張治亞，蔡錦達(dá)

(上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200093)

文獻(xiàn)［1］采用顯示器測(cè)量人眼的對(duì)比敏感度函數(shù)，文獻(xiàn)［2 ～3］研究了人眼對(duì)比敏感度視覺(jué)特性及模型、周圍環(huán)境對(duì)對(duì)比敏感度的影響，文獻(xiàn)［4］中Jens Buhren 等測(cè)量了不同亮度條件下人眼的對(duì)比敏感度，文獻(xiàn)［5］中I Arranz等研究了不同光譜功率分布對(duì)人眼對(duì)比敏感度的影響，但以上文獻(xiàn)研究得出的結(jié)論在視覺(jué)異常時(shí)不具有實(shí)際意義。根據(jù)調(diào)研，亮度對(duì)CS 的影響最大［6］，年齡影響不大［6－11］，性別［7］，眼別［7］，主導(dǎo)眼［7］三者對(duì)CS 的影響均較小。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間受高亮度的電腦顯示屏和手機(jī)顯示屏光輻射的人群［8］，眼睛基本均處于異常狀態(tài)，研究異常狀態(tài)下的CSF 具有實(shí)際意義。

基于目前的研究現(xiàn)狀，使用顯示器來(lái)測(cè)試人眼的CSF 是應(yīng)用最多的［1］，但屏幕光與周圍環(huán)境光的光譜功率分布都會(huì)影響人眼CS 值［5］，在用顯示屏測(cè)試得到不同環(huán)境光下的人眼CS 值后，為了得到單一光譜功率分布影響下，沒(méi)有屏幕光只有環(huán)境光時(shí)人眼CS 的變化，實(shí)驗(yàn)把暗室環(huán)境下測(cè)試出的CS 值與有環(huán)境光時(shí)測(cè)試得到CS 值對(duì)比，即得到單一光譜功率分布下CS 值的變化情況。

文中根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論和計(jì)算出的異常視覺(jué)CSF 模型，對(duì)于正在進(jìn)行CSF 研究的行業(yè)內(nèi)學(xué)者，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)視網(wǎng)膜病變患者的視覺(jué)研究［9］。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)及儀器

光柵形狀:由于任何一種圖像均可分解為許多不同空間頻率的正弦波光柵，即人眼看物體的實(shí)質(zhì)為許多不同空間頻率的正弦波在視網(wǎng)膜上疊加后形成圖像，且視覺(jué)異常下人眼看物體都是模糊的，正弦光柵更接近視覺(jué)異常下人眼的視物特性，因此實(shí)驗(yàn)選擇正弦光柵。

空間頻率:通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察在Matlab 中生成的大量不同空間頻率的正弦光柵后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空間頻率超過(guò)18 cpd時(shí)，會(huì)發(fā)生光柵條紋的的視覺(jué)疊加現(xiàn)象，明亮條紋的分布就會(huì)很不均勻，對(duì)人眼造成視覺(jué)上的誤差，不具有研究?jī)r(jià)值。因此本實(shí)驗(yàn)的空間頻率選擇為1.5，3，6，12，18 cpd。

光譜功率分布:日常人眼所接觸到的光譜功率分布包括日光，燈光，顯示屏，日光和顯示屏，燈光和顯示屏，共5 大類型。本文討論通常亮度下的光譜功率分布，包括日光，燈光，LCD 顯示屏，日光和LCD 顯示屏，燈光和LCD 顯示屏5 種光譜功率分布情況。

實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量:9 人(7 男，2 女)，視力矯正后均在1.0 及以上，實(shí)驗(yàn)者均是在看電腦6 個(gè)小時(shí)以上后做的實(shí)驗(yàn)，滿足視覺(jué)異常的條件。

顯示器校正:白點(diǎn)色溫6 500 K，γ 值2.2，標(biāo)準(zhǔn)白三刺激值X=95.04，Y=100，Z=108.92。

光柵背景及實(shí)驗(yàn)室背景:50%標(biāo)準(zhǔn)灰。

LCD 顯示器:Eizo FlexScan S1932。

顯示器校正設(shè)備:EyeonePro 分光光度儀。

實(shí)驗(yàn)室照度測(cè)量設(shè)備:KonicaMinolta CL－200A。

亮度調(diào)節(jié)設(shè)備:模擬不同環(huán)境的可控亮度的燈箱。

2 實(shí)驗(yàn)方法

Weber 對(duì)比度定義為

正弦光柵的計(jì)算公式為

基于以上公式在Matlab 中編程得到了正弦光柵，為得到實(shí)驗(yàn)需要的一定空間頻率和對(duì)比度的正弦光柵，計(jì)算出正弦光柵數(shù)學(xué)公式

其中，C 為光柵對(duì)比度，f 為空間頻率，j 為控制光柵條紋像素位置。

如圖1 為設(shè)計(jì)的部分正弦光柵展示圖，從上到下光柵空間頻率依次為1.5，3，6，12 cpd 逐漸增加，從左往右光柵對(duì)比度逐漸降低。

圖1 正弦光柵展示圖

人類視覺(jué)對(duì)比度閾值是0.003［5］，實(shí)驗(yàn)將對(duì)比度的調(diào)節(jié)范圍設(shè)為0.003 ～1.0，由于在0.1 ～1.0 范圍內(nèi)，對(duì)比度很大，人眼看得較清楚，因此步長(zhǎng)較大為0.1，在0.1 ～0.01 范圍內(nèi)，以0.01 為步長(zhǎng)，在0.01 ～0.001 范圍內(nèi)，以0.001 為步長(zhǎng)，從而在Matlab 中設(shè)計(jì)不同對(duì)比度的正弦光柵。

若將所有空間頻率對(duì)應(yīng)的所有不同對(duì)比度光柵都設(shè)計(jì)出來(lái)，則光柵數(shù)量太大使實(shí)驗(yàn)過(guò)于繁瑣，因此設(shè)計(jì)完之后用人眼觀察這些光柵，在確定的視角內(nèi)，將對(duì)比度區(qū)別不明顯的光柵去除。選擇20 種對(duì)比度，在5 種不同空間頻率下實(shí)驗(yàn)。讓實(shí)驗(yàn)者在不同外界亮度下觀察LCD 顯示屏上不同對(duì)比度和空間頻率的正弦光柵，測(cè)出人眼的CS 值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖2 所示的3 種光譜功率分布下的視覺(jué)異常CSF 曲線與正常視覺(jué)下的CSF 曲線進(jìn)行比較，可明顯看出視覺(jué)異常時(shí)的CSF 值在整個(gè)空間頻率范圍內(nèi)均大幅度下降，但明顯可看出不同頻率區(qū)域下降幅度不同，中頻區(qū)下降幅度最大，低頻和高頻區(qū)下降幅度相對(duì)較小。同時(shí)可看出人眼相對(duì)最敏感空間頻率發(fā)生轉(zhuǎn)移，由6 cpd 變?yōu)?2 cpd，顯著增加。

圖2 不同光譜功率分布人眼異常CSF 與正常CSF 對(duì)比

從圖3 ～圖5 可看出，在3 種不同光譜功率分布下，在低空間頻率區(qū)間時(shí)，視異常時(shí)n1～n99 位實(shí)驗(yàn)者的人眼對(duì)比度敏感值均不相同，且具有較強(qiáng)的波動(dòng)統(tǒng)計(jì)特性，方差較大，即不同人眼的對(duì)比度差異較大;在高空間頻率區(qū)間時(shí)，不同人眼的對(duì)比度敏感值基本保持一致，人眼差異性較小，即不同人眼的視敏度差異相對(duì)較小。

圖3 不同人在節(jié)能燈和顯示屏光譜功率分布下的異常CSF 曲線

圖4 不同人在日光和顯示屏光譜功率分布下的異常CSF 曲線

圖5 不同人在暗室(顯示屏)光譜功率分布下的異常CSF 曲線

圖6 中n1～n9分別表示9 位實(shí)驗(yàn)者在節(jié)能燈和顯示屏，日光和顯示屏，暗室3 種光譜功率分布下的視異常CSF 曲線。暗室環(huán)境下只有顯示屏發(fā)出的光線，把暗室環(huán)境下(只有屏幕亮度)測(cè)試出的CSF 曲線與有環(huán)境光時(shí)測(cè)試得到CSF 曲線對(duì)比，即得到只有環(huán)境光光譜功率分布下CS 值的變化情況，可觀察不同光譜功率分布的環(huán)境光對(duì)不同人的影響程度。

圖6 n1 ～n9 實(shí)驗(yàn)者分別在3 種不同光譜功率分布下的異常CSF 曲線

由n1～n9可看出，視異常下不同人眼受環(huán)境光光譜功率分布的影響不同，編號(hào)為n4～n7的實(shí)驗(yàn)者在環(huán)境光光譜功率分布不同時(shí)的CSF 曲線基本一致，即光源光譜功率分布對(duì)其影響相對(duì)較小，n1～n3及n8～n9實(shí)驗(yàn)者就容易受到節(jié)能燈光譜功率分布的干擾，可看出節(jié)能燈光譜功率分布下的CS 偏離顯示屏光譜功率分布下的CS 最多，但日光光譜功率分布基本不影響，曲線偏離較小，且可看出日光光譜功率分布下的人眼CS 和顯示屏光譜功率分布下的CS 基本一致。

4 視異常下的CSF 模型

根據(jù)韋伯－費(fèi)希納定律［10－11］，人對(duì)外界刺激的感覺(jué)是與對(duì)應(yīng)物理量的的強(qiáng)度的常用對(duì)數(shù)成正比的，其公式為S=KlgR。純光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF=(最大亮度－最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)。CSF 實(shí)際上是總的CSF，是純光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 和視網(wǎng)膜神經(jīng)傳遞函數(shù)NCSF 之積［12］。

使用非線性最小二乘法推出視異常下的CSF 模型

其中模型參數(shù)如表1 所示。

表1 節(jié)能燈和顯示屏(CFL)、日光和顯示屏(DL)、暗室(DR)3 種光譜功率分布下的CSF 模型參數(shù)

如圖7 是根據(jù)上述模型在Matlab 中擬合出的3 種光譜功率分布下視覺(jué)異常CSF 曲線，圖中離散點(diǎn)為人眼CS 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可看出模型的擬合度很高。

圖7 實(shí)測(cè)值與擬合曲線

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖2 可知，人眼中間頻率通道最敏感，波動(dòng)性比較強(qiáng)，在外界因素(光學(xué)輻射)的影響下變化較大。由于低空間頻率反映人眼的對(duì)比度，高空間頻率反映人眼的細(xì)節(jié)辨識(shí)能力，中空間頻率綜合反映對(duì)比度和細(xì)節(jié)分辨能力，由于中空間頻率通道CS 下降幅度較大，說(shuō)明視覺(jué)異常下眼球神經(jīng)獨(dú)立通道的光學(xué)成像能力也發(fā)生了變化，此時(shí)人眼主要使用高空間頻率通道和中空間頻率通道在視網(wǎng)膜成像。人眼的最敏感空間頻率顯著增加，由約6 cpd 變?yōu)榧s12 cpd，可得出視異常下人眼對(duì)高空間頻率的物體最敏感，即對(duì)細(xì)節(jié)比較清楚的物體靈敏度相對(duì)較高，而對(duì)對(duì)比度的分辨則相對(duì)較弱。

由圖4 和圖5 可看出日光加顯示屏光譜功率分布及單獨(dú)顯示屏光譜功率分布下，中空間頻率CS 值下降到和高空間頻率基本相同，圖3 節(jié)能燈光譜功率分布下中頻CS 值，比圖4 和圖5 下降幅度更大，可得出人眼在視異常時(shí)，在節(jié)能燈環(huán)境下工作時(shí)，其光譜功率分布對(duì)人眼CS 的影響大于日光加顯示屏光譜功率分布，及單獨(dú)顯示屏光譜功率分布對(duì)人眼CS 的影響。

根據(jù)圖6 可得出對(duì)于長(zhǎng)期處于計(jì)算機(jī)光輻射下的人群，環(huán)境光光譜功率分布對(duì)不同人的CS 影響程度是不同的，且人眼受自然光源光譜功率分布的影響程度小于人工光源，人眼CS 基本不受正常光照強(qiáng)度的日光光譜功率分布的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文實(shí)驗(yàn)得出的視覺(jué)異常下的視覺(jué)特征和計(jì)算出的CSF 模型相對(duì)于正常視覺(jué)環(huán)境下研究得出的對(duì)比敏感度函數(shù)有更大的實(shí)際意義，為估計(jì)暮視飛行員眩光狀態(tài)下辨認(rèn)目標(biāo)的錯(cuò)誤率及反應(yīng)延時(shí)長(zhǎng)度，或?qū)υ陲@示器上進(jìn)行圖像處理、視覺(jué)評(píng)價(jià)及其它顏色實(shí)驗(yàn)等提供了參考。

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