Контрастная чувствительность зрения

Способность видеть – это, прежде всего, способность замечать различия в яркости объектов. Количественно различия в яркости отдельных участков ТВ изображения характеризуются контрастом K и относительным контрастом к₁, причем

(1.7)

(1.8)

Важным свойством зрения является то, что глаз реагирует не на абсолютное приращение яркости объекта Δ L, а на относительное, т.е. на относительный контраст к₁. Характерный пример: звезды хорошо видны на ночном небе и практически незаметны днем, хотя яркость звезд не зависит от времени суток.

Минимально различимый глазом относительный контраст объекта на некотором фоне называется пороговым контрастом к_1пор. Величина к_1пор характеризует контрастную чувствительность зрения и зависит от яркости фона и углового размера объекта, однако для крупных объектов в диапазоне яркостей, соответствующих телевизионному экрану (1÷ 300 кд/м ²), ее можно считать постоянной и равной

к_1пор=0, 02÷ 0, 05. (1.9)

Более точно определить значение к_1пор, чем это позволяет выражение (1.9), затруднительно, так как контрастная чувствительность зрения меняется от зрителя к зрителю и зависит от его возраста и физического состояния.

Очевидная связь между параметрами ТВ системы и контрастной чувствительностью зрения отсутствует. Попробуем разобраться в этом вопросе сначала на качественном уровне. В аналоговой ТВ системе яркость любого участка изображения может принимать любое значение от L_min до L_max. Изображение, в котором, кроме крайних значений яркости L_min и L_max, передаются и воспроизводятся и промежуточные значения, называется полутоновым. Поскольку шкала значений яркости от L_min до L_max в аналоговой системе непрерывна, то число передаваемых полутонов бесконечно велико и, следовательно, не может быть выражено в цифровой форме. Из телевизионной практики известно, что изображение высокого качества можно получить, если вместо непрерывной использовать дискретную шкалу значений яркости, содержащую не менее m элементов, где m – максимальное число различаемых глазами градаций яркости при заданном контрасте изображения К. Число m можно найти из следующих соображений (см. рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – К определению числа различаемых глазом градаций яркости m

Чтобы искажения изображения были незаметны, необходимо каждое последующее значение дискретной шкалы выбирать в соответствии с контрастной чувствительностью зрения:

, откуда . Следовательно,

, и т.д.

, откуда следует

Если учесть, что при к_{1 пор}→ 0 ln(1-к_{1 пор})→ -к_{1 пор}, окончательно имеем:

 

m=1+ln К/к_{1 пор}∙ (1.10)

Обычно m> > 1 и, следовательно, можно с успехом применять приближенную формулу

m @ln К/к_{1 пор}. (1.11)

Полученное выражение (1.11) позволяет определить число уровней квантования – операции, предшествующей цифровому кодированию сигнала яркости. Например, при K=100 и к_{1 пор}=0, 05 m=92; т.е. любое значение яркости может быть описано 7-разрядным двоичным кодом. Обычно в цифровом телевидении для описания сигнала яркости используют 7-разрядный (m=128) или 8-разрядный (m=256) двоичный код.

Смысл выражения (1.11) по отношению к аналоговому телевидению состоит в том, что с увеличением контраста изображения K увеличивается число различаемых глазом градаций яркости (полутонов) m, при этом наблюдается улучшение, по субъективным оценкам, качества ТВ изображения.