基于中間視覺的場(chǎng)景模擬及亮度轉(zhuǎn)換模型研究*

孫立曄 馬劍 劉剛＊＊ 肖俊宏

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168;2.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072)

1 引言

場(chǎng)景模擬與再現(xiàn)，需要對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行定性和定量化的描述。因此根據(jù)景觀照明中不同場(chǎng)景的特征建立場(chǎng)景再現(xiàn)與模擬方法并確定再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景和實(shí)際場(chǎng)景之間物理刺激的量化關(guān)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景模擬、再現(xiàn)起到了重要作用。

人眼觀看物體時(shí)產(chǎn)生的感受，要同時(shí)受到目標(biāo)和場(chǎng)景環(huán)境中多種因素的影響［1］，例如亮度、色彩等。當(dāng)環(huán)境處于亮度較低、對(duì)比較弱的中間視覺水平時(shí)，視覺細(xì)胞中主要是桿狀細(xì)胞產(chǎn)生反應(yīng)，此時(shí)人眼視覺功能將產(chǎn)生許多不同于明亮環(huán)境下的視覺特點(diǎn)，包括周圍的環(huán)境會(huì)讓人覺得模糊，并且缺乏色彩等，此時(shí)場(chǎng)景的視覺感受主要受到亮度和亮度比的影響［2～4］。

本研究考慮場(chǎng)景光環(huán)境中亮度及其對(duì)比的影響，針對(duì)場(chǎng)景特性、場(chǎng)景的圖像特征、模擬與再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)條件等因素［5，6］進(jìn)行了場(chǎng)景模擬、再現(xiàn)方法的研究，并提出符合中間視覺的低亮度弱對(duì)比條件下實(shí)際場(chǎng)景與再現(xiàn)場(chǎng)景亮度的轉(zhuǎn)換模型。通過本研究，不僅為中間視覺條件下場(chǎng)景的再現(xiàn)和模擬提供理論基礎(chǔ)和方法，使研究更加系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，也是對(duì)現(xiàn)有相關(guān)研究領(lǐng)域的有益探索，同時(shí)也為進(jìn)一步相應(yīng)場(chǎng)景視覺效果的主觀評(píng)價(jià)提供了科學(xué)保障。

2 研究方法與關(guān)鍵環(huán)節(jié)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

場(chǎng)景模擬、再現(xiàn)與儀器設(shè)備、環(huán)境特性等因素都有關(guān)系，為此，需要通過實(shí)驗(yàn)對(duì)場(chǎng)景特性及相關(guān)因素進(jìn)行研究和標(biāo)定。

實(shí)驗(yàn)主要在天津大學(xué)建筑學(xué)院建筑技術(shù)研究所“光色測(cè)量及主觀評(píng)價(jià)多功能實(shí)驗(yàn)室”中封閉的暗室中進(jìn)行。

儀器設(shè)備主要有 EMP-7800投影儀 (分辨率:1024×768)、日本 Topcon BM-7彩色亮度計(jì)、照度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)色板、數(shù)碼相機(jī)等。其中標(biāo)準(zhǔn)色板是中國(guó)電影科學(xué)技術(shù)研究所用專門研制的樹脂漆噴涂而成，色板編號(hào)如圖1所示;BM-7彩色亮度計(jì)具有較高的精度和應(yīng)用范圍，可以用來對(duì)實(shí)際場(chǎng)景和再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景圖像中景物元素的色刺激和亮度刺激進(jìn)行測(cè)量。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)色板及編號(hào)

2.2 照度范圍的確定

考慮實(shí)驗(yàn)誤差影響和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)中所取亮度范圍包括中間視覺水平，并覆蓋一部分明視覺水平:將照度范圍劃分11個(gè)等級(jí)，照度值隨等級(jí)提高而降低，針對(duì)不同等級(jí)照度值，測(cè)量相應(yīng)的亮度，結(jié)果見表1。

表1 照度測(cè)量值lx

2.3 視角的還原

拍照相機(jī)光圈、焦距以及圖像軟件參數(shù)的不同、實(shí)驗(yàn)人員在圖像投影前觀賞位置不同，會(huì)對(duì)應(yīng)不一樣的視角，這會(huì)影響再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景觀看的效果，為此，需要考慮視角的還原［7］。

通過縮放圖像和調(diào)節(jié)位置的遠(yuǎn)近來調(diào)整視角，可以得到觀賞者在圖像投影前應(yīng)處的位置，以保證所選擇的再現(xiàn)和模擬場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)景在視覺感受上最為接近。

當(dāng)圖像投影在白屏上滿屏顯示時(shí)，實(shí)驗(yàn)中評(píng)價(jià)者在投影屏幕前的位置［7］為:

式中:d——人距離投影白屏的距離(m);

L——白屏對(duì)角線的長(zhǎng)度(m);

f—— 相機(jī)的焦距(mm);

y'——相機(jī)成像屏幕的對(duì)角線長(zhǎng)度 (mm)。

2.4 亮度特性研究

以標(biāo)準(zhǔn)色板為研究對(duì)象，對(duì)不同照度等級(jí)場(chǎng)景中色板實(shí)際亮度、圖像投影亮度和圖像再現(xiàn)亮度進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)相應(yīng)亮度關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，確定再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景和實(shí)際場(chǎng)景之間的亮度關(guān)系模型。

1)實(shí)景拍攝與測(cè)量

利用數(shù)碼相機(jī)拍攝每個(gè)照度等級(jí)的實(shí)景，記錄照片編號(hào)和參數(shù);在同樣位置放置亮度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，記錄此時(shí)實(shí)際場(chǎng)景亮度，記為L(zhǎng)1。

2)投影亮度的測(cè)量

將拍攝的實(shí)景照片經(jīng)過投影儀投影;在根據(jù)視角還原計(jì)算出的位置上，用亮度計(jì)測(cè)量此時(shí)屏幕上圖像的投影亮度，記為L(zhǎng)2。

3)再現(xiàn)亮度的測(cè)量

人眼對(duì)目標(biāo)的視覺感受除了受到目標(biāo)直接刺激的影響，還要受到目標(biāo)周圍環(huán)境帶來的影響。本研究中，對(duì)人視覺感受產(chǎn)生主要影響的是亮度和亮度比，所以主要考慮標(biāo)準(zhǔn)色板中六塊灰度色塊的再現(xiàn)效果，并以彩色塊的再現(xiàn)效果為參考，調(diào)整圖像參數(shù)達(dá)到和實(shí)景最接近的效果。測(cè)量此時(shí)圖像亮度，記為 L3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 整體趨勢(shì)分析

以圖2為例，照度降低，對(duì)應(yīng)亮度隨之下降;照度不變時(shí)，隨著色塊明度的降低，亮度也隨之下降。

除了一、二級(jí)照度，其他各級(jí)照度對(duì)應(yīng)的亮度基本處于中間視覺范圍，此時(shí)各色塊亮度存在較為明顯的關(guān)系:L1＜L2＜L3;在此范圍內(nèi)，當(dāng)照度較高時(shí)，隨著明度的降低，三種亮度差別減小，尤其從中灰塊開始，三種亮度在數(shù)值上趨近于同一值;但從第七級(jí)照度開始，三種亮度的差值開始加大。

由以上分析看到，不同的視覺環(huán)境，對(duì)人視覺感受會(huì)產(chǎn)生不同的影響:

1)越暗的環(huán)境，亮度變化對(duì)人視覺感受的影響越大，由此對(duì)再現(xiàn)和模擬效果的影響也越大。因此亮度轉(zhuǎn)換模型公式亦應(yīng)針對(duì)不同的亮度水平考慮;

2)曲線的趨勢(shì)和灰度塊之間光譜反射率曲線的關(guān)系是相符的。

3.2 亮度關(guān)系分析

1)實(shí)景亮度L1與投影、再現(xiàn)場(chǎng)景亮度 L2、L3以L1的對(duì)數(shù)為自變量，利用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表達(dá)L1和L2、L1和L3的關(guān)系，如圖3、圖4?？梢钥吹搅炼忍匦缘膶?duì)數(shù)值之間存在著比較明確的線性趨勢(shì)。

2)實(shí)景亮度L1和再現(xiàn)場(chǎng)景亮度L3關(guān)系估算

分不同的視覺水平考慮對(duì)實(shí)景亮度和再現(xiàn)亮度進(jìn)行擬合估算，如圖 5，得到公式 (2)、公式(3)，公式表明，以界限3 cd/m2為分界點(diǎn):在明視覺 (L1＞3cd/m2)時(shí)，再現(xiàn)亮度和實(shí)景亮度很接近;而對(duì)應(yīng)中間視覺 (L1≤3cd/m2)狀態(tài)時(shí)，再現(xiàn)亮度是實(shí)景亮度的二倍。這表明，在中間視覺范圍內(nèi)，調(diào)整后再現(xiàn)亮度的變化值大于明視覺時(shí)的情況。

圖2 色板亮度趨勢(shì)分析

圖3 L1和L2分析

3.3 亮度轉(zhuǎn)換模型

分析表明，不同場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的亮度刺激對(duì)數(shù)值之間具有較為明顯的線性關(guān)系，為此在中間視覺范圍內(nèi)，采用對(duì)數(shù)擬合再現(xiàn)亮度和實(shí)際亮度之間的關(guān)系，如圖6，得到亮度轉(zhuǎn)換模型，見公式4。

圖4 L1和L3分析

圖5 不同視覺狀態(tài)下L1和L3估算擬和

式中:L1——實(shí)景亮度，cd/m2;

L3——再現(xiàn)亮度，cd/m2。

圖6 亮度模型公式

公式 (4)體現(xiàn)了在中間視覺水平狀態(tài)時(shí)，當(dāng)場(chǎng)景給人與實(shí)際環(huán)境相似的視覺心理感受時(shí)，實(shí)景和再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景之間的亮度關(guān)系。利用公式也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)景亮度和模擬場(chǎng)景亮度的轉(zhuǎn)換。

4 驗(yàn)證性場(chǎng)景再現(xiàn)

選取兩類實(shí)際場(chǎng)景:一類為單景觀元素場(chǎng)景;一類為較為復(fù)雜的綜合場(chǎng)景，如圖7所示，利用本研究中提出的場(chǎng)景再現(xiàn)和模擬方法及其亮度轉(zhuǎn)換模型公式進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件、儀器、環(huán)境與系統(tǒng)特性和亮度模型研究實(shí)驗(yàn)保持一致。

圖7 湖畔小路及綜合場(chǎng)景的再現(xiàn)效果

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1)在同一位置利用數(shù)碼相機(jī)拍攝場(chǎng)景;利用亮度計(jì)測(cè)量實(shí)景亮度L1;

2)考慮視角還原，確定再現(xiàn)時(shí)觀看與測(cè)量位置;并利用亮度計(jì)測(cè)量相應(yīng)再現(xiàn)亮度L3(實(shí)測(cè));

3)利用公式 (4)計(jì)算相應(yīng)測(cè)點(diǎn)再現(xiàn)后應(yīng)有的再現(xiàn)亮度L3(計(jì)算)。

對(duì)測(cè)量的再現(xiàn)亮度和計(jì)算的再現(xiàn)亮度結(jié)果進(jìn)行比較，如表2。

表2 再現(xiàn)場(chǎng)景亮度比較 單位:cd/m2

4.2 結(jié)果分析

湖畔小路和綜合場(chǎng)景中根據(jù)場(chǎng)景特點(diǎn)各選了2個(gè)、6個(gè)有代表性的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，圖7湖畔小路單景觀元素場(chǎng)景層次較為簡(jiǎn)單，亮度變化較少，而綜合場(chǎng)景中包括了建筑、樹木、水面和倒影等層次，尤其是水面的亮度受周圍環(huán)境的影響較大，因而變化較多;另外，相機(jī)、測(cè)點(diǎn)的選擇、測(cè)量?jī)x器的精度等誤差會(huì)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一定影響;物理刺激帶來的生理刺激和心理刺激存在不一致性，這些對(duì)再現(xiàn)的效果都會(huì)產(chǎn)生影響。但通過比較，本系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)景的再現(xiàn)和模擬效果可以滿足人們視覺上的要求，達(dá)到較高的再現(xiàn)、還原程度。

5 結(jié)論

1)不同的視覺水平會(huì)對(duì)人的視覺及相應(yīng)的心理感受產(chǎn)生不同影響，從而產(chǎn)生不同的場(chǎng)景視覺效果:

2)在較暗的環(huán)境中，亮度變化對(duì)再現(xiàn)和模擬效果會(huì)產(chǎn)生較大影響;

3)不同的視覺水平下，實(shí)際、再現(xiàn)場(chǎng)景中對(duì)應(yīng)的物理刺激特性也會(huì)存在不同的量化關(guān)系。

4)亮度的轉(zhuǎn)換模型不僅可以使實(shí)際場(chǎng)景得以定量化再現(xiàn)，還可以將模擬場(chǎng)景中相應(yīng)的物理刺激值轉(zhuǎn)化成實(shí)際物理指標(biāo)，完成再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景和實(shí)際場(chǎng)景之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的定量化轉(zhuǎn)換。

本研究基于中間視覺的低亮度、弱對(duì)比環(huán)境，對(duì)場(chǎng)景模擬與再現(xiàn)的方法進(jìn)行研究，并得到了相應(yīng)條件下實(shí)際場(chǎng)景與再現(xiàn)場(chǎng)景亮度的轉(zhuǎn)換模型公式，這一模型具有較好的預(yù)見性和實(shí)踐性，可以完成再現(xiàn)、模擬場(chǎng)景和實(shí)際場(chǎng)景之間亮度對(duì)應(yīng)關(guān)系的定量化轉(zhuǎn)換。同時(shí)本研究為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了一種科學(xué)和可重復(fù)的模式與方法。

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