§З. Яркостные характеристики зрительной информации

В оценку оптимальности яркостного режима включается нор­мирование уровня яркости и ее перепадов в поле зрения наблю­дателя для достижения заданных показателей эффективности обработки зрительной информации. Для оценки качества изобра­жения на индикационных устройствах нормируются значения кон­траста, контрастности или интервала яркостей, необходимого для передачи заданного числа градаций яркости и обеспечения четко­сти изображения, а также уровень и интервал яркостей для пра­вильной передачи в изображении светлотных характеристик ото­бражаемых объектов. Специальная задача решается при исполь­зовании яркости в качестве кода.

Уровень яркости. Оптимальной яркостью считаются те ее зна­чения, при которых обеспечивается максимальное проявление кон­трастной чувствительности — ведущей функции глаза. Показателем максимального проявления функции являются минимальные зна­чения порогового контраста. В табл. 5 даны значения яркостей для объектов разных угловых размеров, начиная с которых обес­печивается наивысшая контрастная чувствительность глаза.

Для практики отображения существенно, что при уровне опти­мальной яркости имеющийся «запас прочности» обеспечивает устойчивость эффективности обнаружения и различения к помехогенным факторам. К последним следует отнести как аппаратурные помехи, снижающие контрастность изображения, так и «зашум­ленность» основного изображения картографическим фоном, вспо­могательными линиями, цветовыми полями. При яркостях, обеспе­чивающих высокую контрастную чувствительность, можно в из­вестных пределах снижать контраст изображения без ухудшения различимости. Приведенные значения оптимальных яркостей отно­сятся лишь к операциям обнаружения объектов простой конфигу­рации с пороговой достоверностью, для вероятности обнаруже­ния 0,5. При различении объектов сложной конфигурации, при требованиях высокой точности опознания и большой скоростиобработки данных вводятся поправочные коэффициенты, увеличи­вающие значения яркости, полученные для задач обнаружения. Яркость фона (для объектов прямого контраста), обеспечиваю­щая наивысшую остроту различения (S=2,5), составляет 10⁴ кд/м². При различении сложных объектов наивысших значений острота зрения достигает при яркости фона в 3000 кд/м². Однако с уменьшением яркости острота зрения изменяется не столь резко. Для яркостей 300—200 кд/м² острота зрения состав­ляет 90% по сравнению с наибольшими ее значениями. Резкое падение остроты зрения наблюдается при выходе из диапазона яркостей дневного зрения, т. е. В<10 кд/м².

При выборе яркости следует учитывать знак контраста изо­бражения. Острота зрения растет для обратного контраста с уве­личением яркости до 30—31 кд/м², при дальнейшем ее росте острота зрения падает вследствие иррадиации.

Соотношение яркостей в поле зрения. При установлении опти­мального диапазона яркостей, одновременно находящихся в поле зрения оператора, необходимо обеспечить перепад яркостей, близ­кий к уровню адаптации. Яркости, попадающие в зону слепящих яркостей или в зону неразличимо-черного, резко снижают эффек­тивность работы оператора.

Максимально допустимый перепад яркостей в поле зрения опе­ратора не должен превышать 1 : 100. Оптимальное же соотноше­ние яркостей в поле зрения оператора, обеспечивающее высокий уровень контрастной чувствительности и быстроты различения, составляет 20 : 1 между источником света и ближайшим окруже­нием и 40 : 1 между самым светлым и самым темным участками изображения.

Градации яркости и качество изображения. Для передачи изображения алфавита знаков, условной картинной обстанов­ки и передачи реальных объектов (телевидение, кино) важнейшей характеристикой является число элементов или признаков, необ­ходимых для опознания объекта разных классов.

При опознании алфавита буквенно-цифровых знаков это число составляет 4—10. Для более сложных изображений оно равно 12—17, а опознание некоторых объектов требует четкого выделе­ния до 40 признаков.

В зависимости от типа изображения эти опознавательные эле­менты передаются разным числом градаций яркости. Минималь­ное число при передаче изображения равно двум. Таким числом градаций высвечиваются знаковые, символические сообщения — темные знаки на белом фоне (прямой контраст) или, наоборот, светлые на темном (обратный контраст). В этом случае качество изображения оценивается величиной контраста (К), вычисляемого как отношение разности объекта и фона к большей яркости.

Контраст до 20% рассматривают как малый, до 50%—сред­ний и свыше 50%—высокий. Рекомендуемая зона величины кон­траста лежит в пределах от 65 до 95%; при этом оптимальным является контраст, равный 85—90%. Контраст свыше 90% следует использовать в тех случаях, когда требуется наибольшая четкость изображения, а общее время работы небольшое. При длительной работе предпочтительнее контраст 85—90%.

При отображении же реальных объектов средствами телевиде­ния, кино важно точно передать соотношение яркостей деталей объектов пропорционально их коэффициентам отражения. Для хорошего изображения обязателен расчет числа градаций ярко­сти и определение шага при переходе от одной градации к другой. Для передачи крупных объектов с плавными световыми пере­ходами в соответствии с коэффициентом отражения необходимо не менее 15—40 градаций.

Обеспечение заданного числа градаций яркости возможно лишь при достаточном уровне контрастности изображения (|3), т. е. при интервале яркостей, внутри которого распределены эти градации.

Минимально допустимое значение контрастности, создающее удовлетворительное изображение, создается в интервале 1: 10.

Требуемая контрастность изображения зависит от содержания отображаемой информации и вида контраста. Для передачи слож­ного полутонового изображения с сохранением деталей необходи­мая контрастность составляет 1 : 100. Печатные изображения или изображения, образуемые штриховыми линиями, требуют кон­трастности 1 : 25. Величина контрастности существенно зависит от того, светлее или темнее фона отображаемые объекты. Для зна­ков обратного контраста в связи с необходимостью адаптации к небольшим значениям яркости контрастность приемлема в диа­пазоне 5—10. При высоких уровнях контрастности высвечиваемые знаки кажутся яркими источниками света.

Минимально допустимое значение контрастности при ее считы­вании знаков на фоне помехогенного и однотонного изображения определяется с учетом критериев эффективности считывания та­кой информации. Если учитывается только точность считывания, соотношение яркости полезного изображения и яркости помехи должно быть не меньше 2:1. При одновременном учете быстроты и точности опознания это соотношение увеличивается до 7:1, 9:1. Контрастность изображения снижается при внешнем освещении тем значительнее, чем ниже яркость экрана и чем больше яркость, создаваемая освещением извне. Уровень внешней засветки не дол­жен превышать 3—10% яркости экрана.

В оценку качества отображения входит определение числа градаций, воспринимаемых глазом, и сравнение их с числом гра­даций яркости, передаваемых на средствах индикации. Реальные условия отображения: малая яркость изображения, наличие шу­мов — приводят к невозможности различать отображаемое число градаций яркости из-за снижения чувствительности глаза.

Так, расчетное число различаемых градаций для телевизион­ного изображения составляет 95—100. Однако из-за перепадов яркостей в поле зрения наблюдателя и необходимости переэдаптации в этих условиях глаз различает не более 30—35 градаций, а при помехах число различаемых градаций для лучших металли­зированных экранов составляет 17, а для обычных телевизионных экранов не превышает 8—10.

Число различаемых глазом градаций яркости определяется на основании величины контрастной чувствительности в данных усло­виях по формуле

где т — число различаемых градаций яркости; |3 — контрастность изображения;

К_пор — величина порогового контраста в данных условиях на­блюдения.

К_пор определяют по соответствующим кривым с учетом ярко­сти адаптации, угловых размеров объектов, вида контраста, рав­номерности распределения яркостей в пространстве.

Кодирование яркостью. При передаче информации на средст­вах отображения, где яркость выступает в качестве кода, число градаций ограничивается возможностью абсолютной оценки чело­веком каждой из ступеней яркости. Пределом этой оценки явля­ются 3—10 световых градаций, включая уровень полного затем­нения.

Исходя из этого на средствах отображения типа телевизионных экранов, передающих вторичную обстановку (т. е. освобожденную от помех), используется 5—7 градаций в диапазоне контрастности 10:1. Если уровень яркости служит кодом для передачи качест­венных характеристик сообщений (например важности объектов), пределом числа яркостных градаций являются 4 градации, а наи­более употребляемым числом — 2 градации яркости.