4.2.4. Свойства системы зрения человека

Очень часто окончательную оценку изображения делает человек. Если бы человеческое зрение было идеальным и отвечало на световое воздействие с абсолютной точностью и совершенной линейностью, то его можно было бы и не изучать. Однако система зрения человека обладает нелинейной характеристикой, а ее отклик не является абсолютно верным. Важность этих положений для получения изображений признана довольно давно [13], однако они не в полной мере использовались при обработке изображений.

Одной из характеристик системы зрения человека является способность восприятия яркости света. Эксперименты по определению восприятия людьми минимально различимых градаций яркости света, поступающего от калиброванного источника, показали, что яркость света воспринимается глазом нелинейно. Если начертить график зависимости величины этой минимально различимой градации яркости от эталонной яркости, то при изменении яркости в (Пределах нескольких порядков этот график имеет логарифмический характер [14]. Такие субъективные экспериментальные результаты согласуются с объективными данными, полученными в экспериментах на животных, в которых было показано, что светочувствительные клетки сетчатки и оптический нерв возбуждаются с частотой, пропорциональной логарифму интенсивности подводимого к ним света [15]. По вполне понятным причинам подобные объективные измерения на людях не проводились. Тем не менее объективные данные для животных и субъективные показания для людей более чем убедительно подтверждают вывод

Рис. 4.5. а — сечение (осесимметричной) аппаратной функции глаза человека; б - сечение (осесимметричной) частотной характеристики глаза человека.

о том, что яркость света воспринимается по логарифмическому закону. Это существенно нелинейный закон.

Другой отличительной характеристикой системы зрения человека является ее пространственночастотный отклик. Импульсный отклик глаза, рассматриваемого в виде двумерной линейной системы (т. е. линейной после начального логарифмического преобразования интенсивности наблюдаемого света), не является -функцией Дирака. Реакция глаза на приходящее световое поле описывается аппаратной функцией, сечение которой показано на рис. 4.5, а [16]. Острый центральный пик и отрицательные боковые лепестки импульсного отклика глаза наказывают, что глаз обрабатывает пространственные частоты так же, как фильтр верхних частот. Точная форма частотной характеристики глаза исследовалась с помощью ряда психовизуальных экспериментов; было показано, что глаз подавляет низкие и ослабляет высокие пространственные частоты. В грубом приближении пространственно-частотный отклик глаза имеет полосовой характер. Подобная характеристика (рис. 4.5, б), например, была получена в ряде экспериментов, проведенных Манносом и Сакриеоном [17].

Наконец, особенностью зрения человека является способность к насыщению, т. е. к ограничению отклика при очень больших или очень малых интенсивностях наблюдаемого светового потока. Перечисленные свойства системы зрения можно описать моделью представленной в виде блок-схемы на рис. 4.6. Однако данная модель совершенно не отражает других известных свойств системы зрения. Например, есть сведения, что некоторые стороны процесса восприятия изображения можно объяснить только наличием не одной, как на рис. 4.6, а нескольких линейных систем, включенных параллельно, т. е. в рамках модели с частотными каналами

[18]. Другие визуальные явления (такие, как иллюзия одновременного контраста) указывают, что логарифмическое преобразование, введенное в блок-схеме рис. 4.6, является слишком большим упрощением. Но, несмотря на известные недостатки, модель, представленная на рис. 4.6, является полезной, поскольку она

1) объясняет ряд важных явлений, таких, как восприятие яркости света и полосы Маха;

Рис. 4.6. Блок-схема системы зрения человека.

2) указывает, что в системе зрения содержатся некоторые элементы системы обработки информации. В частности, система зрения человека, по-видимому, выполняет некоторые операции гомоморфной обработки информации [19].

Полезно связать логарифмическое преобразование изображения, выполняемое глазом, с рассмотренным ранее вопросом о плотностном и яркостном изображениях. Можно заметить, что поскольку яркость света воздействует на глаз по логарифмическому закону, глаз воспринимает изображение как плотностное, если даже оно представлено (с помощью устройства отображения) в виде яркостного изображения.

Представляется логичным воспользоваться моделями системы зрения человека при анализе возможных применений цифровой обработки изображений. Однако это делать нужно осторожно, так как система зрения человека настолько сложна, что необоснованное применение упрощенных моделей зрения может принести больше вреда, чем пользы. Манное и Сакрисон [17] доказали применимость модели зрения для исследования вопроса о сокращении избыточности изображений. Однако пока еще не определены все области возможного применения моделей зрения.