视频图像中颜色刺激对音高差别阈限的影响

张青虹

【摘要】 本文从视频图像的最基本的静态纯色出发，改变听音的视觉环境，采用3种不同色度（红色、绿色、蓝色）的视觉环境，进行音高差别阈限实验，并与暗室（即黑暗无光线的环境）的相应实验进行对比，分析在不同色彩视觉环境中被试对纯音听辨能力的变化。研究结果表明，视觉环境颜色的变化确实对音高差别阈限有影响，但没有呈现出明显的规律性。

【关键词】视听交互 视觉环境改变 音高差别阈限

一.研究背景和意义

现代社会，在日益广泛应用的数字广告、数字电影、数字电视等平面媒体中，声音伴随图像同时呈现，人们在观赏这些平面媒体时是一种视觉与听觉同时接受信息刺激的方式，是以一种视听交互的方式来吸收外界信息。听觉感知和视觉感知，二者并不是两个孤立进行的独立过程。两个感知模式相互协调以提高人在环境中追踪“对象”和事件的效率和能力。当听觉信息由一个相应的视觉信息支持着，或当视觉信息由一个相应的听觉信息增强着，那么这两种感知模式间相互协调的作用就会增强人对激励的知觉。因此人眼得到的视觉感受会受到人耳所接收到的听觉刺激的影响，同样，人耳得到的听觉感受也会受到来自屏幕的视觉刺激的影响。这就是视觉和听觉的相互作用。现在对听觉的研究较少考虑视听结合方式下视觉刺激对听觉的影响，忽视了视觉、听觉相互作用这个很重要的问题。

另外，视听交互的重要性日益突出，而视觉刺激对听觉感知的影响缺乏全面深入的研究。以视觉刺激下人耳对声音的主观听感差别阈限的变化为研究对象，在主观听觉实验中加以颜色、质量、亮度、运动状态四个不同属性的视觉刺激，同时测量纯音信号的响度、主观音长和音高的听感差别阈限。通过与无视觉刺激下相应差别阈限的比较，分析不同视觉条件对响度感知、主观音长感知、音高感知能力的影响。同一视觉属性的不同水平视觉条件对听觉感知的影响程度不同，主观听感的变化呈现出一定的规律性，即视觉刺激越舒适，听感的差别阈限变化越小。

本文在实验室内模拟3种不同灯光色度（红色、绿色、蓝色）的听音视觉环境，并与暗室中的评测结果做对比，考察不同现场视觉环境对音高差别阈限的影响规律。

二.基本概念

1.音高差别阈限

差别阈限： 指刚好能引起差异感觉的刺激变化量，即辨别两个强度不同的刺激所需要的最小差异值。虽然理论上阈限是心理感受“全”或“无”的突变点，但事实上这样的阈限定义并不能在阈限的实际测量中起到作用。因此实验者需借助此定义，在那个可以刚刚引起感觉的最小刺激强度，用其算数平均值来表示。

2.颜色视觉

不同波长的光线是无色的，但当它们刺激人的视觉系统时就产生了颜色视觉。因此，颜色是视觉系统接受光刺激后的产物。物体之所以呈现颜色，就是因为它们反射光线到我们的视觉系统。灯光是一种常见的视觉刺激，和我们的日常生活息息相关。在一些声学场所，比如话剧厅、会议室都离不开灯光的作用。色度是衡量灯光视觉环境的一项重要指标。

人的视觉系统对色彩的感知是错综复杂的，为了可以量化地描述色彩，国际照明协会根据实验分析，将人的视觉系统对可见光内不同波长的辐射能所引发的感觉用红、绿、蓝三原色的配色函数来加以记录。色度的定义是：用来评价色质刺激，其值由色度坐标或主波长（或补色波长）和纯度确定。如图1所示。

人们把照明灯具作为点缀环境、平衡布局、美化居室及作为环境艺术处理的重要手段。利用色彩来美化室内生活环境，不仅可以给人舒畅和美的享受，而且能使人们产生不同的心理和生理感受。因此，色彩在生活中被人们有目的地选择，合理的色彩处理能得到如下感觉不同的效果。

1.温度感

众所周知，红、橙、黄、棕等颜色为暖色，常使人联想起东方的旭日、燃烧的火焰、鲜艳的花朵等，认为它有温暖感，在大厅、客厅、餐厅等场所采用暖色调的照明，既有热烈华丽之感，又有烘托欢快而舒畅的气氛；蓝、绿、青、紫等色为冷色，它象征着大海的碧波和冰雪，使人感到冷静、凉爽，认为它有寒冷感，在火热或狭窄的空间采用冷色照明，可以造成凉爽宽敞的感觉。

2.距离感

在同一平面上，暖色使人感觉距离更近一些，有接近的效果。而冷色使人感到距离远一些，有远离的效果。因此，暖色称为近感色，冷色称为远感色。设计人员常用色彩的距离感来改善室内空间的大小与形态。

3.兴奋与抑制作用

一般情况下，红色、黄色、橙色有兴奋作用，紫色则有抑制作用。所以，要求热烈而欢快的场所，通常采用以红色和黄色等暖色为主的照明，使人感到兴奋而舒畅。

4.生理作用

就眼睛接受各種光色所引起的疲劳程度而言，蓝色和紫色最容易引起疲劳，红色与橙色次之，兰绿色和淡青色视疲劳最小。生理作用还表现在眼睛对不同光色的敏感程度，如眼睛对黄色光最敏感，因此，黄色常用作警戒色。灯光色彩环境带给人的不同心理感受是研究视觉刺激对声音感知影响实验的重要理论依据。

三.音高差别阈限实验及分析

1.音高差别阈限的实验设备及环境

音高差别阈限实验采用的主要设备是由Interacoustics丹麦国际听力公司生产的诊断型听力计AD229b和配套压耳式气导耳机TDH39。

视觉环境选择：

在视听实验室内搭建如图2所示的灯箱室。被试和全彩LED屏幕之间用专业的灯箱薄膜隔开，使灯箱室内的光线更柔和。计算机通过LEDVISION软件控制LED屏幕的色彩变换，并且数据的传输需要千兆网卡和六类网线。音频信号通过耳机播放，视听实验环境如图2所示。endprint

先对测听环境进行检测，以保证环境背景噪声满足要求。本次测量选用的测听环境是做过声学吸声处理的录音间，环境参数如表1所示。

经检测，该视听环境的背景噪声小于40dB（A），符合实验的底噪要求。LED灯属于冷光源，即使工作很长时间后，也几乎不会对环境温度有影响，从而使被试保持在一个稳定的外界环境条件中。

2.音高差别阈限的实验信号

（1）视觉信号

颜色视觉环境采用光谱中最基本的三种色度和一组无视觉环境（暗室）。实验设计主要是为了考察色度引起的听觉感知差异，因此将环境照度控制在一个比较舒适且不影响可视的范围内。首先在LEDVISION软件里设置好红色、绿色和蓝色的颜色及亮度，然后在灯箱室里用色度计测量颜色的色度坐标及照度，具体参数如表2所示。

（2）声音信号

利用计算机软件Adobe Audition产生频率为250Hz-2000Hz，步长为2Hz的两组纯音信号，时长为3秒，一组是标准刺激在前，另一组是比较刺激在前，两组的标准刺激和比较刺激对以递增或递减形式出现。

3.音高差别阈限的实验方法

参加实验的共有10人，6男4女，均为公司职员，年龄均在28～41之间。为避免被试之间的相互干扰，实验中安排被试逐个到灯箱室进行测试。正式实验开始前，用听力计AD229b对每位被试进行听力水平的简单测试，用视力检测本对每位被试进行色觉测试，以保证所有被试的听视力都是正常的。

本文实验采用的是恒定刺激法。恒定刺激法是测量感觉阈限的三种方法之一，它的特点是测定时只用少数几个刺激，通常为5-7个，并且它们在测定阈限的整个过程中是固定不变的。恒定刺激法也就是因此而得名的。恒定刺激法中所用的刺激要事先选定，一般是用最小变化法粗略的测试一下被试的有关阈限值，然后将比阈限值强和弱的几个刺激值确定为要用的刺激。刺激的最大强度要大道它被感觉到的概率达到90%-95%，刺激的最小强度要小到它被感觉到的概率在5%-10%，各刺激的强度之间最好是等差关系。每个刺激呈现的次数应相等，呈现的顺序要随机排列。 恒定刺激法既可以用于测量绝对阈限，又可以用于测量差别阈限。在测定时，也要注意消除空间误差和时间误差。用恒定刺激法测定差别阈限的方法是让被试将比较刺激，随机呈现每对刺激（一个标准，一个比较）。用此方法测定差别阈限时，要求被试以反应按键来表示“高于”，“等于”和“低于”），分别对应于“+”，“=“和”-“键。这样就得到一个从感觉比标准刺激低到相等的差别阈限下限，一个是从感到相等到高的差别阈限上限。一般是用直线内插法求得上下限，在求出差别阈限DL。分为以下几个步骤：

（1）实验素材的选择。利用软件Adobe Audition产生音高为235Hz-265Hz（或970Hz-1030Hz或1978-2030Hz），步长为2Hz的两组纯音信号，时长为3秒，一组是标准刺激在前，另一组是比较刺激在前，两组的标准刺激和比较刺激对以递增或递减形式出现，两组信号让被试进行判断。

（2）测量方法的确定。用此方法测定差别阈限时，要求被试以反应按键来表示“高于”，“等于”和“低于”），分别对应于“+”，“=”和“-”键。

（3）实验步骤。利用音频软件产生250Hz两组17个比较刺激和一个标准刺激/1000Hz两组17个比较刺激和一个标准刺激/2000Hz两组20个比较刺激和一个标准刺激。分别在黑/红/绿/蓝等四种视觉环境里进行测试，实验结果记录在实验纸上。

4.音高差别阈限实验结果与分析

在黑/紅/绿/蓝等四种视觉环境里，让被试记录下每个频点下的比较值。把记录的比较值在每个频点按“高于”反应的次数/“等于”反应的次数/“低于”反应的次数三种反应来统计其各自的次数，并录入表格。然后计算每个频点下三种反应的反应概率，并整理成反应概率表。现以黑色视觉环境里的250Hz频点为例，采用平均误差计算差别阈限：

根据上述计算方法，同样也可以计算得其他频点的差别阈限以及其他颜色视觉环境下各频点的差别阈限，整理后如表5所示：

通过折线图比较不同颜色的视觉环境里在各频点差别阈限的区别，如图3所示。

从图3可以看出在黑色、红色和蓝色的视觉环境下，被试者对音高的差别阈限没有多大的差异。在视觉环境为绿色的情况下，250Hz的差别阈限与其它三种颜色并没有多大差异，1000Hz的差别阈限会比其他三种颜色低1Hz左右，2000Hz的差别阈限会比其它三种低3Hz左右。

四.总结

实验结论表明：颜色视觉环境的变化对音高差别阈限是有影响。音高差别阈限在黑色、红色和蓝色的视觉环境下，被试者对音高的差别阈限没有多大的差异。在视觉环境为绿色的情况下，250Hz的差别阈限与其它三种颜色并没有多大差异，1000Hz的差别阈限会比其他三种颜色低1Hz左右，2000Hz的差别阈限会比其它三种低3Hz左右，表明颜色视觉环境的变化对音高差别阈限确有一定影响，但也没有明显的规律性。

本文初探性地考察了视频图像中颜色刺激对人耳音高差别阈限的影响，由于实验条件相对有限，实验数据样本较少，还不能给出确切的视频和音频之间相互影响的规律。希望借此抛砖引玉，在未来的理论研究中，有更大的突破，为电视技术的基础研究开辟新思路。B&Pendprint