Функция контрастной чувствительности зрительной системы

Рассмотрим аналогию нашей зрительной системы с фотоаппа­ратом. Как мы можем оценить точность воспроизведения изобра­жения фотографической системой, т.е. определить, насколько хорошо фотокарточка воспроизводит действительные вариации света реального объекта? Можно воспользоваться рядом решеток, которые показаны на рис. 42.

В

Рис. 42. Влияние пространственной частоты прямоугольной решетки на восприятие ее яркости и контраста (А). Более высокочастотный паттерн (С) воспринимается менее контрастным по сравнению с паттерном мень­шей пространственной частоты (В)

Одни решетки будут состоять из очень широких темных по­лосок и светлых промежутков между ними. По поверхности та­ких решеток интенсивность света меняется медленно; поэтому о них говорят, что они содержат низкие пространственные час­тоты (частота изменения интенсивности света в пространстве полосок решетки низкая). Другие решетки будут иметь узкие полоски и промежутки между ними. В этих решетках наблюда­ются частые изменения интенсивности света в том же самом месте пространства; поэтому о них говорят, что они содержат высокие пространственные частоты. Далее мы сфотографируем каждую решетку, чтобы посмотреть, насколько хорошо она вос­производится на фотографии. Начиная с некоторого момента, когда полосы и промежутки между ними станут совершенно узкими, система достигнет своего предела: фотографические линзы далее не способны воспроизводить отдельные полосы, и все полосы и промежутки между ними сливаются в одно серое пятно. То же самое можно сделать для измерения разрешающей способности зрения человека или остроты зрения при восприя­тии решеток.

Когда инженеры-оптики выполняют такой анализ оптической системы, они измеряют ее разрешающую способность в терминах максимального количества линий на дюйм, которые она может воспроизводить. В том случае, когда очень плотно расположенные линии (что соответствует высоким пространственным частотам) не могут воспроизводиться, а просто смазываются в пятно, мы говорим, что оптическая система ослабляет (или подавляет) вы­сокочастотные компоненты данного паттерна. График или мате­матическое описание того, насколько точно система воспроизво­дит одни пространственные частоты, а другие, в силу ограничен­ности своей разрешающей способности, — нет, называется пере­даточной функцией пространственной модуляции. Модуляция — это просто изменение, тогда как пространственная модуляция отра­жает изменение интенсивности света в некоторой области про­странства. По аналогии мы можем говорить о передаточной функ­ции пространственной модуляции нашей зрительной системы, т.е. ее способности точно отображать исходную пространственную модуляцию яркости некоторого стимула в процессе его трансфор­мации в форме сенсорного образа.

Пространственная модуляция может быть описана с помощью физических измерений интенсивности света как в светлых, так и в темных областях изображения. На основе таких измерений была предложена мера, названная отношением контраста или контрас­том. Одна из формул, названная отношением контраста Майкель-сона, имеет следующий вид:

Контраст = (Х_тах-1_т1п)/(1_тах + 1_т1п),

где 1_тах и Ь_тт — максимальное и минимальное значения осве­щенности данного изображения, соответственно. Это выражение очень полезно для компактного описания пространственных из­менений в определенном изображении, поскольку оно определя­ется степенью различия между наиболее и наименее интенсивны­ми частями паттерна и на него не влияют общие изменения осве­щенности.

Для оценки разрешающей способности зрительной системы используется так называемая процедура уравнивания контрастов, позволяющая измерить у человека передаточную функцию про­странственной модуляции.

Рассмотрим на рис. 42 решетки А и В. Хотя обе они являются прямо­угольными решетками, тем не менее они физически отличаются друг от друга величиной контраста: у решетки А он меньше, чем у решетки В, поскольку для решетки А максимальное различие есть различие между черным и средне-серым, тогда как для решетки Б это различие между тем же самым черным и более ярким белым. Далее рассмотрим различие между решетками В и С. Это также прямоугольные решетки, но В имеет меньшую пространственную частоту (более широкие полосы), чем С. Несмотря на то что физический контраст у них одинаков (одни и те же черные полосы с теми же белыми промежутками), воспринимаемый контраст (кажущееся различие между светлыми и темными областями) намного меньше для более высокой пространственной частоты: черные полосы выглядят немного светлее, а белые чуть темнее на решетке С, чем на В. Отодвинув книгу или отступив на 30 — 60 см, вы можете увели­чить это различие. В задаче уравнивания контраста наблюдателя просят, изменяя интенсивность света темных и светлых полос, уравнять кажу­щийся контраст двух сравниваемых паттернов (обычно это синус-решет­ки). Таким образом, мы можем составить карту воспринимаемых разли­чий для разных пространственных частот. Меньший воспринимаемый контраст решетки С означает то, что наша зрительная система уменьша­ет контраст решеток с высокими пространственными частотами, и, та­ким образом, паттерн внешнего мира получает в нашем сознании не совсем адекватное отображение.

Другой метод измерения чувствительности человека к различ­ным пространственным частотам заключается в измерении поро­гового контраста — такой величины контраста, которая необхо­дима для восприятия присутствия в поле зрения решетки в отли­чие от однородного серого фона.

И тот и другой методы дают нам представление о том, как изменяется чувствительность при изменении пространственной частоты стимулов. Этими способами мы имеем возможность пост­роить передаточную функцию пространственной модуляции, пока­зывающую каким образом изменение интенсивности света в ок­ружающей среде отображается в сознании наблюдателя в виде воспринимаемого паттерна.

	:		▲	А	▲	▲
					1 1		---------- 1_____ 1—1 1 1---------- »►

О. н

Ж о

0,1 1 10

Пространственная частота, циклы/град.

Рис. 43. Пороговая кривая контрастной чувствительности:

по оси ординат — величина порогового контраста; по оси абсцисс — простран­ственная частота, измеряемая в циклах на градус

Типичная передаточная функция пространственной модуляции, полученная для испытуемых разного возраста, изображена на рис. 43. Отметим, что на оси ординат даны величины, обратные порого­вому контрасту. Это сделано для того, чтобы в случае, когда мы видим решетку, высота пороговой кривой отражала бы сенсор­ную чувствительность наблюдателя.

Видно, что кривая достигает максимума около шести циклов на градус (шесть периодов синус-волны на каждый градус зри­тельного угла). Это показывает, что человек имеет максимальную чувствительность в этой области, т.е. он может увидеть стимул данной пространственной частоты, даже если контраст видимого паттерна совсем низкий. Чувствительность быстро падает на более высоких пространственных частотах, т. е. для того чтобы наблюда­тель увидел данный стимул, необходим больший контраст.

С возрастом разрешающая способность зрения изменяется: пик контрастной чувствительности сдвигается в область более низких частот, кроме того, для того чтобы увидеть мелкие детали, пожи­лым людям требуется, чтобы само изображение было более кон­трастным (рис. 44).

Следует также отметить некоторое снижение разрешающей способности зрения на низких пространственных частотах. Это снижение следует из факта, что чем шире темные и светлые по­лосы, тем менее эффективным становится действие механизма латерального торможения. Очевидно, что изменения интенсивно­сти воспринимаются более эффективно в том случае, когда они происходят в среднем диапазоне пространственных частот. Если внутри зрительного паттерна изменения интенсивности происхо­дят слишком часто (т.е. в случае высокой пространственной час-

Низкое

Максимум чувствительности

для 80 лет

для 20 лет

0,001

0,01

0,Ю

Максимально воспринимаемая частота для 20 лет

о

«

2 о а о С

1,00

Высокое 0,10 1,00 10 100

Пространственная частота, циклы/град.

Рис. 44. Кривые контрастной чувствительности, полученные для испыту­емых разного возраста:

по оси ординат — величина порогового контраста (слева) и уровень контраст­ной чувствительности (справа); по оси абсцисс — пространственная частота

тоты), то такие изменения могут восприниматься с трудом. Ана­логично, когда физические изменения происходят с очень незна­чительной частотой, то эти различия в яркости и не воспринима­ются.

С возрастом происходит довольно явное снижение контраст­ной чувствительности, особенно на высоких частотах, т.е. пожи­лые люди не могут видеть более мелкие детали и более узкие по­лоски. У 80-летних наблюдается самый низкий пик чувствитель­ности (самая высокая точка на кривой), что говорит об общем снижении у них зрительной способности: для достижения порога им необходим больший контраст.