用LCD顯示器測(cè)量人眼亮度對(duì)比度敏感視覺特性

姚軍財(cái)，申 靜，何軍鋒，譚 毅

（1.陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中723000；

2.陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723000）

用LCD顯示器測(cè)量人眼亮度對(duì)比度敏感視覺特性

姚軍財(cái)1?，申 靜2，何軍鋒1，譚 毅1

（1.陜西理工學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，陜西漢中723000；

2.陜西理工學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西漢中723000）

根據(jù)LCD顯示器亮度的均勻性和顯示光柵對(duì)比度的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析，提出了一種采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量人眼對(duì)比度敏感視覺特性的實(shí)驗(yàn)方法，并測(cè)量了48位青年對(duì)象對(duì)3種平均亮度光柵的對(duì)比度視覺特性，且與目前有代表性的測(cè)量方法和結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明該測(cè)量方法是一種有效、實(shí)用和簡便易行的人眼對(duì)比度敏感視覺特性測(cè)量方法.

人眼視覺系統(tǒng)；LCD顯示器；對(duì)比度敏感；空間頻率

1　引 言

人眼視覺特性是圖像顯示、處理及質(zhì)量評(píng)價(jià)等研究的理論基礎(chǔ)，其特性非常復(fù)雜和難以完全理解，但是隨著光學(xué)、生物科學(xué)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的信息技術(shù)趨向于智能化，特別是人類視聽覺特性在多媒體技術(shù)中的應(yīng)用，更是近些年研究的熱點(diǎn)，以致吸引了較多的國內(nèi)外研究工作者［1-3］.

人眼對(duì)比度敏感視覺特性是非常重要的人類空間視覺特性之一，從上世紀(jì)30年代起國內(nèi)外工作者就對(duì)其測(cè)量方法進(jìn)行了較多的研究［4-8］.目前國內(nèi)有代表性的研究報(bào)道是由鄧述移等人提出的采用三變儀顯示光柵進(jìn)行測(cè)量的方法［5］，但是其方法的測(cè)量過程中，需要不斷調(diào)節(jié)儀器的象場(chǎng)亮度、顏色和對(duì)比度，實(shí)驗(yàn)過程比較復(fù)雜.國外Van和Bouman等人采用自制的光學(xué)亮度調(diào)制儀顯示光柵的測(cè)量方法是目前公認(rèn)的方法之一［4］，但是其設(shè)計(jì)的光柵顯示儀器比較復(fù)雜，不易快捷和精確控制顯示的光柵的亮度和對(duì)比度.以致截止目前沒有一種高效易行的人眼視覺特性測(cè)量方法，致使得出的視覺模型不能較好的匹配、模擬人眼視覺功能，從而導(dǎo)致智能化信息處理技術(shù)進(jìn)展緩慢，迫切需要一種有效和易行的人眼視覺特性測(cè)量方法［9-10］.目前大部分?jǐn)?shù)字信息采用LCD顯示器顯示和處理，則利用顯示器顯示光柵測(cè)量的人眼視覺特性進(jìn)行信息處理將會(huì)達(dá)到更好的效果，其具有重要的實(shí)際研究價(jià)值［11-12］.基于此，本文根據(jù)LCD顯示器亮度均勻性和顯示光柵的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)分析，提出了一種采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量人眼對(duì)比度敏感視覺特性的實(shí)驗(yàn)方法.且為了驗(yàn)證此方法，測(cè)量了48位青年對(duì)象的對(duì)比度視覺特性，并與目前公認(rèn)的測(cè)量方法和結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.結(jié)果表明采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量人眼對(duì)比度視覺特性是一種有效的、實(shí)用的和簡便易行的測(cè)量方法.

2　人眼對(duì)比度敏感視覺特性及其測(cè)量方法

人眼對(duì)比度敏感視覺特性是重要的人眼視覺系統(tǒng)空間特性之一，一般采用不同條件下的人眼對(duì)比度敏感閾值來描述，其描述函數(shù)為人眼對(duì)比度敏感函數(shù)（Contrast Sensitivity Function:CSF），CSF主要反映敏感閾值與目標(biāo)空間頻率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.但是人眼對(duì)比度敏感閾值不能直接測(cè)量，一般采用人眼觀察目標(biāo)時(shí)的對(duì)比度覺察閾值的倒數(shù)來描述.根據(jù)心里和生理物理學(xué)的方法，人眼對(duì)比度覺察閾值是指人眼處于臨界分辨狀態(tài)時(shí)觀察目標(biāo)的對(duì)比度值，人眼分辨臨界狀態(tài)是指目標(biāo)剛好能被覺察但又不能完全分辨時(shí)的分辨狀態(tài)［5，13］.則測(cè)量人眼對(duì)比度敏感視覺特性主要是測(cè)量不同條件下、不同空間頻率的人眼對(duì)比度覺察閾值C.則采用LCD顯示器測(cè)量覺察閾值的主要過程為:在暗室環(huán)境下，用LCD顯示器每次顯示4幅對(duì)比度依次減小的光柵，作為觀察目標(biāo)，每個(gè)目標(biāo)顯示時(shí)間為1分鐘，觀察者在2 m處覺察分辨，從而找出目標(biāo)中人眼處于分辨臨界狀態(tài)時(shí)的光柵，以此光柵的對(duì)比度值為人眼對(duì)該光柵所具有的空間頻率的對(duì)比度覺察閾值.測(cè)量方法的示意圖如圖1.其明暗光柵的對(duì)比度定義如式（1），式中L1和L2是明暗條紋的亮度值.

圖1　用顯示器顯示目標(biāo)光柵測(cè)量人眼對(duì)比度覺察閾值示意圖Fig.1　Schematic diagram of measuring human contrast detection threshold using the LCD display to show gratings

3　用LCD顯示器測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案

采用LCD顯示器顯示目標(biāo)光柵測(cè)量人眼亮度對(duì)比度敏感視覺特性的實(shí)驗(yàn)方案，其主要是設(shè)計(jì)如何用LCD顯示器精確和穩(wěn)定的顯示目標(biāo)光柵.其中的難點(diǎn)是LCD顯示器亮度的均勻性、顯示光柵對(duì)比度的穩(wěn)定性和光柵亮度的精確控制等問題.

3.1LCD顯示器亮度均勻性及其對(duì)視覺特性測(cè)量的影響

為了研究顯示器亮度的均勻性問題，實(shí)驗(yàn)采用顏色校準(zhǔn)儀對(duì)顯示器屏幕進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試將屏幕均勻劃分為9個(gè)區(qū)域，測(cè)試每個(gè)區(qū)域中心色塊的亮度，色塊RGB值均為255.其結(jié)果如表1.

表1　LCD顯示器亮度均勻性測(cè)量結(jié)果Tab.1　Measurement results of luminance uniformity of LCD display

從表1的測(cè)試結(jié)果上看，LCD顯示器中心區(qū)域的亮度差異為零，均勻性非常好，其余區(qū)域的均勻性比較差.但是在測(cè)量視覺特性的實(shí)驗(yàn)中，人眼覺察的是光柵條紋，關(guān)注的是其亮度相對(duì)變化，則在上述屏幕中9個(gè)區(qū)域的中心位置放置同一光柵條紋，屏幕背景的亮度值為27.63cd/m2，分別測(cè)量其明暗條紋的亮度，并計(jì)算其對(duì)比度值，結(jié)果如表2.從表2中可以看出，雖然各個(gè)位置條紋的亮度有所不同，但其對(duì)比度值差異非常小，其相對(duì)偏差最大只有2.4%.表明LCD顯示器亮度的不均勻性對(duì)光柵對(duì)比度值的影響較小.

表2　9個(gè)區(qū)域中心光柵條紋的亮度測(cè)量和對(duì)比度值計(jì)算結(jié)果Tab.2　Results of measuring luminance and calculating contrast of the gratings displayed on the center of 9 regions

圖2　LCD顯示器亮度和光柵對(duì)比度穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Fig.2　Stability test of brightness and contrast of gratings on LCD display

3.2LCD顯示器亮度穩(wěn)定性及其對(duì)視覺特性測(cè)

量的影響

實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量大量對(duì)象的視覺特性，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)必須要有長期性和重復(fù)性，則需要研究LCD顯示器亮度的穩(wěn)定性及其對(duì)測(cè)量特性的影響.為了研究此影響，在顯示器屏幕中心位置顯示同一對(duì)條紋，對(duì)其亮度L1和L2在1個(gè)月內(nèi)進(jìn)行測(cè)量.圖2是間隔3天測(cè)量1次，在1個(gè)月內(nèi)的測(cè)量結(jié)果；圖中L1i和L2i是兩個(gè)條紋8次測(cè)量的結(jié)果，每次測(cè)量在開機(jī)后第2、10、30、60、120、240、360、480、600 min時(shí)進(jìn)行測(cè)量，Ci是8次兩條紋的對(duì)比度值，i=1，2，3…8，Cmean是顯示器相對(duì)穩(wěn)定后（120 min后）8次各個(gè)時(shí)刻測(cè)量后計(jì)算的平均對(duì)比度值.

從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，顯示器在開機(jī)120 min之后基本達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定.計(jì)算相對(duì)穩(wěn)定后相應(yīng)各時(shí)刻的對(duì)比度的標(biāo)準(zhǔn)方差和偏差（用百分比表示），其最大值為0.030 8和4.576 2%.從圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算的方差和偏差，表明LCD顯示器的亮度穩(wěn)定性在中期內(nèi)雖然較差，但是其顯示條紋的對(duì)比度值上下浮動(dòng)不大，比較穩(wěn)定，較好的符合了測(cè)量視覺特性時(shí)保證光柵對(duì)比度穩(wěn)定和精確再現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)要求.而且實(shí)驗(yàn)過程中，只需要調(diào)節(jié)顯示器的亮度保證光柵的平均亮度不變，其光柵的對(duì)比度值基本不變.

3.3目標(biāo)光柵制作方法

實(shí)驗(yàn)需要通過顯示器顯示大量不同頻率、不同對(duì)比度值的光柵.則需要解決以下兩個(gè)問題:（1）目前真實(shí)人眼觀察目標(biāo)的最小對(duì)比度閾值為0.003［5］，則要求制作的光柵的最小對(duì)比度值必須小于0.003.（2）目前顯示器顯示的灰度級(jí)為0～255，且只能顯示整數(shù)灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的亮度值，要實(shí)現(xiàn)多種對(duì)比度，則必須獲得灰度級(jí)是小數(shù)時(shí)的亮度值.其具體的解決方法說明如下.

目前常用的顯示器是采用8 bit的顯卡，即其顯示的灰度級(jí)為28等級(jí)，即256級(jí).本實(shí)驗(yàn)采用的顯示器是10 bit的顯卡，則可以顯示1 024灰度級(jí)，即是在灰度級(jí)0～255的每個(gè)整數(shù)級(jí)之間插于3個(gè)小數(shù)灰度級(jí)，即0.25、0.50、0.75.但是目前的亮度計(jì)和色度計(jì)均不能精確測(cè)量灰度級(jí)為小數(shù)時(shí)的亮度值.鑒于此，根據(jù)普通顯示器的顯色特性，在間隔為1的灰度級(jí)內(nèi)的亮度值基本符合線性變化，則在實(shí)驗(yàn)中采用整數(shù)值測(cè)量和小數(shù)值線性插值的方法獲得不同灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的亮度值.具體的方法為:（1）依據(jù)實(shí)驗(yàn)中光柵的平均亮度值，初步大致估計(jì)其對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)RGB（R=G= B）值，并根據(jù)RGB值制作亮度塊，測(cè)量其真實(shí)的亮度值.（2）依據(jù)第一步中的RGB值，上下間隔1個(gè)灰度級(jí)制作亮度塊，并測(cè)量其亮度值.（3）利用線性插值的方法依次得到每個(gè)間隔1個(gè)灰度級(jí)內(nèi)小數(shù)0.25、0.50、0.75對(duì)應(yīng)的亮度值.任意選取以上獲得的兩組RGB值，以其對(duì)應(yīng)的亮度值作為光柵條紋中明暗條紋的亮度，從而來制作光柵，并計(jì)算其對(duì)比度值.以平均亮度90 cd/m2為例進(jìn)行說明，如圖3.

通過圖3的結(jié)果表明，制作的光柵的最小對(duì)比度值可達(dá)到0.00 195，完全滿足目前真實(shí)人眼觀察目標(biāo)的最小閾值為0.003的要求.由于實(shí)驗(yàn)通過顯示器顯示光柵，則光柵的大小不變，人眼觀察光柵的視角不變，但光柵中條紋寬度可以通過改變像素的多少來實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到改變光柵的空間頻率.實(shí)驗(yàn)過程中需要大量目標(biāo)光柵圖片，按照以上方法，編寫了如圖4界面所示的程序，用以快捷的制作光柵.

圖3　任意組合兩個(gè)灰度級(jí)RGB對(duì)應(yīng)的亮度條紋的對(duì)比度值Fig.3　Luminance contrast value of two gray stripes corresponding to the RGB combined arbitrarily

圖4　光柵制作程序界面Fig.4　Procedure interface to make gratings

3.4實(shí)驗(yàn)儀器及其參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用53.3 cm（21 in）DELL品牌的LCD顯示器，其分辨率為1 920×1 080.屏幕色度計(jì)為X-Rite Color色度計(jì)，其亮度精度為0.01 cd/ m2.顯示色塊為邊長85 mm的正方形，呈現(xiàn)在顯示屏的中心位置，其背景為黑色（亮度為:0.33 cd/m2，趨近于零），色塊間距10 pixels.視角θ= 2.434 7°，觀察距離L=200 cm.空間頻率依次取為0.410 7、0.821 5、1.232 2、1.971、3.080 1、3.791 3、4.929、7.041、9.857、16.429、24.64 cpd（cycle/degree）.

3.5閾值確定方法和被測(cè)試對(duì)象

實(shí)驗(yàn)采用心理物理學(xué)中的極限調(diào)整法測(cè)量人眼對(duì)比度覺察閾值［5，13］.即測(cè)試對(duì)象暗適應(yīng)半小時(shí)后，在2米處觀察顯示屏幕中心的光柵，通過自行調(diào)節(jié)預(yù)先做好的光柵的對(duì)比度、平均亮度和空間頻率，一次逐漸增大對(duì)比度至條紋剛好能被分辨，一次逐漸降低到恰好不能區(qū)分，取二者之平均作為本次測(cè)量的覺察閾值.測(cè)試過程中，對(duì)每個(gè)空間頻率測(cè)量3次，全過程重復(fù)測(cè)一次，取其平均值作為該頻率的對(duì)比度覺察閾值.實(shí)驗(yàn)對(duì)象為48名在校大學(xué)生，校正后視力均達(dá)到1.2以上，暗適應(yīng)情況良好，色覺無異常.

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

圖5　采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量人眼對(duì)比度覺察閾值實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Experimental results of measuring human contrast detection threshold using the LCD display to show gratings

4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過測(cè)試對(duì)象對(duì)平均亮度為10、60、90 cd/m2的光柵反復(fù)覺察，得到暗室環(huán)境下不同空間頻率的人眼亮度對(duì)比度覺察閾值.如圖5所示，圖中的紅色粗線為各空間頻率下的平均人眼對(duì)比度覺察閾值.從圖5中可得:（1）隨著光柵平均亮度的增加，各對(duì)應(yīng)空間頻率的覺察閾值減小，表明在亮度范圍10～90 cd/m2內(nèi)，人眼敏感程度隨亮度的增加而有所提高.（2）空間頻率在2～8 cpd之間，覺察閾值上下浮動(dòng)較小，而空間頻率在10 cpd之后，覺察閾值波動(dòng)較大，表明不同人眼對(duì)低頻目標(biāo)敏感程度非常接近，而對(duì)高頻目標(biāo)敏感程度差異較大.

4.2討 論

人眼對(duì)比度敏感視覺特性的測(cè)量一直是光學(xué)和圖像處理研究者非常感興趣的課題，國內(nèi)外進(jìn)行了較多的研究.目前國內(nèi)對(duì)其研究的代表性報(bào)道是由鄧述移等人采用自制的三變儀顯示光柵進(jìn)行的測(cè)量，其結(jié)果如文獻(xiàn)［5］中的圖3［5］.國外Van和Bouman采用光學(xué)儀器顯示光柵的方法，在視角為6.1°下覺察，測(cè)量了7個(gè)平均亮度光柵下的人眼對(duì)比度覺察閾值，取其倒數(shù)作為人眼對(duì)比度敏感閾值，并歸一化，同時(shí)采用Barten及復(fù)合模型擬合了其數(shù)據(jù)，其結(jié)果如文獻(xiàn)［4］中的圖4［4］.但采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量的相關(guān)報(bào)道非常少.

對(duì)比分析鄧述移、Van和Bouman等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn):（1）無論是光學(xué)儀器顯示光柵測(cè)量還是采用顯示器顯示光柵測(cè)量，其測(cè)量的人眼對(duì)比度覺察閾值變化趨勢(shì)基本一致，而且在對(duì)應(yīng)的平均亮度和空間頻率處，閾值大小比較接近.（2）在相近的平均亮度時(shí)，三者的測(cè)量結(jié)果均表現(xiàn)為人眼對(duì)空間頻率為2～4 cpd的目標(biāo)最敏感.表明采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量視覺特性是一種有效的方法.

從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和測(cè)試過程上分析，Van、Bouman和鄧述移等人均是采用光學(xué)儀器顯示光柵進(jìn)行測(cè)量，其設(shè)計(jì)的光學(xué)儀器比較復(fù)雜，不易較好的精確控制顯示的光柵的亮度和對(duì)比度，且實(shí)驗(yàn)過程中，需要不斷人為的調(diào)節(jié)儀器的象場(chǎng)亮度、顏色和對(duì)比度，實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜且花費(fèi)時(shí)間較長，不易大量和快捷測(cè)量.而相對(duì)來說，采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量人眼視覺特性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和光柵控制均比較容易，且操作簡單、快捷.

更重要的是目前圖像和視頻等大部分信息采用LCD顯示器顯示和處理，而人眼視覺特性是其處理的基礎(chǔ)和最終評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則利用顯示器顯示光柵測(cè)量的人眼視覺特性進(jìn)行圖像和視頻處理將會(huì)達(dá)到更好的視覺效果［14-15］.所以采用LCD顯示器測(cè)量視覺特性是一項(xiàng)非常有實(shí)際研究意義和價(jià)值的工作.

5　結(jié) 論

為了獲得一種實(shí)用的、簡便易行的人眼對(duì)比度敏感視覺特性測(cè)量方法，本文根據(jù)LCD顯示器顯示光柵對(duì)比度的穩(wěn)定性和亮度均勻性實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)了一種采用LCD顯示器顯示光柵測(cè)量人眼對(duì)比度敏感視覺特性的實(shí)驗(yàn)方案.方案中，觀察視角為2.434 7°，光柵的平均亮度設(shè)置為3種:10、60 cd/m2和90 cd/m2，光柵的空間頻率設(shè)置為11種，觀察距離為2 m.同時(shí)為了驗(yàn)證該方法的有效性，測(cè)量了48位青年對(duì)象的對(duì)比度覺察閾值，且與目前有代表性的測(cè)量方法和結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明該測(cè)量方法簡便易行，測(cè)量結(jié)果基本與采用公認(rèn)的測(cè)量方法測(cè)量的結(jié)果基本一致.綜合表明該測(cè)量方法是一種有效的、實(shí)用的和易操作的人眼對(duì)比度敏感視覺特性測(cè)量方法.當(dāng)然，人眼視覺特性非常復(fù)雜，其測(cè)量還受到人的心理、生理和環(huán)境等諸多方面的影響，但是視覺特性在人工智能方面的應(yīng)用非常廣泛，其測(cè)量方法的研究是一項(xiàng)非常有意義和實(shí)用價(jià)值的科研工作，需要開展大量的探索.

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Measuring luminance contrast sensitivity characteristics of human visual system using LCD display

YAO Jun-cai1?，SHEN Jing2，HE Jun-feng1，TAN Yi1

（1.School of Physics and Telecommunication Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China）
（2.School of Mathematics and Computer Science，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，China）

According to the experiments analysis about the uniformity of luminance and stability of contrast of grating displayed on LCD display，a method is proposed to measure contrast sensitivity characteristics of human visual system by displaying the grating using LCD.The contrast sensitivity characteristics of 48 youngers who detect gratings with three kinds of luminance were measured，and it is compared with the typical measurement methods and results.The results show that the measuring method is effective，practical，simple and easy to measure the contrast sensitivity characteristics of human visual system.

human visual system；liquid crystal display；contrast sensitivity；spatial frequency

O432；TN919.81

A doi:10.3788/YJYXS20153006.1063

1007-2780（2015）06-1063-07

姚軍財(cái)（1979-），男，湖北黃岡人，碩士，副教授，主要從事視覺光學(xué)和顯示器顏色管理方面的研究. E-mail:yaojc4782@163.com

2015-04-28；

2015-07-01.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61301237）；陜西省青年科技新星計(jì)劃項(xiàng)目（No.2015KJXX-42）

Supported by National Nature Science Foundation of China（No.61301237）；Natural Science Foundation of Shaanxi Province，China（No.2015KJXX-42）

?通信聯(lián)系人，E-mail:yaojc4782@163.com