人眼对比敏感度函数测量方法研究

张吉焱, 董金昕, 周桃庚, 戴军成

(1. 中国计量科学研究院, 北京 100029; 2.哈尔滨工业大学, 黑龙江 哈尔滨 150001; 3. 北京理工大学, 北京 100081)

1 引 言

人眼是人体接收外界信息的重要通道。通过实验测试和理论分析研究人眼的视觉特性,对眼科临床、图像技术、环境照明和光学探测等领域都具有重要意义。对比敏感度函数(contrast sensitivity function,CSF)是评价人眼视觉功能的重要参数,用于描述人眼视觉系统的空间特性,反映不同条件下对比敏感度和空间频率之间的关系[1,2]。Wooten和邓述移等提出了基于光学装置产生条纹和控制对比度的方法[3,4],开启了人眼CSF特性测量研究的序幕,但由于自动化程度低,操作繁杂,此方法并没有得到进一步发展。随着显示技术的发展,姚军财等提出了基于阴极射线管(cathode ray tube,CRT)显示器开展人眼CSF视觉特性研究[5,6],为图像技术和光电成像领域的发展提供了基础数据。虽然该方法操作简便,易于开展测试,但由于受到显示器特性限制,视觉实验准确度不高,致使得出的视觉模型不能很好地匹配和模拟人眼实际的视觉功能。近年来,中国计量科学研究院在开展主观视觉诊断设备计量校准研究的同时,对人眼CSF特性测量也开展了研究[7,8]。

本文提出了一种基于积分球和特制调光器产生人眼CSF测试目标的方法,采用交叉阶梯法进行心理物理实验,通过软硬件设计,实现人眼CSF特性测量。此方法对比度调节范围大,各项输出参数有效溯源,为开展人眼CSF基础研究,建立适合我国人口的视觉模型和CSF数据库提供依据。

2 对比度及对比敏感度函数

视力通过系统精确地检测才会发现细节问题,通常视力检查采用的是置于白色背景下的黑色Landolt或Snellen图表,而在我们日常生活中,并不是黑白绝对分明的世界。物体有各种各样的对比度和大小尺寸,比如在黑夜、烈日、雾天或雨天,物体就会看起来有些模糊不清。对比敏感度的意义就在于能精确反映出与人类日常生活信息相关的不同对比度之下的视觉敏感特性。

对比度定义为明、暗光栅的相对亮度比:

(1)

式中:Lmax和Lmin分别为明光栅亮度和暗光栅亮度,cd/m2。

对比度阈值是指在同一空间频率(即1°视角所含条栅的数目)下人眼所能识别的最小对比度。而在某一空间频率上,当对比度降到阈值时,人眼就分辨不出光栅,呈现一片灰色,此时对比度阈值的倒数即为对比敏感度。可见,对比度阈值越低,对比敏感度越高,表明人眼的视觉系统越敏感。

对比敏感度函数(CSF)是在不同空间频率下对比敏感度的反映,旨在判定人眼分辨边界模糊物体的能力,CSF曲线横轴代表空间频率,周/(°)(cycle per degree,CPD),纵轴代表对比敏感度。正常人的CSF曲线呈倒“U”形,即在中频区高,低频区和高频区低,表明视觉系统观看粗和细条纹轮廓困难,而观看中等条纹的轮廓较容易。因此,CSF能较完整地反映人眼的视觉功能。

3 测量方法研究

目前,对人眼CSF视觉特性的研究多基于CRT或LCD,此种方法虽然简便易行,但由于受到显示器性能的限制,以及产生目标的机理和环境条件与人眼在自然光状态下观察事物的情景有很大差别,导致得到的视觉模型并不能很好地匹配和模拟人眼实际的视觉功能,制约了视觉研究及眼科临床应用。利用光学方法产生CSF测试目标,产生目标的机理和环境条件与人眼在自然光状态下观察事物的情景更为接近,可以较好地模拟人眼的实际视觉状况。

根据对比度及对比敏感度函数的定义,结合眼科临床CSF测试要求,经过前期理论和仿真计算,采用光学方法实现人眼CSF测量方案如图1所示。

图1 测量方案

整个对比敏感度函数测量系统由光源系统、调光器、混色系统、目标发生系统、图像采集测试分析系统和闭环控制系统6部分组成。其中:光源系统包括外置卤钨灯、内置卤钨灯、8″小积分球和电控柜,光源发出的光经过小积分球均匀反射后,在小积分球出口面形成均匀面光源。调光器位于小积分球和混色系统之间,由三角支架和三块黑色挡光板组成,三角支架将圆形通道分成三个相同的120°扇形光通道,挡光板可沿扇形通道径向移动,通过改变通光面积来实现光通量的改变,如图2所示。

图2 调光器工作示意

混色系统由2个12″大积分球组成,用于均匀混合经过调光器后的透射光。由光源系统、调光器和混色系统构成的光源发生系统,实物如图3所示,通过2路积分球和调光器的分别作用,在2个大积分球出口处将产生具有不同亮度的均匀面光源。

图3 光源发生系统

目标发生系统由分光棱镜、对比度分划板和目视观察光路组成,分光棱镜的2个工作面分别对着大积分球的2个出射口,将一路大积分球出射的前景目标与另一路大积分球出射的背景目标叠加在一起,产生具有不同对比度的观察目标,如图4所示。图像采集测试分析系统主要用于对生成的对比度测试目标进行采集测试,保证背景亮度、条纹对比度以及空间频率等参数准确并有效溯源。闭环控制系统主要通过内置的光谱仪、亮度计等实现实时数据采集,并通过电控机构对各部件进行调节控制,以提供满足要求的各类对比度测试目标。

图4 目标生成原理

整套系统基于计算机控制实现了调试和测量的自动化操作,覆盖人眼低频、中频和高频CSF测量。空间频率包括0.8,1.5,2.0,3.0,4.5,6.0,12.0，18.0， 周/(°),每种空间频率分别对应9种对比敏感度值,模拟白天和夜晚场景,共可提供144种测试目标,对比敏感度设计值如表1所示,其中一种空间频率下不同对比度的测试目标如图5所示。

表1 测试目标对比敏感度设计值

图5 某一空间频率下不同对比度的测试目标示例

4 实验和分析

4.1 系统性能评价

为保证系统提供的对比度测试目标准确、可靠,整套系统搭建和调试完成后,利用经过计量检定的分光亮度计和彩色亮度计等计量标准设备对各对比度测试目标进行了测量,包括背景亮度、明条纹亮度、暗条纹亮度以及对比度测量重复性和复现性等。经测试,在白天和夜晚背景下不同对比度测试目标的背景亮度示值误差均满足±5%。对比度测量重复性和复现性部分实验数据如表2和表3所示。

表2 对比度重复性实验数据

表3 对比度复现性实验数据

对比度测量重复性是指在短时间内对同一对比度测试目标的明条纹和暗条纹进行多次测量,代入式(1)所得到的多次对比度测量结果的实验标准差作为测量重复性。通过实验可知,对比度测量重复性最大不超过0.001,满足人眼CSF测量要求。

对比度测量复现性是指在不同的时间段内对同一对比度测试目标进行测量,取不同时间段的多次对比度测量结果的实验标准差作为复现性。通过实验可知,对比度测量复现性最大不超过0.004,满足人眼CSF在不同时间段的测量精度要求。

4.2 人眼CSF特性测量

利用搭建的人眼CSF测量系统,采用交叉阶梯法进行心理物理学实验,开展人眼CSF的特性测量。交叉阶梯法的心理物理学实验主要是在测量过程中融合了上升和下降极限法,测试目标的对比度按一定级别逐渐增加或减少。如果受试者能看清初始目标,则将对比度减少一个级别,再让受试者进行观察判断,持续降低对比度,直到受试者看不清测试目标。此时再反向增加对比度一个级别,让受试者进行观察判断,然后持续增加对比度,直到受试者能看清测试目标。对比度阈值即为所有拐点处对比度的平均值,而对比敏感度即为对比度阈值的倒数。利用搭建的人眼对比敏感度函数自动化测量系统,对不同受试者进行了CSF测量。表4给出了其中一位受试者在白天场景(85 cd/m2)下双眼观测远视目标的测量数据。

表4 人眼CSF测试数据

CSF特性数据能较完整地反映人眼在高、中、低频区的视觉功能。在医学临床上,低频区主要是反映视觉对比度情况,高频区主要是反映视敏度情况,而中频区反映的则是视觉对比度和中心视力的综合情况。从所得到的实验数据可以看出,该受试者对比敏感度值在中频区较高,在低频区和高频区较低,符合视觉系统观看粗条纹和细条纹轮廓困难,而观看中等条纹轮廓较容易的规律。特别是高频区对比敏感度值偏低,说明该受试者存在一定的屈光不正。临床医生根据受试者在高、中、低频区的CSF数据走势,可以客观地评价人眼的视觉功能及视觉系统疾病。

5 结 论

对比敏感度是视觉系统在明亮对比变化下对不同空间频率正弦光栅的识别能力,是用于定量评价视觉功能的重要指标。本文从对比度和对比敏感度函数的定义出发,提出了一种基于积分球和特制调光器产生人眼CSF测试目标的方法,其目标生成机理和环境条件与人眼在自然光状态下观察事物的情景更为接近,可以较好地模拟人眼的实际视觉效果。整套系统对比度调节范围大,各项输出参数均可有效溯源,对比度测试目标满足人眼CSF测量精度要求。今后将在此套对比敏感度函数测量系统的基础上,开展大样本人眼CSF特性测量,拟合人眼视觉传递模型,同时探索开展人眼彩色对比敏感度函数测量研究,为眼科临床、图像技术和光学探测等领域提供基础数据。

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