2.3. ЗРИТЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Описанные ниже зрительные явления взаимосвязаны, одни - в меньшей степени, другие - в большей. Однако для упрощения изложения, а также потому, что некоторые детали явлений не ясны, эти явления рассматриваются вне связи друг с другом.

Контрастная чувствительность

Известно, что реакция глаза на изменение освещения является нелинейной. Пусть пятно света, имеющее интенсивность , окружено фоном интенсивности  (рис. 2.3.1, а). Нужно найти зависимость от  минимального приращения , которое замечается наблюдателем. Установлено [11], что в широком диапазоне интенсивностей отношение , называемое отношением Вебера, имеет почти одинаковую величину – около 0,02. Этот результат не имеет места для очень малых или очень больших интенсивностей, как видно из рис. 2.3.1, а [12]. Более того, контрастная чувствительность зависит от интенсивности окружающего фона. Рассмотрим два пятна света с интенсивностями  и  (рис. 2.3.1, б), окруженные фоном интенсивности . Графики зависимости отношения  от  для разных интенсивностей фона  приведены на рис. 2.3.1, б (справа). Оказалось, что диапазон интенсивностей, при котором отношение  остается постоянным, значительно уже, чем на рис. 2.3.1, а. Огибающая точек минимума кривых рис. 2.3.1, б совпадает с кривой рис. 2.3.1, а. Однако диапазон интенсивностей  для почти постоянного отношения  при фиксированной интенсивности фона  сравним с динамическим диапазоном большинства электронных изображающих систем.

Рис. 2.3.1. Измерения контрастной чувствительности: а — без фона; б — с фоном.

Поскольку дифференциал логарифма интенсивности равен

,                       (2.3.1)

то одинаковые изменения логарифма интенсивности света можно связать с одинаковыми едва заметными изменениями интенсивности в диапазоне, в котором отношение  остается постоянным. По этой причине во многих системах обработки изображений вычислительные операции проводятся с использованием логарифма интенсивности, а не интенсивности.

Полосы Маха

Рассмотрим ступенчатый оптический клин (набор полосок различной светлоты), показанный на рис. 2.3.2, а. Интенсивность света, отраженного от каждой полоски, одинакова по ее ширине и отличается на постоянную величину от интенсивности света, отраженного от соседних полосок. Однако правый край каждой полоски кажется темнее левого. Это явление называется эффектом полос Маха [13]. На рис. 2.3.2, в представлено изображение с распределением интенсивности, которое показано на рис. 2.3.2, г. На этой фотографии видны два столбика — яркий (В) и темный (D). Ни один из них нельзя предсказать исходя из распределения интенсивности. Полосы Маха, т. е. кажущиеся преувеличения изменений светлоты, можно объяснить исходя из пространственно-частотной характеристики глаза. Как мы увидим скоро, глаз обладает меньшей чувствительностью в области низких и высоких пространственных частот по сравнению с чувствительностью на средних частотах. Отсюда можно сделать вывод, что при создании систем обработки изображений можно в некоторой степени пожертвовать верностью воспроизведения контуров, так как глаз не очень чувствителен к высокочастотным перепадам светлоты.

Рис. 2.3.2. Примеры полос Маха: а - ступенчатый клин; б - распределение интенсивности клина; в - перепад интенсивности; г - распределение интенсивности дня картины «в».

Одновременный контраст

Явление одновременного контраста [7] иллюстрируется фотографией, приведенной на рис. 2.3.3. В действительности все маленькие квадраты имеют одинаковую яркость, но из-за различной яркости фона кажется, что их яркость разная. Цветовой фон пятна света зависит также от цвета окружения. Белое пятно на черном квадрате кажется желтоватым, если вся фигура окружена синим фоном.

Рис. 2.3.3. Пример одновременного контраста.

Цветовая адаптация

Воспринимаемый цветовой фон зависит от адаптации зрителя [14]. Американский флаг, например, не сразу будет восприниматься как красно-бело-синий, если человек перед этим смотрел на интенсивный красный свет. Воспринимаемые цвета флага будут смещены в сторону голубого цвета, который является дополнительным к красному.

Цветовая слепота

Приблизительно 8% всех мужчин и 1 % женщин в той или иной форме страдают цветовой слепотой [15, стр. 405]. Существуют разные степени цветовой слепоты. Некоторые люди, так называемые монохроматы, имеют только палочки или палочки и колбочки одного типа и поэтому им свойственно одноцветное зрение. Другие люди - дихроматы - имеют колбочки двух типов. И монохроматы, и дихроматы могут различать цвета в той степени, в которой они научились связывать различные цвета с разными предметами. Например, они могут знать, что темные розы - красные, а светлые - желтые. Но если покрасить красную розу в желтый цвет, сохранив величину коэффициента отражения, монохромат может назвать ее красной. Дихроматы также неспособны точно определять цветовой тон.

Субъективные цвета [16]

В 1826 г. французский монах Бенидикт Прево заметил, что если периодически освещать белый лист бумаги, помещая его в узкий луч света в затемненной комнате, то на этом листе можно наблюдать цветные полоски. Это было первое зарегистрированное наблюдение субъективных цветов. Фехнер в 1838 г. наблюдал субъективные цвета, появляющиеся на вращающемся диске, выкрашенном наполовину в черный, наполовину в белый цвет. В 1894 г. Бенхэм изобрел волчок, на верхней поверхности которого был узор, показанный на рис. 2.3.4. Когда волчок вращается против часовой стрелки, внешнее кольцо кажется красным, среднее - зеленым, а внутреннее - синим. Вращение в противоположную сторону приводит к тому, что цвета внешнего и внутреннего колец меняются местами. Эти и связанные с ними явления частично объясняются характером временной реакции зрительной системы человека на вспышки света.

Рис. 2.3.4. Диск Бенхэма.

Опыты Лэнда

В начале 50-х годов Лэнд [17] провел интересные опыты, показывающие возможность воспроизведения цвета с помощью двух основных цветов. Один из этих опытов иллюстрируется на рис. 2.3.5. Некоторая сцена фотографируется дважды: за фильтрами с полосами пропускания ~600-700 и ~500-600 нм. Изготавливаются два одноцветных диапозитива  и . Затем эти диапозитивы проектируются на один экран. Первый диапозитив освещается красным светом (длина волны 600-700 нм), а второй - белым. Наблюдается интересный эффект: когда оба изображения совмещены, исходная сцена воспроизводится почти в естественных цветах (плохо воспроизводятся только пурпурные цвета). Если изображения слегка не совпадают, воспроизведение цветов резко ухудшается. Это показывает, что воспроизведение цветов зависит от содержания сцены, а не есть чисто локальное явление ( т.е цвет данной точки зависит от цвета ее окружения).

Рис. 2.3.5. Опыты Лэнда.