視頻圖像中顏色刺激對(duì)音高差別閾限的影響

張青虹

【摘要】 本文從視頻圖像的最基本的靜態(tài)純色出發(fā)，改變聽音的視覺環(huán)境，采用3種不同色度（紅色、綠色、藍(lán)色）的視覺環(huán)境，進(jìn)行音高差別閾限實(shí)驗(yàn)，并與暗室（即黑暗無光線的環(huán)境）的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析在不同色彩視覺環(huán)境中被試對(duì)純音聽辨能力的變化。研究結(jié)果表明，視覺環(huán)境顏色的變化確實(shí)對(duì)音高差別閾限有影響，但沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

【關(guān)鍵詞】視聽交互 視覺環(huán)境改變 音高差別閾限

一.研究背景和意義

現(xiàn)代社會(huì)，在日益廣泛應(yīng)用的數(shù)字廣告、數(shù)字電影、數(shù)字電視等平面媒體中，聲音伴隨圖像同時(shí)呈現(xiàn)，人們?cè)谟^賞這些平面媒體時(shí)是一種視覺與聽覺同時(shí)接受信息刺激的方式，是以一種視聽交互的方式來吸收外界信息。聽覺感知和視覺感知，二者并不是兩個(gè)孤立進(jìn)行的獨(dú)立過程。兩個(gè)感知模式相互協(xié)調(diào)以提高人在環(huán)境中追蹤“對(duì)象”和事件的效率和能力。當(dāng)聽覺信息由一個(gè)相應(yīng)的視覺信息支持著，或當(dāng)視覺信息由一個(gè)相應(yīng)的聽覺信息增強(qiáng)著，那么這兩種感知模式間相互協(xié)調(diào)的作用就會(huì)增強(qiáng)人對(duì)激勵(lì)的知覺。因此人眼得到的視覺感受會(huì)受到人耳所接收到的聽覺刺激的影響，同樣，人耳得到的聽覺感受也會(huì)受到來自屏幕的視覺刺激的影響。這就是視覺和聽覺的相互作用?，F(xiàn)在對(duì)聽覺的研究較少考慮視聽結(jié)合方式下視覺刺激對(duì)聽覺的影響，忽視了視覺、聽覺相互作用這個(gè)很重要的問題。

另外，視聽交互的重要性日益突出，而視覺刺激對(duì)聽覺感知的影響缺乏全面深入的研究。以視覺刺激下人耳對(duì)聲音的主觀聽感差別閾限的變化為研究對(duì)象，在主觀聽覺實(shí)驗(yàn)中加以顏色、質(zhì)量、亮度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)四個(gè)不同屬性的視覺刺激，同時(shí)測量純音信號(hào)的響度、主觀音長和音高的聽感差別閾限。通過與無視覺刺激下相應(yīng)差別閾限的比較，分析不同視覺條件對(duì)響度感知、主觀音長感知、音高感知能力的影響。同一視覺屬性的不同水平視覺條件對(duì)聽覺感知的影響程度不同，主觀聽感的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即視覺刺激越舒適，聽感的差別閾限變化越小。

本文在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬3種不同燈光色度（紅色、綠色、藍(lán)色）的聽音視覺環(huán)境，并與暗室中的評(píng)測結(jié)果做對(duì)比，考察不同現(xiàn)場視覺環(huán)境對(duì)音高差別閾限的影響規(guī)律。

二.基本概念

1.音高差別閾限

差別閾限： 指剛好能引起差異感覺的刺激變化量，即辨別兩個(gè)強(qiáng)度不同的刺激所需要的最小差異值。雖然理論上閾限是心理感受“全”或“無”的突變點(diǎn)，但事實(shí)上這樣的閾限定義并不能在閾限的實(shí)際測量中起到作用。因此實(shí)驗(yàn)者需借助此定義，在那個(gè)可以剛剛引起感覺的最小刺激強(qiáng)度，用其算數(shù)平均值來表示。

2.顏色視覺

不同波長的光線是無色的，但當(dāng)它們刺激人的視覺系統(tǒng)時(shí)就產(chǎn)生了顏色視覺。因此，顏色是視覺系統(tǒng)接受光刺激后的產(chǎn)物。物體之所以呈現(xiàn)顏色，就是因?yàn)樗鼈兎瓷涔饩€到我們的視覺系統(tǒng)。燈光是一種常見的視覺刺激，和我們的日常生活息息相關(guān)。在一些聲學(xué)場所，比如話劇廳、會(huì)議室都離不開燈光的作用。色度是衡量燈光視覺環(huán)境的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

人的視覺系統(tǒng)對(duì)色彩的感知是錯(cuò)綜復(fù)雜的，為了可以量化地描述色彩，國際照明協(xié)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，將人的視覺系統(tǒng)對(duì)可見光內(nèi)不同波長的輻射能所引發(fā)的感覺用紅、綠、藍(lán)三原色的配色函數(shù)來加以記錄。色度的定義是：用來評(píng)價(jià)色質(zhì)刺激，其值由色度坐標(biāo)或主波長（或補(bǔ)色波長）和純度確定。如圖1所示。

人們把照明燈具作為點(diǎn)綴環(huán)境、平衡布局、美化居室及作為環(huán)境藝術(shù)處理的重要手段。利用色彩來美化室內(nèi)生活環(huán)境，不僅可以給人舒暢和美的享受，而且能使人們產(chǎn)生不同的心理和生理感受。因此，色彩在生活中被人們有目的地選擇，合理的色彩處理能得到如下感覺不同的效果。

1.溫度感

眾所周知，紅、橙、黃、棕等顏色為暖色，常使人聯(lián)想起東方的旭日、燃燒的火焰、鮮艷的花朵等，認(rèn)為它有溫暖感，在大廳、客廳、餐廳等場所采用暖色調(diào)的照明，既有熱烈華麗之感，又有烘托歡快而舒暢的氣氛；藍(lán)、綠、青、紫等色為冷色，它象征著大海的碧波和冰雪，使人感到冷靜、涼爽，認(rèn)為它有寒冷感，在火熱或狹窄的空間采用冷色照明，可以造成涼爽寬敞的感覺。

2.距離感

在同一平面上，暖色使人感覺距離更近一些，有接近的效果。而冷色使人感到距離遠(yuǎn)一些，有遠(yuǎn)離的效果。因此，暖色稱為近感色，冷色稱為遠(yuǎn)感色。設(shè)計(jì)人員常用色彩的距離感來改善室內(nèi)空間的大小與形態(tài)。

3.興奮與抑制作用

一般情況下，紅色、黃色、橙色有興奮作用，紫色則有抑制作用。所以，要求熱烈而歡快的場所，通常采用以紅色和黃色等暖色為主的照明，使人感到興奮而舒暢。

4.生理作用

就眼睛接受各種光色所引起的疲勞程度而言，藍(lán)色和紫色最容易引起疲勞，紅色與橙色次之，蘭綠色和淡青色視疲勞最小。生理作用還表現(xiàn)在眼睛對(duì)不同光色的敏感程度，如眼睛對(duì)黃色光最敏感，因此，黃色常用作警戒色。燈光色彩環(huán)境帶給人的不同心理感受是研究視覺刺激對(duì)聲音感知影響實(shí)驗(yàn)的重要理論依據(jù)。

三.音高差別閾限實(shí)驗(yàn)及分析

1.音高差別閾限的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及環(huán)境

音高差別閾限實(shí)驗(yàn)采用的主要設(shè)備是由Interacoustics丹麥國際聽力公司生產(chǎn)的診斷型聽力計(jì)AD229b和配套壓耳式氣導(dǎo)耳機(jī)TDH39。

視覺環(huán)境選擇：

在視聽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建如圖2所示的燈箱室。被試和全彩LED屏幕之間用專業(yè)的燈箱薄膜隔開，使燈箱室內(nèi)的光線更柔和。計(jì)算機(jī)通過LEDVISION軟件控制LED屏幕的色彩變換，并且數(shù)據(jù)的傳輸需要千兆網(wǎng)卡和六類網(wǎng)線。音頻信號(hào)通過耳機(jī)播放，視聽實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。endprint

先對(duì)測聽環(huán)境進(jìn)行檢測，以保證環(huán)境背景噪聲滿足要求。本次測量選用的測聽環(huán)境是做過聲學(xué)吸聲處理的錄音間，環(huán)境參數(shù)如表1所示。

經(jīng)檢測，該視聽環(huán)境的背景噪聲小于40dB（A），符合實(shí)驗(yàn)的底噪要求。LED燈屬于冷光源，即使工作很長時(shí)間后，也幾乎不會(huì)對(duì)環(huán)境溫度有影響，從而使被試保持在一個(gè)穩(wěn)定的外界環(huán)境條件中。

2.音高差別閾限的實(shí)驗(yàn)信號(hào)

（1）視覺信號(hào)

顏色視覺環(huán)境采用光譜中最基本的三種色度和一組無視覺環(huán)境（暗室）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是為了考察色度引起的聽覺感知差異，因此將環(huán)境照度控制在一個(gè)比較舒適且不影響可視的范圍內(nèi)。首先在LEDVISION軟件里設(shè)置好紅色、綠色和藍(lán)色的顏色及亮度，然后在燈箱室里用色度計(jì)測量顏色的色度坐標(biāo)及照度，具體參數(shù)如表2所示。

（2）聲音信號(hào)

利用計(jì)算機(jī)軟件Adobe Audition產(chǎn)生頻率為250Hz-2000Hz，步長為2Hz的兩組純音信號(hào)，時(shí)長為3秒，一組是標(biāo)準(zhǔn)刺激在前，另一組是比較刺激在前，兩組的標(biāo)準(zhǔn)刺激和比較刺激對(duì)以遞增或遞減形式出現(xiàn)。

3.音高差別閾限的實(shí)驗(yàn)方法

參加實(shí)驗(yàn)的共有10人，6男4女，均為公司職員，年齡均在28～41之間。為避免被試之間的相互干擾，實(shí)驗(yàn)中安排被試逐個(gè)到燈箱室進(jìn)行測試。正式實(shí)驗(yàn)開始前，用聽力計(jì)AD229b對(duì)每位被試進(jìn)行聽力水平的簡單測試，用視力檢測本對(duì)每位被試進(jìn)行色覺測試，以保證所有被試的聽視力都是正常的。

本文實(shí)驗(yàn)采用的是恒定刺激法。恒定刺激法是測量感覺閾限的三種方法之一，它的特點(diǎn)是測定時(shí)只用少數(shù)幾個(gè)刺激，通常為5-7個(gè)，并且它們?cè)跍y定閾限的整個(gè)過程中是固定不變的。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選定，一般是用最小變化法粗略的測試一下被試的有關(guān)閾限值，然后將比閾限值強(qiáng)和弱的幾個(gè)刺激值確定為要用的刺激。刺激的最大強(qiáng)度要大道它被感覺到的概率達(dá)到90%-95%，刺激的最小強(qiáng)度要小到它被感覺到的概率在5%-10%，各刺激的強(qiáng)度之間最好是等差關(guān)系。每個(gè)刺激呈現(xiàn)的次數(shù)應(yīng)相等，呈現(xiàn)的順序要隨機(jī)排列。 恒定刺激法既可以用于測量絕對(duì)閾限，又可以用于測量差別閾限。在測定時(shí)，也要注意消除空間誤差和時(shí)間誤差。用恒定刺激法測定差別閾限的方法是讓被試將比較刺激，隨機(jī)呈現(xiàn)每對(duì)刺激（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)比較）。用此方法測定差別閾限時(shí)，要求被試以反應(yīng)按鍵來表示“高于”，“等于”和“低于”），分別對(duì)應(yīng)于“+”，“=“和”-“鍵。這樣就得到一個(gè)從感覺比標(biāo)準(zhǔn)刺激低到相等的差別閾限下限，一個(gè)是從感到相等到高的差別閾限上限。一般是用直線內(nèi)插法求得上下限，在求出差別閾限D(zhuǎn)L。分為以下幾個(gè)步驟：

（1）實(shí)驗(yàn)素材的選擇。利用軟件Adobe Audition產(chǎn)生音高為235Hz-265Hz（或970Hz-1030Hz或1978-2030Hz），步長為2Hz的兩組純音信號(hào)，時(shí)長為3秒，一組是標(biāo)準(zhǔn)刺激在前，另一組是比較刺激在前，兩組的標(biāo)準(zhǔn)刺激和比較刺激對(duì)以遞增或遞減形式出現(xiàn)，兩組信號(hào)讓被試進(jìn)行判斷。

（2）測量方法的確定。用此方法測定差別閾限時(shí)，要求被試以反應(yīng)按鍵來表示“高于”，“等于”和“低于”），分別對(duì)應(yīng)于“+”，“=”和“-”鍵。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟。利用音頻軟件產(chǎn)生250Hz兩組17個(gè)比較刺激和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激/1000Hz兩組17個(gè)比較刺激和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激/2000Hz兩組20個(gè)比較刺激和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激。分別在黑/紅/綠/藍(lán)等四種視覺環(huán)境里進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄在實(shí)驗(yàn)紙上。

4.音高差別閾限實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在黑/紅/綠/藍(lán)等四種視覺環(huán)境里，讓被試記錄下每個(gè)頻點(diǎn)下的比較值。把記錄的比較值在每個(gè)頻點(diǎn)按“高于”反應(yīng)的次數(shù)/“等于”反應(yīng)的次數(shù)/“低于”反應(yīng)的次數(shù)三種反應(yīng)來統(tǒng)計(jì)其各自的次數(shù)，并錄入表格。然后計(jì)算每個(gè)頻點(diǎn)下三種反應(yīng)的反應(yīng)概率，并整理成反應(yīng)概率表。現(xiàn)以黑色視覺環(huán)境里的250Hz頻點(diǎn)為例，采用平均誤差計(jì)算差別閾限：

根據(jù)上述計(jì)算方法，同樣也可以計(jì)算得其他頻點(diǎn)的差別閾限以及其他顏色視覺環(huán)境下各頻點(diǎn)的差別閾限，整理后如表5所示：

通過折線圖比較不同顏色的視覺環(huán)境里在各頻點(diǎn)差別閾限的區(qū)別，如圖3所示。

從圖3可以看出在黑色、紅色和藍(lán)色的視覺環(huán)境下，被試者對(duì)音高的差別閾限沒有多大的差異。在視覺環(huán)境為綠色的情況下，250Hz的差別閾限與其它三種顏色并沒有多大差異，1000Hz的差別閾限會(huì)比其他三種顏色低1Hz左右，2000Hz的差別閾限會(huì)比其它三種低3Hz左右。

四.總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)論表明：顏色視覺環(huán)境的變化對(duì)音高差別閾限是有影響。音高差別閾限在黑色、紅色和藍(lán)色的視覺環(huán)境下，被試者對(duì)音高的差別閾限沒有多大的差異。在視覺環(huán)境為綠色的情況下，250Hz的差別閾限與其它三種顏色并沒有多大差異，1000Hz的差別閾限會(huì)比其他三種顏色低1Hz左右，2000Hz的差別閾限會(huì)比其它三種低3Hz左右，表明顏色視覺環(huán)境的變化對(duì)音高差別閾限確有一定影響，但也沒有明顯的規(guī)律性。

本文初探性地考察了視頻圖像中顏色刺激對(duì)人耳音高差別閾限的影響，由于實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)有限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本較少，還不能給出確切的視頻和音頻之間相互影響的規(guī)律。希望借此拋磚引玉，在未來的理論研究中，有更大的突破，為電視技術(shù)的基礎(chǔ)研究開辟新思路。B&Pendprint