Яркостные характеристики зрительной информации

В оценку оптимальности яркостного режима включается нормирование уровня яркости и ее перепадов в поле зрения наблюдателя для достижения заданных показателей эффективности обработки зрительной информации.

Для оценки качества изображения на индикационных устройствах нормируются значения контраста, контрастности или интервала яркостей, необходимого для передачи заданного числа градаций яркости и обеспечения четкости изображения, а также уровень и интервал яркостей для правильной передачи в изображении светлотных характеристик отображаемых объектов.

Специальная задача решается при использовании яркости в качестве кода.

Уровень яркости. Оптимальной яркостью считаются те ее значения, при которых обеспечивается максимальное проявление контрастной чувствительности — ведущей функции глаза. Показателем максимального проявления функции являются минимальные значения порогового контраста.

Для практики отображения существенно, что при уровне оптимальной яркости имеющийся «запас прочности» обеспечивает устойчивость эффективности обнаружения и различения к помехогенным факторам.

К последним следует отнести как аппаратурные помехи, снижающие контрастность изображения, так и «зашумленность» основного изображения картографическим фоном, вспомогательными линиями, цветовыми полями.

При яркостях, обеспечивающих высокую контрастную чувствительность, можно в известных пределах снижать контраст изображения без ухудшения различимости. Приведенные значения оптимальных яркостей относятся лишь к операциям обнаружения объектов простой конфигурации с пороговой достоверностью, для вероятности обнаружения 0,5.

При различении объектов сложной конфигурации, при требованиях высокой точности опознания и большой скоростиобработки данных вводятся поправочные коэффициенты, увеличивающие значения яркости, полученные для задач обнаружения. Яркость фона (для объектов прямого контраста), обеспечивающая наивысшую остроту различения (S=2,5), составляет 104 кд/м2.

При различении сложных объектов наивысших значений острота зрения достигает при яркости фона в 3000 кд/м2. Однако с уменьшением яркости острота зрения изменяется не столь резко. Для яркостей 300—200 кд/м2 острота зрения составляет 90% по сравнению с наибольшими ее значениями. Резкое падение остроты зрения наблюдается при выходе из диапазона яркостей дневного зрения, т. е. В<10 кд/м2.

При выборе яркости следует учитывать знак контраста изображения. Острота зрения растет для обратного контраста с увеличением яркости до 30—31 кд/м2, при дальнейшем ее росте острота зрения падает вследствие иррадиации.

Соотношение яркостей в поле зрения. При установлении оптимального диапазона яркостей, одновременно находящихся в поле зрения оператора, необходимо обеспечить перепад яркостей, близкий к уровню адаптации. Яркости, попадающие в зону слепящих яркостей или в зону неразличимо-черного, резко снижают эффективность работы оператора.

Максимально допустимый перепад яркостей в поле зрения оператора не должен превышать 1 : 100. Оптимальное же соотношение яркостей в поле зрения оператора, обеспечивающее высокий уровень контрастной чувствительности и быстроты различения, составляет 20 : 1 между источником света и ближайшим окружением и 40 : 1 между самым светлым и самым темным участками изображения.

Градации яркости и качество изображения. Для передачи изображения алфавита знаков, условной картинной обстановки и передачи реальных объектов (телевидение, кино) важнейшей характеристикой является число элементов или признаков, необходимых для опознания объекта разных классов.

При опознании алфавита буквенно-цифровых знаков это число составляет 4—10. Для более сложных изображений оно равно 12—17, а опознание некоторых объектов требует четкого выделения до 40 признаков.

В зависимости от типа изображения эти опознавательные элементы передаются разным числом градаций яркости. Минимальное число при передаче изображения равно двум. Таким числом градаций высвечиваются знаковые, символические сообщения — темные знаки на белом фоне (прямой контраст) или, наоборот, светлые на темном (обратный контраст).

В этом случае качество изображения оценивается величиной контраста (К), вычисляемого как отношение разности объекта и фона к большей яркости.

Контраст до 20% рассматривают как малый, до 50%—средний и свыше 50%—высокий.

Рекомендуемая зона величины контраста лежит в пределах от 65 до 95%; при этом оптимальным является контраст, равный 85—90%. Контраст свыше 90% следует использовать в тех случаях, когда требуется наибольшая четкость изображения, а общее время работы небольшое. При длительной работе предпочтительнее контраст 85—90%.

При отображении же реальных объектов средствами телевидения, кино важно точно передать соотношение яркостей деталей объектов пропорционально их коэффициентам отражения. Для хорошего изображения обязателен расчет числа градаций яркости и определение шага при переходе от одной градации к другой.

Для передачи крупных объектов с плавными световыми переходами в соответствии с коэффициентом отражения необходимо не менее 15—40 градаций.

Обеспечение заданного числа градаций яркости возможно лишь при достаточном уровне контрастности изображения, т. е. при интервале яркостей, внутри которого распределены эти градации.

Минимально допустимое значение контрастности, создающее удовлетворительное изображение, создается в интервале 1: 10.

Требуемая контрастность изображения зависит от содержания отображаемой информации и вида контраста. Для передачи сложного полутонового изображения с сохранением деталей необходимая контрастность составляет 1 : 100. Печатные изображения или изображения, образуемые штриховыми линиями, требуют контрастности 1 : 25. Величина контрастности существенно зависит от того, светлее или темнее фона отображаемые объекты.

Для знаков обратного контраста в связи с необходимостью адаптации к небольшим значениям яркости контрастность приемлема в диапазоне 5—10. При высоких уровнях контрастности высвечиваемые знаки кажутся яркими источниками света.

Если учитывается только точность считывания, соотношение яркости полезного изображения и яркости помехи должно быть не меньше 2:1. При одновременном учете быстроты и точности опознания это соотношение увеличивается до 7:1, 9:1. Контрастность изображения снижается при внешнем освещении тем значительнее, чем ниже яркость экрана и чем больше яркость, создаваемая освещением извне. Уровень внешней засветки не должен превышать 3—10% яркости экрана.

В оценку качества отображения входит определение числа градаций, воспринимаемых глазом, и сравнение их с числом градаций яркости, передаваемых на средствах индикации. Реальные условия отображения: малая яркость изображения, наличие шумов — приводят к невозможности различать отображаемое число градаций яркости из-за снижения чувствительности глаза.

Так, расчетное число различаемых градаций для телевизионного изображения составляет 95—100. Однако из-за перепадов яркостей в поле зрения наблюдателя и необходимости переэдаптации в этих условиях глаз различает не более 30—35 градаций, а при помехах число различаемых градаций для лучших металлизированных экранов составляет 17, а для обычных телевизионных экранов не превышает 8—10.

Кодирование яркостью. При передаче информации на средствах отображения, где яркость выступает в качестве кода, число градаций ограничивается возможностью абсолютной оценки человеком каждой из ступеней яркости. Пределом этой оценки являются 3—10 световых градаций, включая уровень полного затемнения.

Исходя из этого на средствах отображения типа телевизионных экранов, передающих вторичную обстановку (т. е. освобожденную от помех), используется 5—7 градаций в диапазоне контрастности 10:1.

Если уровень яркости служит кодом для передачи качественных характеристик сообщений (например важности объектов), пределом числа яркостных градаций являются 4 градации, а наиболее употребляемым числом — 2 градации яркости.