- и цветотональную передачу в «картинке» зарегистрированного изображения с учетом ограничений вносимых теми или иными устройствами воспроизведения изображений.

Зрительная система человека включает в себя глаза, зрительный нерв и участки головного мозга, преобразующие световые стимулы в такой комплекс нервных возбуждений, которому субъективно соответствует зрительное восприятие. Ультрафиолетовая (менее 380 нм) и инфракрасная (более 780 нм) границы видимой области спектра – пределы воздействия излучений на биологические ткани и клетки зрительной системы. В этом диапазоне длин волн (от 380 нм до 780 нм) находится область световых излучений, не подвергающая зрение биологическим изменениям и позволяющая человеку воспринимать окружающий мир во всей полноте яркостей и цветов.

1.4.1. Строение глаза.

Человеческий глаз – это часть зрительной системы, в которой создается оптическое изображение внешнего мира и происходит преобразование этого изображения в нервные возбуждения. Глаз является уникальным оптическим прибором физиологического действия. Он (рис.1.4.1– схематически-условный разрез глаза), по С.В. Кравкову, представляет собой глазное яблоко шарообразной формы, состоящее из трех оболочек. Внешняя оболочка - это твердый непрозрачный белковый слой, толщиной 0,4-1,1 мм, называемый склерой 1. Склера предназначена для защиты глаза. Передняя часть склеры – роговая оболочка (роговица) 2 – прозрачна и имеет более выпуклую форму. Под склерой находится сосудистая оболочка 3, толщиной до 0,35 мм,в которой заключены кровеносные сосуды, питающие глаз. Сосудистая оболочка спереди переходит в ресничное (цилиарное) тело 4, а затем – в радужную оболочку (радужку) 5. Радужная оболочка, представляющая собой передний отдел сосудистого тракта, состоит из кровеносных сосудов, мышечных волокон и пигментных клеток. От количества последних зависит ее цвет. К внутренней стороне сосудистой оболочки примыкает светочувствительный слой глаза – сетчатка (ретина) 10. Сетчатка – сетчатая оболочка имеет довольно сложное строение и насчитывает в разрезе 10 слоев: от слоя пигментного эпителия, рецепторного слоя палочек и колбочек до ганглиозных клеток и волокон зрительного нерва, переходящих в зрительный нерв 11. Т.о. сетчатка представляет собой разветвление зрительного нерва.

Пигментный слой предохраняет оптическое изображение, создаваемое глазной двояковыпуклой линзой, представляющую собой упругое прозрачное тело – хрусталиком 6, от чрезмерного искажения рассеянным светом. Хрусталик делит внутреннюю полость глазного яблока на две камеры. Пространство между хрусталиком и роговой оболочкой (передняя камера 7) заполнено так называемой водянистой влагой. Она преимущественно состоит из воды (99%), в которой растворены соли и белки. За хрусталиком находится стекловидное тело 8, также состоящее главным образом из воды и заключенное в тончайшую, совершенно прозрачную стекловидную оболочку, которая плотно прилегает к сетчатке. А вот между хрусталиком и стекловидным телом есть т.н. захрусталиковое пространство (на рисунке не показано). Фокусирующая система глаза – система иммерсионная, в которой хрусталик находится в жидкой среде с показателем преломления, близким к показателю преломления воды. Показатель преломления хрусталика несколько больше, чем показатель преломления водянистой жидкости и стекловидного тела. Переднее фокусное расстояние глаза отличается от заднего по знаку и абсолютному значению. Т.е. луч света проходит через несколько преломляющих плоскостей, каждая из которых отличается от сферической формы, а их оптические центры не лежат на одной прямой, что создает нецентрированность оптической системы. Зрительная ось 15 глаза сдвинута относительно его оптической оси 16 на 5˚. Центр вращения глаза расположен на зрительной оси на расстоянии около 13,5 мм от наружной поверхности роговицы.

Отверстие в центре радужки – зрачек 5-1 – играет роль диафрагмы. При изменении величины светового потока, попадающего на радужку глаза, площадь зрачка меняется: либо круговые мышцы радужки сужают его, либо радиальные расширяют. Эти реакции зрачка (зрачковый рефлекс) непроизвольны, и их роль заключается в предохранении светочувствительного слоя глаза 10 от чрезмерного раздражения при повышении освещенности. При ее снижении зрачковый рефлекс обеспечивает достаточную чувствительность сетчатки.

В таблице 1.4.1. приведены основные параметры усредненной оптической системы глаза, используемые в расчетах.

Таблица 1.4.1.

Длина среднего глаза по оптической оси	23,4 мм
Радиус кривизны роговицы	6,8 мм
Радиус кривизны поверхности сетчатки	10,2 мм
Показатель преломления: · хрусталика · роговицы · передней камеры и стекловидного тела	1,386 1,376 1,336
Месторасположение оптических точек относительно вершины роговицы: · главных · узловых	0 мм 6,8 мм
Фокусное расстояние при аккомодации глаза на∞: · переднее · заднее	- 17,055 мм 22,785 мм
Оптическая сила (рефракция) при аккомодации на∞	58,82 диоптрии

Если в оптических приборах наводка на резкость осуществляется изменением расстояния от объектива до плоскости получения оптического изображения, то в органе зрения аналогичный процесс происходит путем изменения оптической силы хрусталика, посредством изменения кривизны его поверхностей. Кривизной управляют мышцы ресничного тела, находящегося в основании радужной оболочки. Например, при сокращении кольцеобразных мышц уменьшается натяжение циановых связок 9 хрусталика и тогда упругий хрусталик принимает естественную для него выпуклую форму, фокусное расстояние хрусталика уменьшается и на сетчатке формируется резкое изображение близко расположенного предмета. Если же рассматривать удаленные предметы, то при фокусировке кольцеобразные мышцы ресничного тела будут расслабляться, а радиальные – сокращаться. После такого воздействия хрусталик становится менее выпуклым и его фокусное расстояние возрастает. Способность хрусталика создавать на сетчатке четкие изображения различно удаленных предметов путем изменения своей формы, а значит, и фокусного расстояния, получила название аккомодация(отлат.accomodatio – приспособление). Нормальное зрение характерно при полностью расслабленной аккомодационной мышце (f_макс), когда предметы четко видны в бесконечности – дальняя точка аккомодации. Ближняя точка аккомодации (f_мин) у людей в возрасте до 20 лет обеспечивает формирование изображения предметов на сетчатке с расстояния 10 см. С возрастом ближняя точка фокусировки глаза удаляется и в 50 лет может составлять 40 см, а в 60 лет – даже 200 см.

Весьма распространенными недостатками оптической системы глаза являются дальнозоркость и близорукость (аметропия). Дальнозорким называется глаз, у которого хрусталик строит изображение предметов не на сетчатке, а за нею. При этом глаз не может отчетливо видеть близко расположенные предметы. Близоруким называется глаз, у которого хрусталик создает изображение предметов не на сетчатке, а перед нею. При этом глаз не может отчетливо видеть удаленные предметы. Для устранения этих недостатков необходимо применение очков или контактных линз: собирательных (положительных) – в случае дальнозоркости, и рассеивающих (отрицательных) – в случае близорукости.

Начальные преобразования лучистой энергии в световые ощущения осуществляются нервными окончаниями (рецепторами) сетчатки. Нервные импульсы, возникающие вследствие обратимого фотораспада веществ, находящихся в рецепторах, передаются по зрительному нерву в мозг. Место выхода зрительного нерва – слепое пятно 12 – участок, не содержащий рецепторов. Сетчатка содержит три слоя прозрачных нервных клеток (нейронов), связанных между собой синапсами, которые обеспечивают передачу электрического сигнала от одной клетки к другой. Нейроны, наиболее удаленные от внутренней поверхности сетчатки, оканчиваются рецепторами: палочками и колбочками. Длинные (60-80 мкм) и тонкие (диаметр 3 мкм) рецепторы называются палочками, а короткие (35 мкм) и немного толще (2-5 мкм) –колбочками.Каждый глаз содержит примерно около 130 млн. палочек и свыше 7 млн. колбочек, причем палочки обеспечивают черно-белое зрение, а колбочки – как черно-белое, так и цветное. Шестиугольные по форме клетки пигментного эпителия сетчатки, как линзово-растровая структура, охватывают своими отростками рецепторы. Рецепторы передают сигнал через биполярные клетки второго слоя сетчатки скоплениям нервных волокон, от которых он поступает в зрительный нерв.

Палочки и колбочки расположены на сетчатке неравномерно. В центральной части сетчатки, около оси глаза, преобладают колбочки, а в удаленных от оси глаза местах преобладают палочки. Наибольшее сосредоточение колбочек имеется на так называемом желтом пятне 13, расположенном по зрительной оси, напротив зрачка глаза. Желтое пятно имеет овальную форму с диаметром около 1 мм, что соответствует углу зрения 2˚. С точки зрения цветообразования это наиболее важная область сетчатки. Пятно окрашено желтым пигментом, предохраняющим рецепторы данной области от чрезмерного возбуждения коротковолновыми излучениями. Посредине желтого пятна существует углубление, называемое центральной ямкой (фовеа) 14, диаметр которой составляет 0,25-0,3 мм, чему соответствует угол зрения 1˚. Здесь насчитывается около 50 тыс. колбочек, расположенных очень близко друг к другу. Диаметр колбочек в центре желтого пятна составляет около 2 мкм, что составляет 1/2 угловой минуты. По мере удаления от центра, диаметр колбочек и расстояние между ними увеличиваются. Большая поверхностная концентрация рецепторов обеспечивает высокую разрешающую способность и цветовую чувствительность этого участка сетчатки. Палочки появляются на сетчатке только за пределами двух градусов, и, с удалением от средней части центральной ямки, концентрация палочек постепенно растет и количество колбочек, приходящихся на единицу площади сетчатки, падает.

В результате светового возбуждения палочек или колбочек в мозг передаются со скоростью около 100 м/с электрические импульсы, частота которых увеличивается с ростом освещенности сетчатки. Импульсы достигают затылочных долей мозга, где возбуждают световые ощущения, из которых складывается зрительный образ объекта.

Импульсы возникают в результате фотодиссоциации светочувствительных пигментов, заключенных в рецепторах. Палочки содержат пигмент, называемый рoдопсином (или зрительным пурпуром), который в результате освещения обратимо распадается. По мере распада пигмента в палочках накапливается отрицательный заряд, и когда он достигает порогового значения, в нервном волокне возникает импульс, передаваемый в зрительную зону коры головного мозга. Частота импульсов растет с возрастанием освещенности сетчатки. После прекращения импульса происходит регенерация рoдопсина. В этом процессе участвует пигментный слой, в контакте с которым находятся палочки. Источником энергии, необходимой для протекания реакций, служит кислород, доставляемый кровью к тканям глаза. Максимум светочувствительности родопсина соответствует монохромному излучению с длиной волны λ=507 нм.

Физиологические процессы, протекающие в колбочках, также основаны на фотохимических реакциях светочувствительных пигментов. Светочувствительное вещество йодопсин, входящее в состав колбочек, чувствительно к излучениям в трех зонах видимого спектра, а суммарная максимальная чувствительность соответствует излучению с длиной волны λ=555 нм. Т.е. колбочки делятся на три группы, воспринимающие синие, зеленые и красные области излучения. Реальные излучения раздражают колбочки сразу нескольких групп. Комбинация раздражений дает ощущения голубого, оранжевого и других цветов. Светочувствительность йодопсина невелика, поэтому для его возбуждения необходимы излучения большой мощности.

При наблюдении детали предмета глаз ориентируется так, чтобы ее изображение попало на средину ямки. Такая ориентация обеспечивает наилучшее восприятие. Прямая, соединяющая центр ямки с наблюдаемой точкой предмета – точкой фиксации взора, называется зрительной осью 15. Зрительная ось глаза не совпадает с оптической осью 16. При рассмотрении предмета в целом глаз движется. Он принимает разные положения, и оптические изображения деталей объекта, привлекающие внимание наблюдателя, поочередно проецируются на центральный участок ямки. Глаз как бы «сканирует» наблюдаемый им объект. Вследствие подвижности глаза, мы не испытываем неудобств от того, что наиболее полезный участок сетчатки очень мал. Эти рефлекторные движения глаза играют важную роль в механизме зрения. Он не бывает неподвижным даже в том случае, если взгляд зафиксировать на одной точке наблюдаемого объекта. При этом глаз совершает три вида движения: тремор, дрейф и саккады. На рис. 1.4.2 (по Б.А.Шашлову): 1 – дрейф, 2 – тремор, 3 – саккада, 4 – точка фиксации взгляда, 5 – граница положений фиксации.

Тремор – это мелкое дрожание оптического изображения на сетчатке в виде синусоидальных колебательных движений с частотой 48-50 Гц с амплитудой равной приблизительно половине диаметра колбочки (близкой к расстоянию между рецепторами). Благодаря тремору и растровой структуре сетчатки глаза (согласно теории Л.Ф. Артюшина) осуществляется импульсное и фазовое кодирование оптического изображения, а также передается информация об изменениях цвета мелких деталей.

Дрейф – это перемещение оптического изображения на сетчатке в процессе тремора. В процессе дрейфа происходит фазовое кодирование цветов за полупериод тремора. Длительность дрейфа составляет около 0,2 секунды, а длина перемещения примерно такая же как у возвратных саккад.

Саккады – это скачкообразные прямолинейные перемещения взора (2-3 раза в секунду) по отдельным деталям рассматриваемого объекта. Саккады – это быстрые возвратные движения взора после дрейфа к точке фокусировки. Длина пути в процессе саккады составляет 5-15 угловых минут в зависимости от пристальности взгляда. Благодаря саккадам меняется функция контрастной чувствительности глаза, определяющая цвета крупных деталей.

Согласно новой теории цветового зрения профессора Л.Ф. Артюшина, при перемещении изображения на сетчатке глаза, полученные оптические сигналы дискретизируются подобно цифровым телевизионным сигналам. Частота импульсов, передаваемых в мозг, связана с интенсивностью света приблизительно логарифмической зависимостью. Ощущение яркости зависит от количества отбеленных йодопсина и родопсина. На протяжении одного дрейфа (5 угловых минут за 0,2 с) в каждой из двух строк, расположенных по линии дрейфа возникает по 10 отсчетов цветоразностных сигналов. Через 0,02 с эти сигналы чередуются с одновременно возникающими отсчетами суммарных сигналов, которые формируются суммой реакции рядом расположенных рецепторов. Частота появления суммарных сигналов по линии дрейфа оказывается в 2 раза выше цветоразностных сигналов (что примерно соответствует кодированию компонентного видеосигнала по стандарту 4:2:2). Если принять, что на участке фовеа содержится только 25 000 колбочек, то это будет соответствовать т.н. «зрительной матрице» размером 80х80 угловых минут. Тогда матрица по строкам будет содержит примерно 160 колбочек, формирующих отсчеты для суммарного сигнала через каждые 0,01 с, а для цветоразностных сигналов – через 0,02 с (50 Гц-овая тактовая частота колбочкового зрения, синхронная тремору).

4.2. Световая и спектральная чувствительность глаза.

Cпособность глаза реагировать на предельно малый поток излучения называется световой чувствительностью. Она измеряется как величина, обратная пороговой яркости (L_п ). Пороговой называется та наименьшая яркость объекта, например светящейся точки, при которой она может быть обнаружена с достаточной вероятностью на абсолютно черном фоне с яркостью, приближающейся к нулю (L=0). Вероятность обнаружения зависит не только от яркости объекта, но и от угла зрения, под которым он рассматривается, т.е. от углового размера объекта. С возрастанием углового размера растет и число рецепторов, на которые проецируется рассматриваемый объект. Но следует учитывать, что при увеличении угла зрения более чем на 50˚ чувствительность глаза перестает возрастать. Учитывая вышеизложенное, чувствительность глаза S_п определяется как величина обратная пороговой яркости при условии, что угол зрения α≥ 50˚:

S_п=(1/L_п)_{α≥ 50} (1.4.1)

Человеческий глаз – это удивительный оптический прибор, который может работать практически при любом освещении. Абсолютный световой порог в среднем соответствует освещенности на зрачке порядка 1·9^-9 лк. При этом наивысшая чувствительность среднего глаза при максимальном отверстии зрачка позволяет ощущать 5-15 квантов света в секунду. О феноменальной световой чувствительности глаза говорят и такие данные: отдельный рецептор-палочка – светочувствительный элемент глаза – способен вырабатывать электрические сигналы при поглощении всего лишь 1– 4 квантов света. Глаз способен работать буквально на физическом пределе, допускаемом квантовой теорией. В настоящее время такая чувствительность недоступна даже самым совершенным оптико-электронным приборам.

Колбочковая световая чувствительность, обеспечивающая цветовые ощущения, намного ниже «ахроматической», палочковой. По данным Н.И.Пинегина, для возбуждения колбочкового зрения необходимо, чтобы на одну колбочку подействовало не менее 100 квантов светового излучения. Колбочковые рецепторы различаются по спектральной чувствительности. Их разделяют на три группы: в синей, зеленой и красной зонах спектра они имеют максимальную светочувствительность на длинах волн 450 нм, 540 нм и 570 нм (по Е.Н. Юстовой), а суммарная светочувствительность колбочкового-дневного зрения соответствует излучению с длиной волны 555 нм. Л.Ф. Артюшин считает, что максимумы спектральной чувствительности колбочковых рецепторов находятся на 435 нм, 570 нм и 600 нм.

Монохроматические излучения воздействуют на глаз по-разному. И поэтому вводится такое понятие, как чувствительность зрительной системы к излучениям различной длины волны, т.н. спектральная чувствительностьглаза. Поскольку глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к желто-зеленому излучению на длине волны λ=555 нм и относительно этого максимума определяются все другие значения данной величины, то спектральную чувствительность целесообразно называть относительной, приняв максимальное значение этого показателя за единицу. По полученным значениям относительной спектральной чувствительности были построены таблицы и кривые видности глаза V(λ)=f(λ) для дневного и сумеречного зрения. Подробно эта характеристика зрительной системы рассматривалась в главе І, § 3.

Принцип измерения относительной спектральной чувствительности показан на рис. 1.4.3. На одну половину фотометрического поля направляют излучение длиной волны λ=555 нм и известной мощности (лучистый поток) F_e555, a на другую – излучение, спектральная чувствительность к которому измеряется, и имеет мощность F_e. С помощью светорегулирующих устройств (на рис.1.4.2 – оптические клинья с коэффициентами пропускания τ _e555 и τ_e) уравнивают светлоты (уровень субъективного светового ощущения) обеих половин фотометрического поля. Достигается ощущение равенства световых потоков при заведомо известных и разных лучистых потоках F_e555, F_e. Поскольку реакция глаза, выражающаяся в возникновении светового ощущения, зависит как от лучистого потока излучения, так и от той его доли, которая воздействует на рецепторы – светового потока, то относительная спектральная чувствительность определяется из выражения:

V(λ) =(F_e555 τ _e555)/(F_e τ_e). (1.4.2)

Однако погрешности результатов сравнения разноокрашенных половин фотометрического поля велики. Чтобы повысить надежность и точность измерений, используют другие методы. Например, один из них – способ мелькания (мигания). Он основан на том, что при импульсном освещении глаз различает изменение светлоты быстрее, чем изменение цветности. Т.е. при очень короткой вспышке ощущается ее интенсивность, но еще не воспринимается цветность, которая становится заметной только при увеличении продолжительности вспышки.

При измерениях по способу мелькания обе половины фотометрического поля освещаются мигающим светом. Частота миганий подбирается так, чтобы еще не различались цветности, но уже различались светлоты. При подобранных величинах мощностей F_e555 и F_e обоих излучений, глаз видит и ощущает мелькающие поля одинаковой светлоты.

4.3. Адаптация.

Чувствительность глаза сохраняется при разных условиях освещения. В таблице 1.4.2. приводятся значения освещенности в различных условиях освещения. Можно отметить,что освещенность пейзажа летним солнцем в 4 000 раз больше освещенности, создаваемой в комнате 100-ваттной лампой. Однако глаз в обоих случаях хорошо различает детали объектов.

Таблица 1.4.2.

Условия освещенности	Освещенность, лк
Земная поверхность в безлунную ночь	0,00002
Земная поверхность ночью в полнолуние	0,2
Земная поверхность в сумерках	1-500
Земная поверхность в летний солнечный день, в тени	6000-15 000
Земная поверхность в летний облачный день	5000-25 000
Земная поверхность в летний солнечный день	50 000-120 000
Стол, освещаемый настольной лампой мощностью 100 Вт	80-200
Пол комнаты, освещаемой лампой 100 Вт с высоты 3 м	20-30
Тротуар под уличным фонарем	1-6

Человек вполне удовлетворительно видит и при освещенности в 1 лк, создаваемой ночью уличными фонарями, т.е. при освещенности в 100 000 раз меньшей, чем при солнце. Мы получаем световую информацию и в полнолуние, когда освещенность почти в 1 000 000 раз ниже, чем при солнце. В темноте светочувствительные палочки сетчатки глаза переходят в другое химическое состояние, в котором они могут воспринимать даже очень слабый свет. При свете звезд, в безлунную ночь зрение позволяет человеку ориентироваться, хотя освещенность при этом в сотни миллионов раз меньше, чем при открытом солнце.

Такой широкий диапазон освещенностей, создающих световое ощущение, объясняется способностью глаза приспосабливаться к разным уровням яркостей деталей рассмативаемого объекта и настраиваться на ее средний уровень. Процесс приспосабливания глаза к изменению условий освещенности называется адаптацией (от лат. adapto– приспособляю). Кроме яркостной адаптации, примеры которой рассматривались выше, известна цветовая адаптация. Она состоит в том, что под влиянием предшествующего светового освещения, цветовое восприятие изменяется. Если, например, посмотреть на ярко красный объект, а затем – на белый, то белый объект в течение некоторого времени будет восприниматься как зеленый. Одновременный же цветовой контраст будет проявляться в том, что рядом с участком красного цвета светлые участки получают голубой оттенок, а если рядом с белым участком будет расположен желтый, то можно увидеть фиолетовый оттенок. Механизм цветовой адаптации заключается в уменьшении концентрации зрительного пигмента в тех колбочках, которые особенно интенсивно работают при предадаптационном освещении. В этих примерах при цветовой адаптации происходит уменьшение концентрации пигмента в красночувствительных рецепторах. Вследствие этого при рассматривании белого поля будут работать главным образом зеленочувствительные и синечувствительные колбочки и у глаза будет ощущение зелено-голубого. В процессе цветовой адаптации также изменяется цветовая чувствительность глаза.

Процесс увеличения чувствительности глаза при переходе от большой яркости к малой называется темновой адаптацией (рис. 1.4.4). Если происходит приспособление глаза к большой яркости, то это световая адаптация (рис. 1.4.5).

Рис.1.4.4 – Темновая адаптация

Рис.1.4.5 – Световая адаптация

Адаптационные процессы по скорости зрительных реакций можно разделить на три вида:

- Самая быстрая реакция на вспышки света осуществляется закрытием век и уменьшением диаметра зрачков. Эта адаптация одновременна для обоих глаз. Чувствительность падает тем быстрее, чем выше эта яркость. К большой яркости наблюдатель привыкает за 4-8 мин. Скорость световой адаптации зависит от яркости поверхности, на которую адаптируется глаз. Как видно из графиков световой адаптации (рис.1.4.5) процесс уменьшения чувствительности также зависит от предадаптационной яркости, которая указывается цифрами над кривыми: 1, 2, 3 и 4 кд/м².

- Самая медленная адаптация – темновая. Она может происходить при переходе из ярко освещенного помещения в темное, неосвещенное. Из рис.1.4.4 видно, что темновая адаптация происходит в течение 40-60 мин. и более. Если темновой адаптации предшествовала большая яркость, то возрастание чувствительности глаза происходит по кривой 1. В случае незначительной предадаптационной яркости процесс увеличения чувствительности пойдет по кривой 2.

- Средняя по скорости адаптация происходит в результате перемещения взора с более темных участков поверхности на менее темные, а также в обратном направлении. Происходит усиление кажущегося контраста участков расположенных рядом.

В основе яркостной адаптации лежат несколько механизмов. Один из них называется зрачковым рефлексом, о котором упоминалось при рассмотрении строения глаза. Диаметр зрачка увеличивается от минимального 1,6-2 мм при высокой яркости до 8-10 мм при низкой яркости. Световой поток, поступающий в глаз, возрастает при этом в 25 раз, т.е. пропорционально площади зрачка. Прямо пропорционально этому значению увеличивается и чувствительность.

Более мощный механизм адаптации заключается в двойственности световоспринимающей системы глаза. В темноте светочувствительные палочки сетчатки глаза переходят в иное химическое состояние, при котором они могут воспринимать очень слабый свет.

Световая чувствительность палочек и колбочек существенно отличается. Палочки начинают работать при очень низких яркостях предметов – менее 0,01 кд/м². И после адаптации к темноте палочки позволяют отличить белую поверхность от черной даже при освещенности 10^-6 лк. Эти рецепторы обеспечивают так называемое сумеречное зрение, когда освещенности невелики. В полутьме не различаются цвета, плохо видны детали предметов. При слабом освещении палочки объединяются в зоны суммации, что позволяет дополнительно повысить их светочувствительность и сделать заметным перемещения объектов за пределами желтого пятна. Изображение, образующееся на периферической ее части, не дает подробной информации об объекте. Оно позволяет лишь ориентироваться в пространстве. Т.е. даже в сумерках человек может легко ориентироваться, получая достаточно общее представление о предметах внешнего мира.

Принято, что при средних, промежуточных освещенностях, когда яркости окружающих предметов находятся в пределах 0,01 кд/м² -10 кд/м², палочки и колбочки работают совместно.

По мере увеличения освещенности палочковый механизм постепенно выключается, и при высоких яркостях объекта (яркость более 10 кд/м²) начинают работать только колбочки. Поэтому колбочковое зрение называется дневным. При таких высоких освещенностях глаз адекватно воспринимает цвета и различает мелкие детали объектов.

Необходимо отметить, что согласно модели адаптационного четырехцветного зрения Л.Ф. Артюшина, палочковые рецепторы все же функционируют постоянно. И при ярком освещении зрение адаптируется выделением черного пигмента, обеспечивающего постоянное наличие черно-белой светотени.

Способность глаза адаптироваться к широкому диапазону яркостей поистине поразительна: даже при соотношении яркостей 800:1 он может различать детали как в ярких, так и в темных местах объекта.

Исследования показали, что глаз может воспринимать и более широкий диапазон яркостей – порядка 1200:1. Такое соотношение получается, если учитывать «темновое» зрение – способность видеть ночью или в очень слабо освещенном помещении. Но при ярком освещении «темновое» зрение не работает, поэтому для оценки адаптационных способностей глаза можно ограничиться соотношениями яркостей 800:1.

Отношение воспроизводимых яркостей самых светлых и самых темных различимых деталей называют динамическим диапазоном прибора – глаза, кино-, фотопленки или видеокамеры.

Зрительный процесс в условиях изменяющейся чувствительности называется неустановившимся. В момент окончания адаптации чувствительность глаза становится постоянной, а зрительный процесс становится установившемся. Все цветовые измерения и исследования проводятся в условиях установившегося зрения, кроме случаев изучения самого адаптационного процесса.

4.4. Инерционность зрения и восприятие мельканий.

Зрительное ощущение вызывается световым импульсом не мгновенно, а через некоторое время после его начала, и, наоборот, световое ощущение продолжается и после окончания воздействия света. Свойство зрительной системы сохранять состояние покоя или работы в течение некоторого времени после начала или завершения воздействия светового импульса называется инерционностью зрения.

Рис.1.4.6 – К инерционности зрения

На рис. 1.4.6 показано соотношение между постоянным по яркости L прямоугольным световым импульсом и вызываемым им световым ощущением в виде светлоты W. Ощущение зрением светлоты основано на возбуждении светом в различной степени цветочувствительных рецепторов глаза одной, двух или одновременно трех зон спектра. Как видно из рисунка, ощущение светлоты возникает через некоторый момент времени ∆t после начала воздействия света. На такое же время смещено и начало спада светлоты. Кривая изменения светлоты во времени отчетливо делится на две части – одна описывает возрастание светлоты, а другая – ее спад в зависимости от времени. Обе части кривой по форме близки к экспоненте.

Сетчатка глаза, являясь частью мозга вынесенной на периферию, передает информацию в вышележащие зрительные отделы мозга не непрерывно, а как бы дискретными порциями. Нужно какое-то время, чтобы в слоях сетчатки накопилась необходимая для формирования сигнала энергия и сформировался сам импульсный сигнал изображения объекта – «кадра». Это время приблизительно равно 0,1 с (10 Гц-овая тактовая частота палочкового зрения - по теории Л.Ф. Артюшина). Т.е. в течение такого времени происходит основное накопление энергии в сетчатке. Такое накопление, или, как его часто называют, временная суммация, имеет место не только в зрительной системе. Этим свойством обладает и слуховая система, и даже тактильная система, отвечающая за осязание. Во всех случаях время накопления, так называемая критическая длительность, имеет тот же порядок и составляет около 0,1 с. Кроме того, после тщательного анализа электрической активности мозга, было установлено, что это строго определенный периодический процесс. С процессом накопления энергии непосредственно связана инерция зрения. Из-за нее происходит смазывание изображений при быстром движении в поле зрения. Размываются границы предметов, сливаются детали объектов за окном поезда, возникает световой шлейф за источниками света. Пока время накопления не превышает критической длительности, зрительное ощущение зависит от произведения яркости объекта на время наблюдения, т. е. от энергии.

Так как информация передается из сетчатки в мозг дискретно во времени, то если так же дискретно подавать ее на сетчатку – вход зрительной системы, то в мозгу при обработке такой информации возникает ощущение слитности. Частот входного светового сигнала до 10 Гц следует избегать, так как в этом случае между периодическими внешними световыми импульсами и близкими по частоте отсчетами в зрительном анализаторе возникает интерференция, ведущая к дискомфортному восприятию изображения и возникновению, например, таких побочных ощущений как состояние усталости, тревоги. Но уже частота кадросмен, равная 16 Гц, как показал опыт «немого» кино, а тем более 24 Гц, до которой довели частоту кинопроекции из-за необходимости повышения информационной емкости оптической фонограммы на кинопленке (при переходе к звуковому кино появилась необходимость улучшения воспроизведения высоких частот в аудиосигнале), вполне достаточны для передачи изображения слитного движения объекта дискретными отсчетами. В телевидении приняли частоту кадросмен 25 Гц, поскольку удобно иметь частоту кадров кратную частоте питающего переменного напряжения (50 Гц), чтобы избежать сетевых помех. В некоторых странах, например в США и Японии, частота переменного тока 60 Гц и, соответственно, частота кадросмен 30 Гц. Это – одна из причин различия между основными стандартами телевизионного вещания.

Следствием зрительной инерции является слитное восприятие последовательности световых сигналов при их достаточной частоте. Если через достаточно малое время вслед за первым световым сигналом последует второй (пунктирные линии на рис.1.4.6), то вызванное им ощущение в той или иной мере сольется с первым. Чем меньше промежуток времени, разделяющий сигналы, тем менее прерывисто световое ощущение. При некоторой частоте, когда падение светлоты ∆W не превосходит порогового значения, последовательность световых сигналов воспринимается как один непрерывный. Частота, обеспечивающая непрерывное зрительное восприятие прерывистых сигналов, называется критической частотой слияния мельканий.

Изображения движущихся объектов воспроизводятся в кино и телевидении именно последовательностью дискретных кадров – световых сигналов. Если бы не было такого технического решения, то не было бы ни кино, ни телевидения. Причины, сделавшие возможной такую замену непрерывного движения дискретными отсчетами во времени, обусловлены как раз инерционностью зрения, поскольку зрительный образ сохраняется в сознании некоторое время после того, как прекратилось действие света. Этот зрительный образ называется последовательным. Его возникновение объясняется тем, что продукты фотораспада зрительного пигмента восстанавливаются не сразу после прекращения освещения сетчатки и отрицательные ионы продолжают давать импульсы тока, приводящие к возникновению зрительного ощущения.

Критическая частота слияния мельканий зависит от размеров мелькающей площадки, а также от амплитуды изменения яркости. При кинопроекции критическая частота мельканий составляет 48 Гц и ее получают благодаря двойной обтюрации проецируемого изображения одного кадра при общепринятой частоте кадросмен 24 кадр/с. В телевидении роль обтюрации играет передача изображений по полям: сначала передаются нечетные строки данного кадра, потом на время обратного хода луча поступает гасящий сигнал, экран затемняется, а затем передают четные строки того же кадра, снова гасящий сигнал и т. д., т.е. происходит черезстрочная развертка. В результате возникает мелькание с частотой 50 Гц вдвое превышающей частоту ТВ-кадров. Такая критическая частота слияния мельканий практически остается неизменной при непрерывном просмотре в течение около 2 часов. Изображение будет казаться зрителю более «спокойным», что в свою очередь ведет к снижению фактора утомляемости, если повысить частоту полей, например, до 75-100 Гц при той же частоте кадров 25 Гц. В некоторых ТВ-системах с прогрессивной разверткой, оба поля ТВ-кадра содержат все строки (и четные, и нечетные), но повторяются дважды, обеспечивая частоту кадров также 25 Гц.

4.5. Острота зрения.

Острота зрения или разрешающая способность глаза R_гл - это величина, обратная величине угла между двумя различаемыми точечными (или протяженными) объектами. Острота зрения зависит от характера объекта (его характеристик), состояния глаза и физиологического состояния нервной системы человека.

Зависимость остроты зрения от яркости фона (L_ф=В_ф) при различных значениях контраста между объектом и фоном представлена на рис.1.4.7, а сам контраст определяется по формуле:

k=100(L_о – L_ф)/L_о. (1.4.3.)

Рис.1.4.7 -

Рис.1.4.8 -

Монохроматические излучения не все равнозначны с точки зрения четкости видения (рис.1.4.8). на рисунке по оси абсцисс отложены длины волн, а по оси ординат – яркости фона, при которых острота фона зрения постоянна. Из графика видно, что различение темных объектов лучше всего происходит на светлом желтом фоне. На практике предельную разрешающую способность среднего глаза принимают равной 1′. При этом на расстоянии наилучшего видения (250 мм) наблюдатель может различать объекты с линейными размерами 0,07…0,1 мм.

Поскольку глаз обычно является конечным передаточным звеном в обобщенном канале передачи информации, то для оценки остроты зрения необходимо применение пространственно-частотного метода. И при оценке оптических приборов для наблюдения или регистрации малоразмерных, малоконтрастных или удаленных объектов следует учитывать остроту зрения, функцию передачи модуляции (ФПМ) глаза, а также его контрастную чувствительность.

4.6. Восприятие яркости.

Уровень светового ощущения – светлота – непосред­ственно связан с освещенностью сетчатки или, что то же самое, со световым потоком, падающим на единицу ее площади. Мож­но доказать, что последняя величина определяется яркостью излучения. Найдя связь светлоты с яркостью, можно перей­ти от субъективных психологических величин, измерение которых сложно и результаты плохо воспроизводимы, к световым. Зная эту связь, можно рассчитывать значения яркостей, обеспечива­ющие заданные светлоты.

Вебер, исследуя ощущение силы тяжести, нашел, что ми­нимально обнаруживаемое ощущение зависит не от прира­щения веса-стимула (причины, вызывающей ощущение), а от от­ношения этого приращения к первоначальному значению стимула. Такая зависимость оказалась характерной для всех видов ощущений: зрительных-световых, слуховых, осязательных, температурных, весовых. В приложении к световым ощущениям это озна­чает, что минимально обнаруживаемая яркость зависит не от разностного порога ∆L,а от его отношения к первоначаль­но взятой яркости L. Т.е., разностный порог ∆L связан с исходной яркостью L. Это можно представить в виде равен­ства:

∆L=ψ L. (1.4.4)

Первоначально предполагалось, что коэффициент ψ по­стоянен и, следовательно, разностный порог ∆L и яркость L находятся в линейной зависимости.

Поскольку наименьшая разность яркостей ∆L, обеспечивающая зрительное отличие большей яркости L₁ от меньшей L:

∆L= L₁ – L, тогда

ψ =∆L/ L = (L₁ – L)/ L. (1.4.5)

Отношение ∆L/ L = ψ – дифференциальный порог, относительный порог или порого­вый контраст. Если дифференциальный порог постоянен, то это значит, что некоторый прирост светлоты ∆W можно выразить числом k порогов: ∆W=kψ. (1.4.6.)

Фехнер ввел допущение о том, что минимально обнару­живаемое приращение стимула (яркости в нашем случае) и вызываемого им ощущения (светлоты) можно рассматри­вать как бесконечно малые величины. Учитывая

это и при­нимая во внимание предыдущие соотношения, получим

dW=k·dL/ L. (1.4.7)

Интегрируя это выражение, получаем общее соотноше­ние между световым стимулом – яркостью и уровнем вызы­ваемого им ощущения – светлотой, называемое законом Вебера-Фехнера(Weber E.H.-Fechner G. T.). Этот основной психофизический закон был сформулирован еще в 1858 г.:

W=k·lgL + C. (1.4.8)

В этом уравнении W – светлота, выражаемая числом по­рогов. Постоянные k и C име­ют обычный смысл коэффициентов линейного уравнения.

Таким образом, согласно зако­ну Вебера-Фехнера уровень зрительного ощущения – светлота пропорционален лога­рифму яркости.

Для того чтобы рассчитать приращение светлоты по при­ращению яркости, нужно установить численное значение коэффициента k. Из этого уравнения следует, что он пред­ставляет собой отношение:

k = ∆W/∆lgL. (1.4.9)

Пусть ∆W равно одному порогу. Тогда ∆lgL есть при­ращение логарифма яркости, вызывающее едва заметное из­менение светлоты. Если ∆W=1, то k=1/∆lgL. Из отноше­ния по определению коэффициента ψ следует:

L₁/L= ψ + 1. (1.4.10)

Логарифмируя это выражение, получим:

∆lgL=lg(ψ + 1). (1.4.11)

Следовательно: k=1/∆lgL=1/ lg(ψ + 1). (1.4.12)

Контрастной чувствительностью глаза k = L /∆L называется его способность к различению яркостей смежных участков. Она обратна дифференциальному по­рогу. Чем меньший контраст обнаруживает глаз, тем боль­ше его контрастная чувствительность. Или, иначе: чем боль­шее число порогов ∆W обнаруживает глаз в данном интервале яркостей ∆L, тем выше его контрастная чувствительность.

C увеличением яркости контрастная чувствительность глаза растет и достигает максимального значения в диапазоне от 130 до 640 кд/м². При больших яркостях k снижается из-за слепящего действия.

Многие исследователи считают, что в пределах соблюде­ния закона Вебера - Фехнера и при достаточно больших угловых размерах объекта наблюдения пороговый контраст колеблется в пределах ψ=0,05-0,1. Тогда k=25-50.

Критерием соблюдения закона Вебера-Фехнера служит постоянство дифференциального порога. Исследования, выполненные еще в ХIX веке, показали, что закон Вебера-Фехнера соблюдается в некотором интервале яркостей с точностью, достаточной для многих случаев практики. Так, например, исследования Е. Лоури показали, что этот закон справедлив в диапазоне яркостей 10…1000 кд/м².

Закон Вебера-Фехнера можно выразить и через значения оптической плотности D, величина которой прямо пропорционально определяет зрительное ощущение градации порогов яркости ибо является величиной логарифмической:

W=10 + 5lgρ = 10 –5D, (1.4.13)

где: ρ – коэффициент отражения или пропускания (τ).

На практике величину светлоты (по стандарту DIN, с учетом 2,5% светорассеяния) можно определить из нелинейного логарифмического уравнения:

W=10 + 1,62lg(ρ + 0,025). (1.4.14)

По Л.Ф.Артюшину, зрительное ощущение градации тонов прямо пропорционально изменению оптической плотности, что обусловлено психофизиологическими и фотографическими закономерностями. Тон – это едва заметное приращение оптической плотности. И одному яркостному тону соответствуют различные приращения плотности – от 0,05 (в «светах») до 0,08 (в «средних тонах») и 0,15 (в «тенях»). При ярком освещении можно различить до 40 тонов.

Т.о. во всех этих работах нашли подтверждение теоретические предпосылки о логарифмировании яркостных световых сигналов в процессе преобразования электрических сигналов рецепторов в зрительное ощущение – светлоту