測量長期光輻射下人眼對比度敏感函數(shù)及模型

張治亞，蔡錦達

(上海理工大學 出版印刷與藝術設計學院，上海 200093)

文獻［1］采用顯示器測量人眼的對比敏感度函數(shù)，文獻［2 ～3］研究了人眼對比敏感度視覺特性及模型、周圍環(huán)境對對比敏感度的影響，文獻［4］中Jens Buhren 等測量了不同亮度條件下人眼的對比敏感度，文獻［5］中I Arranz等研究了不同光譜功率分布對人眼對比敏感度的影響，但以上文獻研究得出的結論在視覺異常時不具有實際意義。根據(jù)調(diào)研，亮度對CS 的影響最大［6］，年齡影響不大［6－11］，性別［7］，眼別［7］，主導眼［7］三者對CS 的影響均較小。對于長時間受高亮度的電腦顯示屏和手機顯示屏光輻射的人群［8］，眼睛基本均處于異常狀態(tài)，研究異常狀態(tài)下的CSF 具有實際意義。

基于目前的研究現(xiàn)狀，使用顯示器來測試人眼的CSF 是應用最多的［1］，但屏幕光與周圍環(huán)境光的光譜功率分布都會影響人眼CS 值［5］，在用顯示屏測試得到不同環(huán)境光下的人眼CS 值后，為了得到單一光譜功率分布影響下，沒有屏幕光只有環(huán)境光時人眼CS 的變化，實驗把暗室環(huán)境下測試出的CS 值與有環(huán)境光時測試得到CS 值對比，即得到單一光譜功率分布下CS 值的變化情況。

文中根據(jù)實驗結果得出的結論和計算出的異常視覺CSF 模型，對于正在進行CSF 研究的行業(yè)內(nèi)學者，對現(xiàn)代社會視網(wǎng)膜病變患者的視覺研究［9］。

1 實驗參數(shù)設計及儀器

光柵形狀:由于任何一種圖像均可分解為許多不同空間頻率的正弦波光柵，即人眼看物體的實質為許多不同空間頻率的正弦波在視網(wǎng)膜上疊加后形成圖像，且視覺異常下人眼看物體都是模糊的，正弦光柵更接近視覺異常下人眼的視物特性，因此實驗選擇正弦光柵。

空間頻率:通過實驗觀察在Matlab 中生成的大量不同空間頻率的正弦光柵后發(fā)現(xiàn)，當空間頻率超過18 cpd時，會發(fā)生光柵條紋的的視覺疊加現(xiàn)象，明亮條紋的分布就會很不均勻，對人眼造成視覺上的誤差，不具有研究價值。因此本實驗的空間頻率選擇為1.5，3，6，12，18 cpd。

光譜功率分布:日常人眼所接觸到的光譜功率分布包括日光，燈光，顯示屏，日光和顯示屏，燈光和顯示屏，共5 大類型。本文討論通常亮度下的光譜功率分布，包括日光，燈光，LCD 顯示屏，日光和LCD 顯示屏，燈光和LCD 顯示屏5 種光譜功率分布情況。

實驗樣本數(shù)量:9 人(7 男，2 女)，視力矯正后均在1.0 及以上，實驗者均是在看電腦6 個小時以上后做的實驗，滿足視覺異常的條件。

顯示器校正:白點色溫6 500 K，γ 值2.2，標準白三刺激值X=95.04，Y=100，Z=108.92。

光柵背景及實驗室背景:50%標準灰。

LCD 顯示器:Eizo FlexScan S1932。

顯示器校正設備:EyeonePro 分光光度儀。

實驗室照度測量設備:KonicaMinolta CL－200A。

亮度調(diào)節(jié)設備:模擬不同環(huán)境的可控亮度的燈箱。

2 實驗方法

Weber 對比度定義為

正弦光柵的計算公式為

基于以上公式在Matlab 中編程得到了正弦光柵，為得到實驗需要的一定空間頻率和對比度的正弦光柵，計算出正弦光柵數(shù)學公式

其中，C 為光柵對比度，f 為空間頻率，j 為控制光柵條紋像素位置。

如圖1 為設計的部分正弦光柵展示圖，從上到下光柵空間頻率依次為1.5，3，6，12 cpd 逐漸增加，從左往右光柵對比度逐漸降低。

圖1 正弦光柵展示圖

人類視覺對比度閾值是0.003［5］，實驗將對比度的調(diào)節(jié)范圍設為0.003 ～1.0，由于在0.1 ～1.0 范圍內(nèi)，對比度很大，人眼看得較清楚，因此步長較大為0.1，在0.1 ～0.01 范圍內(nèi)，以0.01 為步長，在0.01 ～0.001 范圍內(nèi)，以0.001 為步長，從而在Matlab 中設計不同對比度的正弦光柵。

若將所有空間頻率對應的所有不同對比度光柵都設計出來，則光柵數(shù)量太大使實驗過于繁瑣，因此設計完之后用人眼觀察這些光柵，在確定的視角內(nèi)，將對比度區(qū)別不明顯的光柵去除。選擇20 種對比度，在5 種不同空間頻率下實驗。讓實驗者在不同外界亮度下觀察LCD 顯示屏上不同對比度和空間頻率的正弦光柵，測出人眼的CS 值。

3 實驗結果

由圖2 所示的3 種光譜功率分布下的視覺異常CSF 曲線與正常視覺下的CSF 曲線進行比較，可明顯看出視覺異常時的CSF 值在整個空間頻率范圍內(nèi)均大幅度下降，但明顯可看出不同頻率區(qū)域下降幅度不同，中頻區(qū)下降幅度最大，低頻和高頻區(qū)下降幅度相對較小。同時可看出人眼相對最敏感空間頻率發(fā)生轉移，由6 cpd 變?yōu)?2 cpd，顯著增加。

圖2 不同光譜功率分布人眼異常CSF 與正常CSF 對比

從圖3 ～圖5 可看出，在3 種不同光譜功率分布下，在低空間頻率區(qū)間時，視異常時n1～n99 位實驗者的人眼對比度敏感值均不相同，且具有較強的波動統(tǒng)計特性，方差較大，即不同人眼的對比度差異較大;在高空間頻率區(qū)間時，不同人眼的對比度敏感值基本保持一致，人眼差異性較小，即不同人眼的視敏度差異相對較小。

圖3 不同人在節(jié)能燈和顯示屏光譜功率分布下的異常CSF 曲線

圖4 不同人在日光和顯示屏光譜功率分布下的異常CSF 曲線

圖5 不同人在暗室(顯示屏)光譜功率分布下的異常CSF 曲線

圖6 中n1～n9分別表示9 位實驗者在節(jié)能燈和顯示屏，日光和顯示屏，暗室3 種光譜功率分布下的視異常CSF 曲線。暗室環(huán)境下只有顯示屏發(fā)出的光線，把暗室環(huán)境下(只有屏幕亮度)測試出的CSF 曲線與有環(huán)境光時測試得到CSF 曲線對比，即得到只有環(huán)境光光譜功率分布下CS 值的變化情況，可觀察不同光譜功率分布的環(huán)境光對不同人的影響程度。

圖6 n1 ～n9 實驗者分別在3 種不同光譜功率分布下的異常CSF 曲線

由n1～n9可看出，視異常下不同人眼受環(huán)境光光譜功率分布的影響不同，編號為n4～n7的實驗者在環(huán)境光光譜功率分布不同時的CSF 曲線基本一致，即光源光譜功率分布對其影響相對較小，n1～n3及n8～n9實驗者就容易受到節(jié)能燈光譜功率分布的干擾，可看出節(jié)能燈光譜功率分布下的CS 偏離顯示屏光譜功率分布下的CS 最多，但日光光譜功率分布基本不影響，曲線偏離較小，且可看出日光光譜功率分布下的人眼CS 和顯示屏光譜功率分布下的CS 基本一致。

4 視異常下的CSF 模型

根據(jù)韋伯－費希納定律［10－11］，人對外界刺激的感覺是與對應物理量的的強度的常用對數(shù)成正比的，其公式為S=KlgR。純光學調(diào)制傳遞函數(shù)MTF=(最大亮度－最小亮度)/(最大亮度+最小亮度)。CSF 實際上是總的CSF，是純光學調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 和視網(wǎng)膜神經(jīng)傳遞函數(shù)NCSF 之積［12］。

使用非線性最小二乘法推出視異常下的CSF 模型

其中模型參數(shù)如表1 所示。

表1 節(jié)能燈和顯示屏(CFL)、日光和顯示屏(DL)、暗室(DR)3 種光譜功率分布下的CSF 模型參數(shù)

如圖7 是根據(jù)上述模型在Matlab 中擬合出的3 種光譜功率分布下視覺異常CSF 曲線，圖中離散點為人眼CS 的實測數(shù)據(jù)，可看出模型的擬合度很高。

圖7 實測值與擬合曲線

5 實驗結果分析

由圖2 可知，人眼中間頻率通道最敏感，波動性比較強，在外界因素(光學輻射)的影響下變化較大。由于低空間頻率反映人眼的對比度，高空間頻率反映人眼的細節(jié)辨識能力，中空間頻率綜合反映對比度和細節(jié)分辨能力，由于中空間頻率通道CS 下降幅度較大，說明視覺異常下眼球神經(jīng)獨立通道的光學成像能力也發(fā)生了變化，此時人眼主要使用高空間頻率通道和中空間頻率通道在視網(wǎng)膜成像。人眼的最敏感空間頻率顯著增加，由約6 cpd 變?yōu)榧s12 cpd，可得出視異常下人眼對高空間頻率的物體最敏感，即對細節(jié)比較清楚的物體靈敏度相對較高，而對對比度的分辨則相對較弱。

由圖4 和圖5 可看出日光加顯示屏光譜功率分布及單獨顯示屏光譜功率分布下，中空間頻率CS 值下降到和高空間頻率基本相同，圖3 節(jié)能燈光譜功率分布下中頻CS 值，比圖4 和圖5 下降幅度更大，可得出人眼在視異常時，在節(jié)能燈環(huán)境下工作時，其光譜功率分布對人眼CS 的影響大于日光加顯示屏光譜功率分布，及單獨顯示屏光譜功率分布對人眼CS 的影響。

根據(jù)圖6 可得出對于長期處于計算機光輻射下的人群，環(huán)境光光譜功率分布對不同人的CS 影響程度是不同的，且人眼受自然光源光譜功率分布的影響程度小于人工光源，人眼CS 基本不受正常光照強度的日光光譜功率分布的影響。

6 結束語

本文實驗得出的視覺異常下的視覺特征和計算出的CSF 模型相對于正常視覺環(huán)境下研究得出的對比敏感度函數(shù)有更大的實際意義，為估計暮視飛行員眩光狀態(tài)下辨認目標的錯誤率及反應延時長度，或對在顯示器上進行圖像處理、視覺評價及其它顏色實驗等提供了參考。

［1］ 石俊生，姚軍財，于鴻飛.用顯示器測量人眼襯比度敏感函數(shù)［J］.光學學報，2007，27(4):745－748.

［2］ 姚軍財，石俊生，楊衛(wèi)平.人眼對比度敏感視覺特性及模型研究［J］.光學技術，2009，35(3):334－337.

［3］ 姚軍財，申靜，任亞杰.周圍環(huán)境對人眼對比度敏感視覺特性的影響［J］.液晶與顯示，2010，25(3):444－448.

［4］ Jens Buhren，Evdoxia Terzi，Michael Bach.Measuring contrast sensitivity under different lighting conditions:comparison of three tests［J］.Optometry and Vision Science，2006，83(5):290－298.

［5］ Arranz I，Matesanz B M，Rosa C，et al.The influence of spectral power distribution on contrast sensitivity［J］.Lighting Research and Technology，2012，44(3):364－376.

［6］ 張艷龍，李麗華，高祥璐.對比敏感度的影響因素分析［J］.眼視光學雜志，2009，11(3):221－226.

［7］ 祁媛媛，張豐菊，于芳蕾.人眼對比敏感度的相關影響因素及評價分析［J］.眼視光學雜志，2007，9(5):328－331.

［8］ 陳瀟，何書喜.光污染對人眼視覺質量的影響［J］.國際眼科雜志，2010，10(3):530－532.

［9］ Santos N A，Oliveira A B，Nogueira R M，et al.Mesopic radial frequency contrast sensitivity function for young and older adults［J］.Braz Journal Medical Biology Research，2006，39(6):791－794.

［10］Pesudovs K，Hazel C A，Doran R M L，et al.The usefulness of Vistech and FACT contrast sensitivity charts for cataract and refractive surgery outcomes research［J］.Scientific Report，2004，88(1):11－16.

［11］Fiorentini A，Porciatti V，Morrone M C，et al.Visual ageing:unspecific decline of the responses to luminance and colour［J］.Vision Research，1996，36(21):3557－566.

［12］王光霽.不同對比度視力表及其臨床應用［J］.眼視光學雜志，1999，1(1):7－8.