ПРЯМОЙ КОНТРАСТ ЭТО ОДНОВРЕМЕННО ЯРКОСТЬ И КОНТРАСТ

1 Общая характеристика зрительного анализатора

Раздражителем
зрительного анализатора является
световая энер­гия, а рецептором –
глаз. Зрение позволяет воспринимать
форму, цвет, яркость и движение предметов.
Человек-оператор около 90% всей информации
получает через зрительный анали­затор.

Глаз
человека работает по принципу
фотографической камеры, роль объектива
в которой выполняет хрусталик. Световые
лучи, проходя через хрусталик, преломляются
и создают уменьшенное обратное изображение
на внутренней стенке глазного яблока
(сетчатке). На сетчатке находятся
светочувствительные нервные окончания
(рецепторы), которые носят название
палочек (черно- белое зрение) и колбо­чек
(цветное зрение). Рецепторы поглощают
падающий на них световой поток и
преобразуют его в нервные импульсы,
которые передаются по зри­тельному
нерву в мозг. Величина этих импульсов
зависит от осве­щенности сетчатки на
том ее участке, на котором получается
изо­бражение рассматриваемого
предмета.

Возможность
зрительного восприятия определяется
энергети­ческими, информационными,
пространственными и временными
характеристиками сигналов, поступающих
к оператору.
Совокуп­ность
этих характеристик и их численные
значения определяют видимость объекта
(сигнала) для глаза. В соответствии с
назван­ными характеристиками сигналов
можно выделить четыре группы характеристик
зрительного анализатора:

3. Простейшие методы обработки изображений

Часто в компьютерной
графике возникает задача обработки
изображений. Обработка, как правило,
заключается в наложении на изображение
каких-либо эффектов – это размытие,
резкость, деформация, шум и т. д., а также
в регулировке уровня яркости и контраста.

1. Яркость и контраст

Яркость и контраст
являются субъективными характеристиками
изображения, воспринимаемыми человеком.

Яркость представляет
собой характеристику, определяющую то,
на сколько сильно цвета пикселей
отличаются от чёрного цвета. Например,
если оцифрованная фотография сделана
в солнечную погоду, то ее яркость будет
значительной. С другой стороны, если
фотография сделана вечером или ночью,
то её яркость будет невелика.

Контраст
представляет собой характеристику
того, насколько большой разброс имеют
цвета пикселей изображения. Чем больший
разброс имеют значения цветов пикселей,
тем больший контраст имеет изображение.

По аналогии с терминами
теории вероятностей можно отметить,
что яркость представляет собой как бы
математическое ожидание значений
выборки, а контраст – дисперсию значений
выборки.

Яркость и контраст
могут рассматриваться не только для
всего изображения, но и для отдельных
фрагментов. Таким образом, возникают
понятия локальной яркости и локального
контраста.

Часто требуется
изменить яркость или контраст изображения.
Рассмотрим функцию, областью определения
и значений которой являются значения
цветовых компонент в модели RGB. Аргументом
функции является цвет пикселя исходного
изображения. Значение функции представляет
собой цвет пикселя обработанного
изображения. Для изменения яркости/контраста
функция применяется для каждого пикселя
изображения.

Если яркость и контраст
изображения никак не меняются в процессе
преобразования, то функция имеет график,
представленный на рис. 2 .22, а. Из рисунка
видно, что функция в этом случае просто
передаёт на выход значение своего
аргумента.

а б
в

Рис. 2.22.
Графики яркости

Яркость для рассматриваемой
функции представляет собой сдвиг прямой
линии в вертикальном направлении.
Яркость изображения увеличивается
пропорционально сдвигу прямой. Если
прямая сдвигается вверх (рис. 2 .22, б),
яркость изображения увеличивается, а
если прямая сдвигается вниз (рис. 2 .22,
в) – уменьшается.

Поскольку используется
арифметика с насыщением, то при установке
определённой яркости изображения либо
оно полностью окажется засвеченным,
либо полностью затемнённым.

При использовании
преобразования контраста прямая линия
меняет свой наклон. При увеличении
контраста изображения (рис. 2 .23, а) наклон
прямой увеличивается, при уменьшении
контраста – уменьшается (рис. 2 .23, б).
При этом сдвиг прямой в горизонтальном
направлении означает, что помимо
контраста изменяется и яркость
изображения.

Рис. 2.23.
Графики контрастности

Комбинации наклона и
сдвига прямой позволяют одновременно
изменять и яркость, и контраст изображения.
Например, на рис. 2 .24 представлен график
функции, усиливающей контраст и
увеличивающей яркость изображения.

Рис. 2.24.
Увеличение яркости и контрастности

Преобразование
яркости/контраста может быть применено
и к отдельным компонентам модели RGB,
например к компоненту красного цвета.
Тогда яркость/контраст будут изменяться
только для красного компонента, а для
других компонент они останутся
неизменными. Более того, можно задавать
различные преобразования яркости/контраста
одновременно для каждого компонента
модели RGB.

Соседние файлы в папке Литература

• #

  Информатика Симонович 2008.docx

• #
• #

Гистограмма изображения

Несколько
следующих команд в меню «Цвет» используют
гистограмму
изображения (уровни)
как основной или дополнительный
инструмент. Гистограмма
(в фотографии)
— это график распределения полутонов
изображения, в котором по горизонтальной
оси представлена Яркость, а по вертикали
— относительное число пикселов с данным
значением яркости (рис. 3.5.). Гистограмма
изображения позволяет оценить количество
и разнообразие оттенков изображения,
а также общий уровень яркости изображения.

Рис. 3.5. Пример гистограммы

Наиболее
просто построение гистограммы можно
пояснить для изображения в градация
серого цвета. В этом случае, гистограмма
представляет собой диаграмму, где по
горизонтальной шкале откладываются
градации серого от 0 (черный) до 255 (белый),
а по вертикальной — количество точек
соответствующей градации в этом
изображении. Чем выше столбец, тем больше
точек соответствующего оттенка серого
содержится в фотографии.

Так
гистограмма, приведенная на рис. 3.5.,
отображает количество пикселей
определённого тона для рис. 3.6.

Рис. 3.6. Пример изображения для построения
гистограммы

При
выборе инструмента «Уровни» и задании
параметров, как показано на рис. 3.7.
(бегунки справа слева сдвинуты к
середине), распределяем значение
интенсивностей равномерно по всей
области градаций серого цвета. Этим
самым повышаем контрастность изображения
(рис. 3.8.).

В
некоторых случаях, описанный метод
позволяет улучшить изображение, а в
некоторых наоборот уменьшить художественную
ценность изображения.

Гистограмма
для цветного изображения строится по
яркости, либо по каждому отдельному
каналу для основных цветов цветовой
модели. Например, для RGBмодели гистограмма может быть построена
для трех каналовR,GиBсоответственно.

Рис. 3.7. Изменение гистограммы

Рис. 3.8. Изображение с повышенной
контрастностью

Коррекция цветовых кривых

Вторым
значимым элементом после гистограммы
являются « Кривые
», которые позволяют
управлять функцией яркости и контрастности.

Рассмотрим
функцию для управления яркостью и
контрастностью, областью определения
и значений которой являются значения
цветовых компонент в модели RGB. Аргументом
функции является цвет пикселя исходного
изображения. Значение функции представляет
собой цвет пикселя обработанного
изображения. Для изменения яркости/контраста
функция применяется для каждого пикселя
изображения.

Если
яркость и контраст изображения никак
не меняются в процессе преобразования,
то функция имеет график, представленный
на рис. 3.9., а. Из рисунка видно, что
функция в этом случае просто передаёт
на выход значение своего аргумента.

а) б) в)

Рис. 3.9. Графики яркости

Яркость
для рассматриваемой функции представляет
собой сдвиг прямой линии в вертикальном
направлении. Яркость изображения
увеличивается пропорционально сдвигу
прямой. Если прямая сдвигается вверх
(рис. 3.9., б), яркость изображения
увеличивается, а если прямая сдвигается
вниз (рис. 3.9., в) – уменьшается.

При
использовании преобразования контраста
прямая линия меняет свой наклон. При
увеличении контраста изображения (рис.
3.10., а) наклон прямой увеличивается, при
уменьшении контраста – уменьшается
(рис. 3.10., б). При этом сдвиг прямой в
горизонтальном направлении означает,
что помимо контраста изменяется и
яркость изображения.

Рис. 3.10. Графики контрастности

Комбинации
наклона и сдвига прямой позволяют
одновременно изменять и яркость, и
контраст изображения. Например, на рис.
3.11. представлен график функции, усиливающей
контраст и увеличивающей яркость
изображения.

Рис. 3.11. Увеличение яркости и контрастности

Преобразование
яркости/контраста может быть применено
и к отдельным компонентам модели RGB,
например к компоненту красного цвета.
Тогда яркость/контраст будут изменяться
только для красного компонента, а для
других компонент они останутся
неизменными. Более того, можно задавать
различные преобразования яркости/контраста
одновременно для каждого компонента
модели RGB.

Яркость и контраст

Достаточно
просто изменяется яркость и контрастность
изображения или выделения при использовании
инструмента. « Яркость-контраст».

Яркость
и контраст
являются субъективными
характеристиками изображения,
воспринимаемыми человеком.

Яркость
представляет собой характеристику,
определяющую то, на сколько сильно цвета
пикселей отличаются от чёрного цвета.
Например, если оцифрованная фотография
сделана в солнечную погоду, то ее яркость
будет значительной. С другой стороны,
если фотография сделана вечером или
ночью, то её яркость будет невелика.

Контраст
представляет собой
характеристику того, насколько большой
разброс имеют цвета пикселей изображения.
Чем больший разброс имеют значения
цветов пикселей, тем больший контраст
имеет изображение.

2 Энергетические характеристики

Энергетические
характеристики зрительного анализатора
опре­деляются мощностью (интенсивностью)
световых сигналов, воспринимаемых
глазом. К ним относятся: яркость,
слепящая яркость, адаптирующая

яркость,
контраст, спектральная чувствительность.

Яркость
.
Световой поток, излучаемый источником
или отражаемый поверхностью, попадая
в глаз наблюдателя, вызывает зрительное
ощущение. Оно будет тем сильнее, чем
больше плотность светового потока,
излучаемого или отражаемого по направлению
к глазу. Следовательно, источник света
или освещенный предмет будет тем лучше
виден, чем большую силу света излучает
каждый элемент поверхности в направлении
глаза. Яркостью
пред­мета

называется величина /Pict
8-01/

где

I


–
сила света в рассматриваемом направлении
(световой поток, излучаемый на единицу
телесного угла); S

– площадь светящейся поверхности; α

– угол, под которым рассматривается
поверхность.

Единицей
яркости является кандела на метр
квадратный (кд/
)
или нит (нт). Яркостью в 1 кд/
обладает равномерно светящаяся плоская
поверхность, излучающая в перпендикулярном
к ней направлении свет силой 1 кд на
каждый квадратный метр. Яркость является
основной характери­стикой света.
Величиной яркости определяется величина
нервных импульсов, возникающих в сетчатке
глаза.

В
общем случае яркость предмета определяется
двумя состав­ляющими — яркостью
излучения и яркостью отражения: /Pict
8-02/

Яркость
излучения
определяется силой света источника и
площадью светящейся поверхности: /Pict
8-03/

Яркость
отражения опре­деляется уровнем
освещенности данной поверхности и ее
отражаю­щими свойствами: /Pict
8-04/

где
Е
–
освещенность
поверхности в люксах; ρ

– коэффициент отраже­ния поверхности.

Освещенностью
называется величина /Pict
8-05/

где

I

– сила света источника; S

– площадь освещаемой поверхности.

Единицей
освещенности является люмен на метр
квадратный (лм/
)
или люкс (лк). Освещенность поверхности
определяется по формуле /Pict 8-06/

где
R

– расстояние от освещаемой поверхности
до источника освещения, α

– угол, под которым на поверхность
падает свет.

Коэффициент
отражения во многом определяется цветом
поверх­ности (табл.
8.1)
.
/Pict
8-07/ Он показывает, какая часть падающего
на по­верхность светового потока
отражается ею.

Таблица
8.1 Приближенные значения коэффициентов
отражения поверхностей различного
цвета

Слепящая
яркость
.
В ряде случаев в поле зрения оператора
могут попадать сигналы разной
интенсивности. При этом сигналы с большей
яркостью могут вызвать нежелательное
состояние глаз – ослепленность. Слепящая
яркость определяется адаптирующей
яркостью и размером светящейся
поверх­ности : /Pict 8-08/

где
В
_А

– адаптирующая яркость,

– телесный угол, под которым оператору
видна светящаяся поверхность (в
стерадианах).

Для
создания оптимальных условий зритель­ного
восприятия необходимо не только
обеспечить требуемую яркость и контраст
сигналов, но также и равномерность
распре­деления яркостей в поле зрения.
В случаях, когда невозможно рассчитать
слепящую яркость, необходимо обеспечить
перепады яркостей не более 1 к 30 , то есть
/Pict
8-09/

Адаптирующая
яркость.

Так как в поле зрения оператора могут
попадать предметы с различной яркостью,
в инженерной психологии вводится также
понятие адаптирующей яркости. Под ней
понимают ту яркость, на которую адаптирован
(настроен) в данный момент времени
зрительный анализатор. Приближенно
можно считать, что для изображений с
прямым контрастом (предмет темнее фона)
адаптирующая яркость равна яркости
фона, а для изображений с обратным
контра­стом (предмет ярче фона) –
яркости предмета.

Диапазон
чувствительности зрительного анализатора
лежит в пределах от 10 ^-6

до 10 ⁶

кд/
,
то есть /Pict
8-10/

Наилучшие
же условия для работы будут при уровнях
адаптирующей яркости, лежащей в пределах
от нескольких десятков до нескольких
сотен кд/
,
то есть дляn
= 1–10 /Pict
8-11/

Контраст
.
Контраст – это видимость предмета по
отношению к фону: /Pict
8-12/

где
В
_max


и
B
_min

– максимальная и минимальная яркость.

Различают
два вида контраста: прямой
контраст

,
когда пред­мет темнее фона, и обратный
контраст

,
когда предмет ярче фона. Количественно
величина контраста оценивается как
отношение разности в яркости предмета
и фона к большей яркости: /Pict
8-13/ и /Pict
8-14/

;

,

где
В
_ф


и
В
_п

–

соответственно яркость фона и предмета.

Оптимальная
величина контраста должна лежать в
пределах 0,60–0,95,то есть /Pict
8-15/

Работа при прямом
контрасте является более благоприятной,
чем работа при обратном контрасте.

Однако
обеспечение требуемой величины контраста
является только необходимым, но еще
недостаточным условием нормальной
видимости предметов. Необходимо знать
также, как этот контраст вос­принимается
в конкретных условиях. Для этого вводится
поня­тие порогового
контраста

,
который равен /Pict
8-16/

где
ΔВ
_пор

– пороговая разность яркости (минимальная
раз­ность
яркости предмета
и фона, впервые обнаруживаемая глазом).

Величина
К
_пор

определяется дифференциальным
порогом

раз­личения яркости. Для получения
оперативного
порога

необходимо, чтобы фактическая величина
разности яркости предмета и фона была
в 10–15 раз больше пороговой. Это означает
также, что для нор­мальной видимости
рассчитанная величина контраста должна
быть больше пороговой К
_пор



в
10–15 раз, то есть /Pict
8-17/

Величина
порогового контраста зависит от яркости
адаптации (яркости фона B
ф
)
и угловых размеров предметов α

(рис.
8.1)

/Pict
8-18/.

Рис.
8.1 Зависимость порогового контраста от
яркости адаптации и угловых размеров
предметов

Из
рисунка видно, что предметы с боль­шими
размерами видны при меньших контрастах
и что с увеличе­нием яркости уменьшается
значение порогового контраста.

Большое
влияние на условия видимости предметов
оказывает величина внешней освещенности.
Однако это влияние будет различ­ным
при работе оператора с изображениями,
имеющими прямой и обратный контраст.
Увеличение освещенности при прямом
контрасте приводит к увеличению условий
видимости (величина к
_п


увеличивается),
при обратном контрасте – к ухудшению
видимости (вели­чина к
_о



уменьшается).

Спектральная
чувствительность
.
Глаз человека воспринимает электромагнитные
волны в диапа­зоне 380–760 нм, то есть
/Pict
8-19/

Однако
чувствительность глаза к волнам
различ­ной длины неодинакова. Наибольшую
чувствительность глаз имеет по отношению
к волнам в середине спектра видимого
света (500–600 нм). Этот диапазон соответствует
излучению желто-зеленого цвета. Важной
характеристикой глаза является
спектральная чувствительность или
относительная видность /Pict
8-20/

где
Е
_λ

– ощущение, вызываемое источником
излучения c
длиной волны λ
;
Е
₅₅₅

– ощущение, вызываемое источником
излучения той же мощности с длиной волны
555 нм.

Кривая
спектральной чувствительности глаза
приведена на рис.
8.2
.
/Pict
8-21/ Из рисунка, например, видно, что для
обеспечения одинакового зри­тельного
ощущения необходимо, чтобы мощность
синего излуче­ния была в 16,6 раза а
красного – в 9,3 раза больше мощности
желто-зеленого излучения. По этой причине
цветоощущение (относительная видность)
условно также может быть отнесено к
энергетиче­ским характеристикам
зрительного анализатора.

Рис.
8.2 Кривая спектральной чувствительности
глаза

При
недостатке освещения (сумеречное зрение)
кривая спектральной чувствительности
смещается влево приблизительно на 50 нм
(эффект Пуркинье) (рис. 8.3)
.
/Pict
8-22/

Рис.
8.3 Кривая спектральной чувствительности
глаза при нормальной и недостаточной
освещенности

Следует
отметить, что влияние цвета в деятельности
оператора очень велико. Во-первых, он
может использоваться как один из способов
кодирова­ния информации, во-вторых,
– для эстетического оформления помещений
и пультов управления с точки зрения
улучшения зри­тельного восприятия.

Соседние файлы в папке Инженерная психология