人眼對(duì)比敏感度函數(shù)測(cè)量方法研究

張吉焱, 董金昕, 周桃庚, 戴軍成

(1. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院, 北京 100029; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué), 黑龍江 哈爾濱 150001; 3. 北京理工大學(xué), 北京 100081)

1 引 言

人眼是人體接收外界信息的重要通道。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析研究人眼的視覺(jué)特性,對(duì)眼科臨床、圖像技術(shù)、環(huán)境照明和光學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域都具有重要意義。對(duì)比敏感度函數(shù)(contrast sensitivity function,CSF)是評(píng)價(jià)人眼視覺(jué)功能的重要參數(shù),用于描述人眼視覺(jué)系統(tǒng)的空間特性,反映不同條件下對(duì)比敏感度和空間頻率之間的關(guān)系[1,2]。Wooten和鄧述移等提出了基于光學(xué)裝置產(chǎn)生條紋和控制對(duì)比度的方法[3,4],開(kāi)啟了人眼CSF特性測(cè)量研究的序幕,但由于自動(dòng)化程度低,操作繁雜,此方法并沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展,姚軍財(cái)?shù)忍岢隽嘶陉帢O射線管(cathode ray tube,CRT)顯示器開(kāi)展人眼CSF視覺(jué)特性研究[5,6],為圖像技術(shù)和光電成像領(lǐng)域的發(fā)展提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。雖然該方法操作簡(jiǎn)便,易于開(kāi)展測(cè)試,但由于受到顯示器特性限制,視覺(jué)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度不高,致使得出的視覺(jué)模型不能很好地匹配和模擬人眼實(shí)際的視覺(jué)功能。近年來(lái),中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在開(kāi)展主觀視覺(jué)診斷設(shè)備計(jì)量校準(zhǔn)研究的同時(shí),對(duì)人眼CSF特性測(cè)量也開(kāi)展了研究[7,8]。

本文提出了一種基于積分球和特制調(diào)光器產(chǎn)生人眼CSF測(cè)試目標(biāo)的方法,采用交叉階梯法進(jìn)行心理物理實(shí)驗(yàn),通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)人眼CSF特性測(cè)量。此方法對(duì)比度調(diào)節(jié)范圍大,各項(xiàng)輸出參數(shù)有效溯源,為開(kāi)展人眼CSF基礎(chǔ)研究,建立適合我國(guó)人口的視覺(jué)模型和CSF數(shù)據(jù)庫(kù)提供依據(jù)。

2 對(duì)比度及對(duì)比敏感度函數(shù)

視力通過(guò)系統(tǒng)精確地檢測(cè)才會(huì)發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)問(wèn)題,通常視力檢查采用的是置于白色背景下的黑色Landolt或Snellen圖表,而在我們?nèi)粘Ｉ钪?并不是黑白絕對(duì)分明的世界。物體有各種各樣的對(duì)比度和大小尺寸,比如在黑夜、烈日、霧天或雨天,物體就會(huì)看起來(lái)有些模糊不清。對(duì)比敏感度的意義就在于能精確反映出與人類(lèi)日常生活信息相關(guān)的不同對(duì)比度之下的視覺(jué)敏感特性。

對(duì)比度定義為明、暗光柵的相對(duì)亮度比:

(1)

式中:Lmax和Lmin分別為明光柵亮度和暗光柵亮度,cd/m2。

對(duì)比度閾值是指在同一空間頻率(即1°視角所含條柵的數(shù)目)下人眼所能識(shí)別的最小對(duì)比度。而在某一空間頻率上,當(dāng)對(duì)比度降到閾值時(shí),人眼就分辨不出光柵,呈現(xiàn)一片灰色,此時(shí)對(duì)比度閾值的倒數(shù)即為對(duì)比敏感度?？梢?jiàn),對(duì)比度閾值越低,對(duì)比敏感度越高,表明人眼的視覺(jué)系統(tǒng)越敏感。

對(duì)比敏感度函數(shù)(CSF)是在不同空間頻率下對(duì)比敏感度的反映,旨在判定人眼分辨邊界模糊物體的能力,CSF曲線橫軸代表空間頻率,周/(°)(cycle per degree,CPD),縱軸代表對(duì)比敏感度。正常人的CSF曲線呈倒“U”形,即在中頻區(qū)高,低頻區(qū)和高頻區(qū)低,表明視覺(jué)系統(tǒng)觀看粗和細(xì)條紋輪廓困難,而觀看中等條紋的輪廓較容易。因此,CSF能較完整地反映人眼的視覺(jué)功能。

3 測(cè)量方法研究

目前,對(duì)人眼CSF視覺(jué)特性的研究多基于CRT或LCD,此種方法雖然簡(jiǎn)便易行,但由于受到顯示器性能的限制,以及產(chǎn)生目標(biāo)的機(jī)理和環(huán)境條件與人眼在自然光狀態(tài)下觀察事物的情景有很大差別,導(dǎo)致得到的視覺(jué)模型并不能很好地匹配和模擬人眼實(shí)際的視覺(jué)功能,制約了視覺(jué)研究及眼科臨床應(yīng)用。利用光學(xué)方法產(chǎn)生CSF測(cè)試目標(biāo),產(chǎn)生目標(biāo)的機(jī)理和環(huán)境條件與人眼在自然光狀態(tài)下觀察事物的情景更為接近,可以較好地模擬人眼的實(shí)際視覺(jué)狀況。

根據(jù)對(duì)比度及對(duì)比敏感度函數(shù)的定義,結(jié)合眼科臨床CSF測(cè)試要求,經(jīng)過(guò)前期理論和仿真計(jì)算,采用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)人眼CSF測(cè)量方案如圖1所示。

圖1 測(cè)量方案

整個(gè)對(duì)比敏感度函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由光源系統(tǒng)、調(diào)光器、混色系統(tǒng)、目標(biāo)發(fā)生系統(tǒng)、圖像采集測(cè)試分析系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)6部分組成。其中:光源系統(tǒng)包括外置鹵鎢燈、內(nèi)置鹵鎢燈、8″小積分球和電控柜,光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)小積分球均勻反射后,在小積分球出口面形成均勻面光源。調(diào)光器位于小積分球和混色系統(tǒng)之間,由三角支架和三塊黑色擋光板組成,三角支架將圓形通道分成三個(gè)相同的120°扇形光通道,擋光板可沿扇形通道徑向移動(dòng),通過(guò)改變通光面積來(lái)實(shí)現(xiàn)光通量的改變,如圖2所示。

圖2 調(diào)光器工作示意

混色系統(tǒng)由2個(gè)12″大積分球組成,用于均勻混合經(jīng)過(guò)調(diào)光器后的透射光。由光源系統(tǒng)、調(diào)光器和混色系統(tǒng)構(gòu)成的光源發(fā)生系統(tǒng),實(shí)物如圖3所示,通過(guò)2路積分球和調(diào)光器的分別作用,在2個(gè)大積分球出口處將產(chǎn)生具有不同亮度的均勻面光源。

圖3 光源發(fā)生系統(tǒng)

目標(biāo)發(fā)生系統(tǒng)由分光棱鏡、對(duì)比度分劃板和目視觀察光路組成,分光棱鏡的2個(gè)工作面分別對(duì)著大積分球的2個(gè)出射口,將一路大積分球出射的前景目標(biāo)與另一路大積分球出射的背景目標(biāo)疊加在一起,產(chǎn)生具有不同對(duì)比度的觀察目標(biāo),如圖4所示。圖像采集測(cè)試分析系統(tǒng)主要用于對(duì)生成的對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行采集測(cè)試,保證背景亮度、條紋對(duì)比度以及空間頻率等參數(shù)準(zhǔn)確并有效溯源。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要通過(guò)內(nèi)置的光譜儀、亮度計(jì)等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)電控機(jī)構(gòu)對(duì)各部件進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,以提供滿(mǎn)足要求的各類(lèi)對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)。

圖4 目標(biāo)生成原理

整套系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了調(diào)試和測(cè)量的自動(dòng)化操作,覆蓋人眼低頻、中頻和高頻CSF測(cè)量?？臻g頻率包括0.8,1.5,2.0,3.0,4.5,6.0,12.0，18.0， 周/(°),每種空間頻率分別對(duì)應(yīng)9種對(duì)比敏感度值,模擬白天和夜晚場(chǎng)景,共可提供144種測(cè)試目標(biāo),對(duì)比敏感度設(shè)計(jì)值如表1所示,其中一種空間頻率下不同對(duì)比度的測(cè)試目標(biāo)如圖5所示。

表1 測(cè)試目標(biāo)對(duì)比敏感度設(shè)計(jì)值

圖5 某一空間頻率下不同對(duì)比度的測(cè)試目標(biāo)示例

4 實(shí)驗(yàn)和分析

4.1 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

為保證系統(tǒng)提供的對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)準(zhǔn)確、可靠,整套系統(tǒng)搭建和調(diào)試完成后,利用經(jīng)過(guò)計(jì)量檢定的分光亮度計(jì)和彩色亮度計(jì)等計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)各對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量,包括背景亮度、明條紋亮度、暗條紋亮度以及對(duì)比度測(cè)量重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性等。經(jīng)測(cè)試,在白天和夜晚背景下不同對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)的背景亮度示值誤差均滿(mǎn)足±5%。對(duì)比度測(cè)量重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 對(duì)比度重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 對(duì)比度復(fù)現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)比度測(cè)量重復(fù)性是指在短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)的明條紋和暗條紋進(jìn)行多次測(cè)量,代入式(1)所得到的多次對(duì)比度測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差作為測(cè)量重復(fù)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,對(duì)比度測(cè)量重復(fù)性最大不超過(guò)0.001,滿(mǎn)足人眼CSF測(cè)量要求。

對(duì)比度測(cè)量復(fù)現(xiàn)性是指在不同的時(shí)間段內(nèi)對(duì)同一對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,取不同時(shí)間段的多次對(duì)比度測(cè)量結(jié)果的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差作為復(fù)現(xiàn)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,對(duì)比度測(cè)量復(fù)現(xiàn)性最大不超過(guò)0.004,滿(mǎn)足人眼CSF在不同時(shí)間段的測(cè)量精度要求。

4.2 人眼CSF特性測(cè)量

利用搭建的人眼CSF測(cè)量系統(tǒng),采用交叉階梯法進(jìn)行心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn),開(kāi)展人眼CSF的特性測(cè)量。交叉階梯法的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是在測(cè)量過(guò)程中融合了上升和下降極限法,測(cè)試目標(biāo)的對(duì)比度按一定級(jí)別逐漸增加或減少。如果受試者能看清初始目標(biāo),則將對(duì)比度減少一個(gè)級(jí)別,再讓受試者進(jìn)行觀察判斷,持續(xù)降低對(duì)比度,直到受試者看不清測(cè)試目標(biāo)。此時(shí)再反向增加對(duì)比度一個(gè)級(jí)別,讓受試者進(jìn)行觀察判斷,然后持續(xù)增加對(duì)比度,直到受試者能看清測(cè)試目標(biāo)。對(duì)比度閾值即為所有拐點(diǎn)處對(duì)比度的平均值,而對(duì)比敏感度即為對(duì)比度閾值的倒數(shù)。利用搭建的人眼對(duì)比敏感度函數(shù)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng),對(duì)不同受試者進(jìn)行了CSF測(cè)量。表4給出了其中一位受試者在白天場(chǎng)景(85 cd/m2)下雙眼觀測(cè)遠(yuǎn)視目標(biāo)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

表4 人眼CSF測(cè)試數(shù)據(jù)

CSF特性數(shù)據(jù)能較完整地反映人眼在高、中、低頻區(qū)的視覺(jué)功能。在醫(yī)學(xué)臨床上,低頻區(qū)主要是反映視覺(jué)對(duì)比度情況,高頻區(qū)主要是反映視敏度情況,而中頻區(qū)反映的則是視覺(jué)對(duì)比度和中心視力的綜合情況。從所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,該受試者對(duì)比敏感度值在中頻區(qū)較高,在低頻區(qū)和高頻區(qū)較低,符合視覺(jué)系統(tǒng)觀看粗條紋和細(xì)條紋輪廓困難,而觀看中等條紋輪廓較容易的規(guī)律。特別是高頻區(qū)對(duì)比敏感度值偏低,說(shuō)明該受試者存在一定的屈光不正。臨床醫(yī)生根據(jù)受試者在高、中、低頻區(qū)的CSF數(shù)據(jù)走勢(shì),可以客觀地評(píng)價(jià)人眼的視覺(jué)功能及視覺(jué)系統(tǒng)疾病。

5 結(jié) 論

對(duì)比敏感度是視覺(jué)系統(tǒng)在明亮對(duì)比變化下對(duì)不同空間頻率正弦光柵的識(shí)別能力,是用于定量評(píng)價(jià)視覺(jué)功能的重要指標(biāo)。本文從對(duì)比度和對(duì)比敏感度函數(shù)的定義出發(fā),提出了一種基于積分球和特制調(diào)光器產(chǎn)生人眼CSF測(cè)試目標(biāo)的方法,其目標(biāo)生成機(jī)理和環(huán)境條件與人眼在自然光狀態(tài)下觀察事物的情景更為接近,可以較好地模擬人眼的實(shí)際視覺(jué)效果。整套系統(tǒng)對(duì)比度調(diào)節(jié)范圍大,各項(xiàng)輸出參數(shù)均可有效溯源,對(duì)比度測(cè)試目標(biāo)滿(mǎn)足人眼CSF測(cè)量精度要求。今后將在此套對(duì)比敏感度函數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開(kāi)展大樣本人眼CSF特性測(cè)量,擬合人眼視覺(jué)傳遞模型,同時(shí)探索開(kāi)展人眼彩色對(duì)比敏感度函數(shù)測(cè)量研究,為眼科臨床、圖像技術(shù)和光學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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