基于中间视觉的场景模拟及亮度转换模型研究*

孙立晔 马剑 刘刚＊＊ 肖俊宏

(1.沈阳建筑大学土木工程学院，沈阳 110168;2.天津大学建筑学院，天津 300072)

1 引言

场景模拟与再现，需要对场景进行定性和定量化的描述。因此根据景观照明中不同场景的特征建立场景再现与模拟方法并确定再现、模拟场景和实际场景之间物理刺激的量化关系，对实现场景模拟、再现起到了重要作用。

人眼观看物体时产生的感受，要同时受到目标和场景环境中多种因素的影响［1］，例如亮度、色彩等。当环境处于亮度较低、对比较弱的中间视觉水平时，视觉细胞中主要是杆状细胞产生反应，此时人眼视觉功能将产生许多不同于明亮环境下的视觉特点，包括周围的环境会让人觉得模糊，并且缺乏色彩等，此时场景的视觉感受主要受到亮度和亮度比的影响［2～4］。

本研究考虑场景光环境中亮度及其对比的影响，针对场景特性、场景的图像特征、模拟与再现实验条件等因素［5，6］进行了场景模拟、再现方法的研究，并提出符合中间视觉的低亮度弱对比条件下实际场景与再现场景亮度的转换模型。通过本研究，不仅为中间视觉条件下场景的再现和模拟提供理论基础和方法，使研究更加系统化和标准化，也是对现有相关研究领域的有益探索，同时也为进一步相应场景视觉效果的主观评价提供了科学保障。

2 研究方法与关键环节

2.1 实验条件

场景模拟、再现与仪器设备、环境特性等因素都有关系，为此，需要通过实验对场景特性及相关因素进行研究和标定。

实验主要在天津大学建筑学院建筑技术研究所“光色测量及主观评价多功能实验室”中封闭的暗室中进行。

仪器设备主要有 EMP-7800投影仪 (分辨率:1024×768)、日本 Topcon BM-7彩色亮度计、照度计、标准色板、数码相机等。其中标准色板是中国电影科学技术研究所用专门研制的树脂漆喷涂而成，色板编号如图1所示;BM-7彩色亮度计具有较高的精度和应用范围，可以用来对实际场景和再现、模拟场景图像中景物元素的色刺激和亮度刺激进行测量。

图1 标准色板及编号

2.2 照度范围的确定

考虑实验误差影响和实验结果的对比分析，实验中所取亮度范围包括中间视觉水平，并覆盖一部分明视觉水平:将照度范围划分11个等级，照度值随等级提高而降低，针对不同等级照度值，测量相应的亮度，结果见表1。

表1 照度测量值lx

2.3 视角的还原

拍照相机光圈、焦距以及图像软件参数的不同、实验人员在图像投影前观赏位置不同，会对应不一样的视角，这会影响再现、模拟场景观看的效果，为此，需要考虑视角的还原［7］。

通过缩放图像和调节位置的远近来调整视角，可以得到观赏者在图像投影前应处的位置，以保证所选择的再现和模拟场景与实际场景在视觉感受上最为接近。

当图像投影在白屏上满屏显示时，实验中评价者在投影屏幕前的位置［7］为:

式中:d——人距离投影白屏的距离(m);

L——白屏对角线的长度(m);

f—— 相机的焦距(mm);

y'——相机成像屏幕的对角线长度 (mm)。

2.4 亮度特性研究

以标准色板为研究对象，对不同照度等级场景中色板实际亮度、图像投影亮度和图像再现亮度进行测量，从而对相应亮度关系进行标定，确定再现、模拟场景和实际场景之间的亮度关系模型。

1)实景拍摄与测量

利用数码相机拍摄每个照度等级的实景，记录照片编号和参数;在同样位置放置亮度计进行测量，记录此时实际场景亮度，记为L1。

2)投影亮度的测量

将拍摄的实景照片经过投影仪投影;在根据视角还原计算出的位置上，用亮度计测量此时屏幕上图像的投影亮度，记为L2。

3)再现亮度的测量

人眼对目标的视觉感受除了受到目标直接刺激的影响，还要受到目标周围环境带来的影响。本研究中，对人视觉感受产生主要影响的是亮度和亮度比，所以主要考虑标准色板中六块灰度色块的再现效果，并以彩色块的再现效果为参考，调整图像参数达到和实景最接近的效果。测量此时图像亮度，记为 L3。

3 实验结果与分析

3.1 整体趋势分析

以图2为例，照度降低，对应亮度随之下降;照度不变时，随着色块明度的降低，亮度也随之下降。

除了一、二级照度，其他各级照度对应的亮度基本处于中间视觉范围，此时各色块亮度存在较为明显的关系:L1＜L2＜L3;在此范围内，当照度较高时，随着明度的降低，三种亮度差别减小，尤其从中灰块开始，三种亮度在数值上趋近于同一值;但从第七级照度开始，三种亮度的差值开始加大。

由以上分析看到，不同的视觉环境，对人视觉感受会产生不同的影响:

1)越暗的环境，亮度变化对人视觉感受的影响越大，由此对再现和模拟效果的影响也越大。因此亮度转换模型公式亦应针对不同的亮度水平考虑;

2)曲线的趋势和灰度块之间光谱反射率曲线的关系是相符的。

3.2 亮度关系分析

1)实景亮度L1与投影、再现场景亮度 L2、L3以L1的对数为自变量，利用对数坐标表达L1和L2、L1和L3的关系，如图3、图4。可以看到亮度特性的对数值之间存在着比较明确的线性趋势。

2)实景亮度L1和再现场景亮度L3关系估算

分不同的视觉水平考虑对实景亮度和再现亮度进行拟合估算，如图 5，得到公式 (2)、公式(3)，公式表明，以界限3 cd/m2为分界点:在明视觉 (L1＞3cd/m2)时，再现亮度和实景亮度很接近;而对应中间视觉 (L1≤3cd/m2)状态时，再现亮度是实景亮度的二倍。这表明，在中间视觉范围内，调整后再现亮度的变化值大于明视觉时的情况。

图2 色板亮度趋势分析

图3 L1和L2分析

3.3 亮度转换模型

分析表明，不同场景对应的亮度刺激对数值之间具有较为明显的线性关系，为此在中间视觉范围内，采用对数拟合再现亮度和实际亮度之间的关系，如图6，得到亮度转换模型，见公式4。

图4 L1和L3分析

图5 不同视觉状态下L1和L3估算拟和

式中:L1——实景亮度，cd/m2;

L3——再现亮度，cd/m2。

图6 亮度模型公式

公式 (4)体现了在中间视觉水平状态时，当场景给人与实际环境相似的视觉心理感受时，实景和再现、模拟场景之间的亮度关系。利用公式也可以实现实景亮度和模拟场景亮度的转换。

4 验证性场景再现

选取两类实际场景:一类为单景观元素场景;一类为较为复杂的综合场景，如图7所示，利用本研究中提出的场景再现和模拟方法及其亮度转换模型公式进行验证性实验。验证实验的实验条件、仪器、环境与系统特性和亮度模型研究实验保持一致。

图7 湖畔小路及综合场景的再现效果

4.1 实验步骤

1)在同一位置利用数码相机拍摄场景;利用亮度计测量实景亮度L1;

2)考虑视角还原，确定再现时观看与测量位置;并利用亮度计测量相应再现亮度L3(实测);

3)利用公式 (4)计算相应测点再现后应有的再现亮度L3(计算)。

对测量的再现亮度和计算的再现亮度结果进行比较，如表2。

表2 再现场景亮度比较 单位:cd/m2

4.2 结果分析

湖畔小路和综合场景中根据场景特点各选了2个、6个有代表性的测点进行比较。结果表明，图7湖畔小路单景观元素场景层次较为简单，亮度变化较少，而综合场景中包括了建筑、树木、水面和倒影等层次，尤其是水面的亮度受周围环境的影响较大，因而变化较多;另外，相机、测点的选择、测量仪器的精度等误差会对整个实验产生一定影响;物理刺激带来的生理刺激和心理刺激存在不一致性，这些对再现的效果都会产生影响。但通过比较，本系统对场景的再现和模拟效果可以满足人们视觉上的要求，达到较高的再现、还原程度。

5 结论

1)不同的视觉水平会对人的视觉及相应的心理感受产生不同影响，从而产生不同的场景视觉效果:

2)在较暗的环境中，亮度变化对再现和模拟效果会产生较大影响;

3)不同的视觉水平下，实际、再现场景中对应的物理刺激特性也会存在不同的量化关系。

4)亮度的转换模型不仅可以使实际场景得以定量化再现，还可以将模拟场景中相应的物理刺激值转化成实际物理指标，完成再现、模拟场景和实际场景之间对应关系的定量化转换。

本研究基于中间视觉的低亮度、弱对比环境，对场景模拟与再现的方法进行研究，并得到了相应条件下实际场景与再现场景亮度的转换模型公式，这一模型具有较好的预见性和实践性，可以完成再现、模拟场景和实际场景之间亮度对应关系的定量化转换。同时本研究为相关领域的进一步研究提供了一种科学和可重复的模式与方法。

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