人眼对比度敏感视觉特性的实验测量方法

申 静

（陕西理工学院 数学与计算机科学学院，陕西 汉中 723000）

人眼视觉特性是图像技术中非常重要的理论基础之一，通过实验测试和理论分析研究视觉特性，建立其模型，对促进图像技术的应用和发展均能提供较大的技术支持。目前，显示器是信息显示、传输和交流的重要工具，所以用显示器测量人眼视觉特性具有非常重要的实际意义［1－4］。

自上世纪50年代起，国内外许多专家学者采用不同的仪器显示目标光栅，通过改变光栅的平均亮度，在亮度对人眼视觉特性的影响方面作了一定的实验研究［5－10］，研究发现：不同的亮度条件下，人眼对信息的分辨力不同，但是模型中的部分参数值由实验条件决定，给实际应用带来许多不便。

要使显示器的图像再现质量和观看效果达到最佳，必须协调显示器亮度、色度以及信息再现与人眼视觉特性之间的关系［5－7］，即要求得到人眼视觉特性与显示图像的平均亮度之间的关系。CRT显示器无论在颜色的表现和观察视角上都具有较大的优势，在许多相关领域均采用CRT显示器来控制和再现色彩［5，11－15］。本文通过控制 CRT 显示器显示目标光栅图像的亮度和光栅的对比度，设计实验方案，测量了15名在校大学生在不同平均亮度条件下的对比度觉察阈值，探讨了人眼视觉特性与显示器亮度之间的关系。

1 人眼对比度敏感视觉特性描述

在工程光学和图像技术研究领域，仪器的光学传递函数理论已经比较成熟，人眼是非常完美的成像仪器，人眼的光学传递函数也可以用于定量地描述人眼空间视觉特性，并且可以明确地探讨视觉信息处理机制的本质［6］。对于人眼视觉系统，人眼的光学传递函数采用人眼对比度敏感函数（contrast sensitivity function：CSF）来表示，其反映不同条件下的人眼对比度敏感与空间频率之间的关系；但是人眼对比度敏感值无法直接测定，通常根据韦伯定理采用心理物理学测定阈值的方法得到，结合人的视觉系统结构和心理学特征规定：人眼的对比度觉察阈值指的是目标光栅刚能为人眼觉察时所需要的最低调制度，即人眼觉察处于阈值时的光栅的对比度值［6］，对比度觉察阈值的倒数即为人眼对比度敏感阈值（以下简称敏感阈值）。实验要求测量出不同频率下的人眼对比度觉察阈值。

2 实验方法

2.1 对比度定义

对于亮度光栅，对比度采用标准的Michelson对比度定义，其表达式［8］如下式：

式中，L2和L1分别为明暗条纹的亮度，L为整个条纹的平均亮度。

2.2 目标光栅参数和实验仪器

实验制作的目标光栅为明暗相间的矩形波条纹光栅。目标光栅是由多组不同级别亮度、不同亮度对比度的光栅图片组成。光栅选取0.5、1、2、3、5、10、30、50、55、60、70、90、120、150cd／m2共14个级别亮度，光栅图片的亮度对比度依次增大，图片间的对比度间隔非常小，达到0.002。根据国内外前人的研究［6－10］，人眼对空间频率处于2～8cpd（周／度）的物体最为敏感，实验光栅选取的空间频率为4.93、1.97、1.23cpd。实验时观察者自动调节光栅的亮度和对比度以适应观察，从而获得对比度觉察阈值。

目标光栅选用53.3cm（21英寸）的SONY－520、10bit数字CRT显示器显示，显示器设置为D65光源体，6500K色温。并配有 Matrox Millennium P650彩色显示型实时图像采集卡，该卡分辨率为1024灰度级，实时彩色显示1024色，显示图像清晰、稳定。

2.3 精确控制显示器亮度方法

由于实验采用的图像显卡能达到分辨率为1024灰度级，则与普通的256级显卡相比，相当于256级中每一级值中再插入3个亮度值，而目前的亮度计通过实验发现，其对于亮度分为256级能测量其准确值，但其中的插入值对应的亮度测量不精确；则采用CRT显示器的亮度在较小范围内认为是线性关系，即可采取RGB值为整数时用亮度计测量其亮度，为小数时采用线性插值的办法获得其亮度。如此可以得到RGB值每间隔0.25的时候的每一个对应的亮度值。亮度值间隔越小，则得到的光栅对比度值就越小，对实验测量人眼视觉特性就越有利。

2.4 实验方法和实验对象

人眼对比度觉察阈值的测量是一个心理物理学过程，一般采用极限调整法进行测量和确定，具体的实验和取值方法为：因为周围环境对人眼的影响，且实验在暗室中进行，人眼需要一定的时间适应暗环境，因此要求每次测量时每位被测试者必须先暗适应30min，再对实验条纹光栅进行适应，在完成适应阶段后，在离显示屏2.0m处（视角为2.4347°）观察显示的目标光栅图片；实验时被测试者通过自行调节目标光栅的序号（光栅已按照平均亮度和对比度值编号），达到自行调节目标光栅的亮度（目标光栅频率不变）和目标光栅的对比度值，以进行觉察和分辨目标；测试过程中，首先从大到小逐渐降低光栅的对比度，直到人眼刚好能看见条纹而又不清晰，再从小到大逐渐增大条纹的对比度值，刚好能看见而又不清晰，取二者的平均值为该次对比度觉察阈值，如此可以减低人眼觉察适应带来的误差，实验时屏幕上每次显示4幅光栅，其对比度值依次要么降低要么增加，图1是4幅对比度值依次增大的示意图。实验中每一空间频率和每一亮度下的敏感阈值重复测量3次，取其平均值作为该空间频率光栅在不同亮度下的人眼敏感阈值。

图1 4幅对比度值依次增大的光栅示意图

测试对象为15名健康的在校大学生和研究生，经过视力矫正后，视力均达到1.2以上，眼科检查均为正常，无色觉异常，暗适应情况良好。

3 实验结果

通过15名被测试者对不同平均亮度光栅的测试，获得的人眼敏感阈值与亮度的关系曲线如图2所示。由图2可见，对应于同一亮度下，不同的频率、不同人眼观察到的敏感阈值有较大的不同，表现为：对频率f＝4.93cpd的光栅，测试15名青年的敏感阈值均相对比较接近，如图2（a）所示；而对f＝1.97cpd和f＝1.23cpd的光栅，在亮度较低时，15名被测试者觉察到的敏感阈值差别较大，且对f＝1.23cpd的光栅比f＝1.97cpd的光栅观察到的敏感阈值差别更大；在亮度较大时，不同人的敏感阈值同样相对比较接近，如图2中（b）、（c）图。根据前人的研究经验，人眼最敏感的空间频率范围为2～8cpd，而f＝4.93cpd刚好处于其中，也即是说不同的人在同一亮度（较高）下对处于人眼最敏感空间频率范围的物体的对比度觉察阈值是非常相近的，换句话说，只要视力正常，人眼觉察图像细节的能力非常相近。但是当成像于视网膜所对应的物体不处于人眼最敏感空间频率范围且亮度较低时，不同的人对物体的敏感程度有较大的不同。

图2 15名被测试者对3种空间频率光栅觉察得到的人眼对比度敏感阈值与平均亮度间的关系曲线

对各个空间频率在不同亮度下测量15位观察者的对比度觉察阈值求平均，获得的平均人眼对比度敏感阈值与亮度的关系曲线见图3所示。从图3可以发现：3条曲线的形状基本相同，但是每条曲线随亮度变化的趋势有明显差异。从变换趋势上划分，每条曲线划分为3阶段：第1阶段敏感阈值随着亮度的变化而变化比较快，曲线的斜率比较大，对应的亮度小于1cd／m2；第2段对应的亮度范围比较窄，一般为过渡阶段，曲线开始转折，这时的亮度称为转折亮度；第3阶段亮度大于10cd／m2，敏感阈值随着亮度的增加而几乎不变。由图3可见，f＝4.93cpd的转折亮度在5～10cd／m2之间，频率f＝1.97cpd和f＝1.23cpd的转折亮度分别在3～5cd／m2之间和1～3cd／m2之间，即3种频率曲线的转折亮度随空间频率的增加而增加，3种频率的曲线的平滑部分随f的增加而变窄，并且向亮度较高处平移；在比转折亮度更低亮度范围内（1cd／m2以下），曲线波动程度随频率减小而加剧。

在眼视觉光学研究领域中，前人把观察目标的亮度分为2个区域，即 Weber区域和DeVries－Rose区域［8］，对应的分别是曲线平滑部分所对应的亮度范围和曲线波动较大部分所对应的亮度范围。从图3可见，f＝1.23cpd的曲线的 Weber区域比f＝4.93cpd的曲线的Weber区域宽且向较低亮度处平移。在亮度处于DeVries－Rose区域，人眼敏感阈值波动比较大，变化比较快，且空间频率越小，敏感阈值变化就越快，而在 Weber区域，敏感阈值几乎不变。表明：在DeVries－Rose区域，显示器亮度的提高可以增加人眼敏感程度，同时表明其也提高了显示器显示图像的分辨率，但是随着亮度的增加（在 Weber区域），亮度对分辨力的提高达到一定限度。

图3 测量获得的3种空间频率光栅的平均人眼对比度敏感阈值与平均亮度间的关系

对比分析图2和图3发现，在亮度较高（超过10 cd／m2）时，每位观察者对不同亮度下觉察的敏感阈值差异非常小，曲线的斜率趋近于零，表明人眼对比度敏感能力达到饱和，当亮度为60cd／m2时，敏感阈值最大，表明人眼对显示器显示图像的分辨力达到最佳。

4 结论

本文通过控制CRT显示器显示目标光栅图像的平均亮度来设计实验，并尝试测量了15名正常视力的在校大学生的人眼对比度敏感阈值，研究了人眼视觉特性与显示器显示图像效果的关系。实验结果表明：增加CRT显示器亮度可以提高图像再现效果，但是亮度的作用有一定限度，必须使得人眼视觉特性与亮度传递特性相匹配。人眼视觉特性的研究是一门交叉学科，涉及到物理学、生理学、心理学和计算机等相关知识，人眼视觉特性的测量和研究是一项非常有意义的工作。

（

）

［1］李亨.颜色技术原理及其应用［M］.北京：科学出版社，1997：224－233.

［2］曾旺，徐海松，汪哲弘，等.基于不同颜色背景的人眼辨色阈值特性研究［J］.光学学报，2011，31（1）：295－300.

［3］Berns R S.颜色技术原理［M］.李小梅，马如，译.北京：化学工业出版社，2002，18－27.

［4］Wooten B R，Renzi L M，Moore R，et al.A practical method of measuring the human temporal contrast sensitivity function［J］.Biomedical optics express，2010，1（1）：47－58.

［5］姚军财.阴极射线管显示器颜色精确控制方法研究［J］.包装工程，2012，33（15）：75－79.

［6］邓述移，徐智敏，杜连芳，等.人眼调制传递函数［J］.兵工学报，1982，2（1）：24－25.

［7］张建勇，金伟其，周燕.人眼的彩色和亮度传递特性及模型化［J］.应用光学，2003，24（4）：441－443.

［8］Drauschke A，Rank E，Auer S，et al.Mechanical eye model for the comparison of optical imaging quality and physiology of human vision［J］.Biomedical Engineering／Biomedizinische Technik，2012，57（1）：289－296.

［9］Watson A B.Invited Paper：The Spatial Standard Observer：A Human Vision Model for Display Inspection［C］／／SID Symposium Digest of Technical Papers.Blackwell Publishing Ltd，2012，37（1）：1312－1315.

［10］Eva M V，Juan L N，Jose A G，Changes in contrast thresholds with mean luminance for chromatic and luminance gratings：A reexamination of the transition from the Devries－Rose to Weber regions［J］.Col Res Appl，2004，29（3）：177－180.

［11］Yao Juncai.Measurements of human vision contrast sensitivity to opposite colors using a cathode ray tube display［J］.Chinese Science Bulletin，2011，56（23）：2425－2432.

［12］许宝卉，李言.基于ICC标准的CRT色空间转换方法的研究与比较［J］.液晶与显示，2009，24（3）：438－442.

［13］杨卫平，廖宁放，黄庆梅，等.基于孟塞尔系统的阴极射线管特性化新方法［J］.光学学报，2004，24（8）：1039－1045.

［14］Nadenau M.Integration of human color vision models into high quality image compression［C］／／PhD Thesis，Êcole Poly technique Fédérale de Lausanne，Switzerland，2000.

［15］何军锋，姚军财，潘宏利，等.基于实验中心的物理实验模块化管理研究与实践［J］.实验技术与管理，2011，28（10）：118－120.