穆向昕

（原北京市廣播技術(shù)研究所，北京 100034）

視覺是人體感覺器官中最重要的系統(tǒng)，人們靠眼睛獲得外界87%的信息，并且75%～90%的人體正?；顒邮怯梢曈X引起的。視頻系統(tǒng)設(shè)計是在應(yīng)用環(huán)境約束條件下，利用技術(shù)手段，解決受看個體或群體在符合人體工程學(xué)的基礎(chǔ)上，多數(shù)受看者能夠?qū)σ曨l信息看得清楚，或是具有看得舒服的主觀感受。

1 人類視覺的感知系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)服務(wù)對象是人類視覺系統(tǒng)（HVS，human vision system），所以有必要認(rèn)識與之關(guān)的視覺感知系統(tǒng)。視覺是一個復(fù)雜的過程：物體圖像以光的形式刺激人的視覺神經(jīng)，通過生理器官——眼睛（瞳孔和晶狀體、視網(wǎng)膜、視神經(jīng)細(xì)胞）、大腦皮層枕葉傳遞光信號，視神經(jīng)細(xì)胞在受到光刺激后，將光信號轉(zhuǎn)變成生物電信號，物質(zhì)的動與靜是物體本身的信息，亮暗是光作用于物體的信息；到此視覺形成并未結(jié)束，因?yàn)樽钪匾娜四X還要參與，需要靠其人腦內(nèi)存的印象信息、知識以及周圍的環(huán)境來詮釋這個影像。整個過程形成視覺。經(jīng)大腦處理生成結(jié)果，從而形成物體的形狀、顏色等概念。視覺包含了物理學(xué)、心理學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、解剖學(xué)、神經(jīng)學(xué)等專業(yè)。它的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聽覺。人類視覺的小部分是屬于物理層面，更多的則屬于精神層面。主觀感受是第一位的。這點(diǎn)很重要，是探討視頻系統(tǒng)設(shè)計目的的基礎(chǔ)。它與經(jīng)聽神經(jīng)傳遞沖動到大腦聽覺中樞形成的聽覺不同。聲音縱波將外界空氣分子的振動實(shí)實(shí)在在地傳入耳器官，雖然有主觀感受，但是客觀物理層面可量化的東西真實(shí)存在。這使得在兩者的研究、仿真、計量、評價上存在非常多的差異。

下面探討視頻設(shè)計相關(guān)的人類主要視覺特性要素。這些要素在前面視頻定義中都有體現(xiàn)。暫時拋開視頻環(huán)境及視頻信息的內(nèi)容，還是關(guān)注人類視覺評價看得清楚和看得舒服的問題。對于看得清楚，立刻會想到視力表。荷蘭眼科醫(yī)師弗朗索瓦·唐德斯 （Francisus Donders ）在18世紀(jì)提出：“視力（visual acuity）”一詞，并將其定義為視敏度（sharpness of vision），即受檢者主觀視力與標(biāo)準(zhǔn)視力的比值 。視力是指視網(wǎng)膜分辨影像的能力。視力的好壞由視網(wǎng)膜分辨影像能力的大小來判定，普通所謂視力是指中心視力而言（生理視覺標(biāo)準(zhǔn)還包含周圍視力和立體視力），它反映的是視網(wǎng)膜最敏感的部位——黃斑區(qū)的功能。對視敏度測量辦法有多種：最小可見度、兩點(diǎn)分辨力、游標(biāo)視力（vernier acuity）和對比敏感度（contrast sensitivity，簡稱CS）等。但是最常用的還是用視力表測定的視力表視力。視力表又有：標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表、5分弧度視標(biāo)的斯內(nèi)倫（Snellen）視力表（見圖1）、每行5個不同字母的幾何數(shù)的增率（Bailey-Lovie）視力表、蘭氏環(huán)形（Landolt）視力表（見圖2）等。國內(nèi)流行的是中國眼科專家繆天榮先生發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表，所用的增率為。

標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)視力表GB11533—2011[3]中規(guī)定：一般視力測定，測出被檢眼所能辨認(rèn)的最小行視標(biāo)（辨認(rèn)正確的視標(biāo)數(shù)應(yīng)超過該行視標(biāo)總數(shù)的一半），該行視標(biāo)的視力記錄值即為該眼的視力。表達(dá)視力水平的記錄方式有對數(shù)、小數(shù)、分?jǐn)?shù)等視力記錄值。

視力表上的5分記錄是一種對數(shù)記錄，以5分減去視角的對數(shù)值表達(dá)視力。統(tǒng)計數(shù)學(xué)及科學(xué)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)定：人眼的空間分辨能力為1′,灰度分辨能力大約64級。所以視力表視標(biāo)字高為5′，字母的筆劃為1′，如圖3所示。正常為5.0 。

視力另一種定量的科學(xué)描述小數(shù)記錄：眼睛能夠分辨兩物點(diǎn)間最小距離的能力，通常用視角的倒數(shù)來表達(dá)視力，V=1/α。能分辨的視角越小，視力越好；正常為1.0。

視力的生理學(xué)描述和計算：

2 視覺環(huán)境因素及標(biāo)準(zhǔn)

視力表是檢測人眼在模仿日間視覺條件下（環(huán)境照度應(yīng)達(dá)200 lx～700 lx ；用燈箱，則視力表白底的亮度應(yīng)達(dá)80 cd/m2～320 cd/m2）,用靜態(tài)黑白視標(biāo)檢驗(yàn)方法，去驗(yàn)證分辨兩物點(diǎn)間最小距離的中心視力能力。在此限定條件下，分辨的視角合格的值為1′，記為5.0（1.0）。那么，動態(tài)、彩色、非條形光柵的兩點(diǎn)、中文字標(biāo)、雙眼分辨率、辨認(rèn)正確總數(shù)的一半的真實(shí)性等問題，都對人眼真實(shí)分辨率1′視角權(quán)威性產(chǎn)生質(zhì)疑。21世紀(jì)初，現(xiàn)代科學(xué)家又論證雙眼視力相對單眼視力有所提高（視角相對變窄）。同時，研究領(lǐng)域?qū)θ搜鄯直嬉暯菢?biāo)準(zhǔn)從0.7′～ 1.7′的論證，始終都有探究。而對動態(tài)的、有彩色辨識的視覺實(shí)際應(yīng)用都會采用6′ 以上。這些研究并不影響人們對視力的醫(yī)學(xué)判定。筆者不去過多探討科學(xué)研究領(lǐng)域的視覺因素，只去歸納影響這些因素的成因。

2.1 視力的形覺能力

表1 人眼視覺特性

眾所周知，人的視力分為兩種能力：形覺和色覺，即對物體形狀輪廓辨別和顏色辨別的功能。人眼的視覺特性見表1。人眼分辨力的影響因素：光的照度、相對對比度、物體運(yùn)動速度、色彩。

探討人類視覺特性要素和視覺環(huán)境要素的目的是為了獲得觀看顯示的科學(xué)的視覺數(shù)據(jù)支持，反映到具體應(yīng)用就是較佳觀察距離（PVD，preferred viewing distance）。

上述規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際上是靜態(tài)視敏角概念在不同環(huán)境下、不同視覺對象（靜態(tài)、動態(tài)）人類視覺應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，見表2，對視頻系統(tǒng)設(shè)計有著指導(dǎo)性的意義。它展示了人類觀察物體時的三種狀態(tài)：遠(yuǎn)眺觀看總覽物體全貌，近看觀察個別物體，細(xì)察是對物體的紋理、材質(zhì)、肌理等；并進(jìn)行仔細(xì)分析，對于群體視場應(yīng)用以區(qū)域和最遠(yuǎn)視距為參考數(shù)據(jù)；而個體及少數(shù)人視場應(yīng)用PVD數(shù)據(jù)更有積極意義。如圖5所示，是在同樣動態(tài)圖像、不同分辨率質(zhì)量要求的最佳推薦視距，其更側(cè)重對像素質(zhì)感的主觀體驗(yàn)，將視角放在了次要位置。這也是基于ITU（國際電信聯(lián)盟）關(guān)于高清影視顯示圖像追求實(shí)際現(xiàn)實(shí)圖像感受的要求。

2.2 視力的色覺能力

上述部分屬于形覺范疇，也是人類最基本的視覺要素。在色覺應(yīng)用上，英國醫(yī)學(xué)家兼物理學(xué)家T.Young提出經(jīng)典的三色理論。他認(rèn)為，人的眼睛中有三類感光組織，分別對藍(lán)光、紅光、綠光靈敏。在白光照明下三類感光體都受到激勵。亮度響應(yīng)曲線表明人眼對波長為550 nm左右的黃綠色最為敏感，如圖6所示。這種正態(tài)分布形曲線就是人眼視覺系統(tǒng)的相對視敏函數(shù)（Relative Luminous Efficiency Function of the Vision System）。

表2 視覺系統(tǒng)設(shè)計中常見的視角與視距

人類眼睛對藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對紅光和綠光的靈敏度。所以不同圖像顏色亮度感受是不同的。換句話說，同樣顯示設(shè)備，有的彩色圖像感覺很亮，有的彩色圖像就會感覺不亮，這是很正常的事情。

色彩數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的建立，確定了人們在生活中對色彩應(yīng)用規(guī)定格式（體系）間互通，舞美、燈光、照片、攝像、打印等都有了統(tǒng)一的色彩概念。但是，由于用于顯示應(yīng)用RGB色域和應(yīng)用于印刷CMYK（Cyan青、Mageata品紅、Yellow黃、Black黑）色域及其他應(yīng)用色域的不同，就會出現(xiàn)色域的轉(zhuǎn)換（數(shù)字變換）；再者，設(shè)備時效的變化，光源的衰耗、顯示設(shè)備因輸入的電壓信號與亮度不成正比，所產(chǎn)生失真的伽瑪值（Gamma）的校正等因素，會造成類似計算機(jī)模擬效果顯示與舞美效果圖以及印刷海報色彩有著明顯差異的問題。為此，由行業(yè)主流企業(yè)牽頭的ICC（International Color Consortium，國際色彩聯(lián)盟），推出了建立描述設(shè)備顏色的特征文件（Profile）標(biāo)準(zhǔn)，以反映設(shè)備表現(xiàn)色彩的范圍和特征，用色彩管理減少相同數(shù)值下在不同設(shè)備上產(chǎn)生不同顏色的互通間的色差問題。由于色彩涉及不同人種、民族的心理感受，是物理量和心理感量的綜合，因此至今還沒有絕對統(tǒng)一的國際色彩實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)制定了中國顏色體系 GB/T 15608—2006標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際顏色由三個可以感知和度量的參數(shù)決定：色調(diào)、飽和度和亮度。其作用見表3。

色彩中，通常由配色方程配出的彩色光F的亮度用光通量表示：

Y（白光亮度）=0.30R（紅）＋0.59G（綠）+0.11B（藍(lán)）

這也驗(yàn)證了格拉斯曼定律（H. Grassman）——復(fù)合光的亮度等于各光分量的亮度之和的定律。雖然公式給出了度量的精確計算，但是人類感知與度量值不是簡單的線性關(guān)系，而是近似于對數(shù)關(guān)系。這就是著名的韋伯-費(fèi)赫涅爾定律（Weber-Fechner）——亮度感覺與亮度的對數(shù)成線性關(guān)系。同樣，人耳聽力感知的聲壓級也是成對數(shù)關(guān)系。由此，科學(xué)家韋伯和費(fèi)赫涅爾師徒兩人于1860年提出著名心理物理學(xué)定律：人的一切感覺，包括視覺、聽覺、膚覺（含痛、癢、觸、溫度）、味覺、嗅覺、電擊覺等等，都遵從“感覺不與對應(yīng)物理量的強(qiáng)度成正比，而是與對應(yīng)物理量的強(qiáng)度的常用對數(shù)成正比”的法則。雖然后人又有很多修正，但是宗旨未發(fā)生撼動。法則是一個經(jīng)驗(yàn)定律，和所有的定律一樣都有其適用的范圍。

在常用的背景亮度變化范圍內(nèi)，人眼的對比靈敏度因素變化很小，平均亮度不等于周圍的環(huán)境亮度時，對比靈敏度不僅與背景亮度有關(guān)，而且與環(huán)境亮度有關(guān)。電影院銀幕中心設(shè)計亮度約為60 nit（cd/m2）。而通常會議室投影顯示屏中心設(shè)計亮度約為240 nit（cd/m2）。由于會議室顯示屏周圍亮度環(huán)境不同，所計算的顯示屏亮度也會有變化。這些用韋伯-費(fèi)赫涅爾定律就很容易解釋。

表3 顏色感知維度

2.3 視覺標(biāo)準(zhǔn)

在初步了解人類視覺感知基礎(chǔ)后，如何建立適合于人類視覺的標(biāo)準(zhǔn)呢？和聽覺系統(tǒng)相同，圖像質(zhì)量評價從方法上可分為主觀評價方法和客觀評價方法。目前世界上并沒有科學(xué)權(quán)威的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前主觀評估方法缺乏穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)起來步驟復(fù)雜，代價昂貴，實(shí)時性不好，不利于實(shí)時視頻通信中的視頻質(zhì)量評估。中國對于對象質(zhì)量的主觀感知評價，實(shí)驗(yàn)人員是參照ITU-BT-510進(jìn)行的。

客觀質(zhì)量評估法又可以分為三種類型：全參考（Full．Reference，F(xiàn)R），部分參考（Reduced.Reference，RR）和無參考(No．Reference，NR）。對于一個視頻客觀質(zhì)量評估方法來說，關(guān)鍵的是找出一個或幾個最合適的視頻質(zhì)量度量（Video Quality Metric，VQM）來衡量視頻質(zhì)量的好壞。ITU規(guī)定了視頻質(zhì)量度量的精確度和交叉校驗(yàn)的方法（ITU-T J.149—2004）。中國也在探索電視視頻質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)。

3 視覺圖像信號元素

視覺設(shè)計中，演出的人或物比較具象，而視覺圖像信號的應(yīng)用會帶來更多的思考。視覺設(shè)計中視覺圖像信號主要為視頻信號和計算機(jī)圖像信號。表4中分辨率是數(shù)字成像技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)融合的表述方式，是將顯示器固有物理格式及圖像內(nèi)容格式有機(jī)結(jié)合特征符號。在實(shí)際視頻顯示應(yīng)用中，會遇到圖像內(nèi)容分辨率（見圖7）與顯示器固有物理分辨率不同的問題，即圖像格式不同的應(yīng)用，技術(shù)上解決辦法是格式變換，見表5。此時顯示圖像的同心度、重顯率、過掃描和欠掃描對圖像是否完整、顯示屏利用是否充分即圖像重顯率等因素影響著實(shí)際分辨率質(zhì)量。當(dāng)顯示器件固有分辨率像素數(shù)低于圖像內(nèi)容格式下變換顯時，水平和垂直清晰度會出現(xiàn)偽像。顯示器件固有分辨率像素數(shù)高于圖像內(nèi)容格式上變換顯示狀態(tài)也會出現(xiàn)疏密不同干擾花紋狀偽像。為了追求原像素真實(shí)表現(xiàn)，系統(tǒng)工作于最佳分辨率狀態(tài)的固有分辨率顯示系統(tǒng)，在此狀態(tài)清晰度值是最佳的。同時要考慮像素逐點(diǎn)對應(yīng)與像素排列的關(guān)系，如圖8所示。

表4 常用信號格式的垂直分辨率（標(biāo)準(zhǔn)名稱）

表5 常用顯示分辨率及其應(yīng)用、接口、支持的最大分辨率

4 結(jié)語

視頻系統(tǒng)設(shè)計基于人類主要視覺特性要素，根據(jù)視覺圖像信號元素內(nèi)容，確定在具體的視覺環(huán)境因素條件下；并通過對視點(diǎn)、視覺最佳視距PVD、人類經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行視覺分析，從而選取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)具有科學(xué)性的應(yīng)用。

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