用显示器测量人眼视觉的亮度最小可觉差-液晶与显示

第３１卷　第２期２０１６年２月　　　　　　　液晶与显示　　　ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplays　　　　　Vol．３１　No．２　Feb．２０１６　　收稿日期:２０１５Ｇ０８Ｇ１７;修订日期:２０１５Ｇ１１Ｇ１８．　　基金项目:国家自然科学基金(No．６１１７８０５４);云南省科技厅(No．２０１１FB０４５);云南省教育厅科学研究基金(No．２０１２Y１７１)SurportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No．６１１７８０５４);NaturalScienceFoundationofYunnanProvince(No．２０１１FB０４５);ScienceFoundationofYunnanEducationDepartment(No．２０１２Y１７１)．　　∗通信联系人,EＧmail:[e-mail]文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０１６)０２Ｇ０２２２Ｇ０７用显示器测量人眼视觉的亮度最小可觉差黄小乔,石俊生∗,邰永航(云南师范大学物理与电子信息学院,云南昆明６５０５００)摘要:最小可觉差是人眼视觉重要特性之一,随着计算机显示器的普及,显示器环境下的亮度最小可觉差对图像细节有重要的应用价值.利用１０bit图像显示卡和液晶显示器方便、精确控制亮度刺激,在显示器显示亮度范围内产生２７个不同亮度背景,采样心理物理学亮度视觉匹配实验测得亮度最小可觉差.实验结果表明,在背景亮度为１１．８９~１４２．３cd/m２中等亮度下人眼最小可觉差与背景亮度的比值约为０．０１７,并遵守韦伯定律;在背景亮度为０．３８~９．３６cd/m２的弱亮度情况下,人眼最小可觉差与背景亮度的比值随亮度的增加呈单调递减趋势.在显示器上测量的中等亮度下人眼亮度最小可觉差与KoenigandBrodhun采用传统光学方法得到的实验结果基本一致.关　键　词:计算机视觉;视觉光学;韦伯定律;视觉匹配;最小可觉差;亮度中图分类号:O４３２．２　　文献标识码:A　　doi:１０．３７８８/YJYXS２０１６３１０２．０２２２MeasurementofjustnoticeabledifferenceforluminanceofhumanvisualsystemonliquidcrystaldisplayHUANGXiaoＧqiao,SHIJunＧsheng∗,TAIYongＧhang(SchoolofPhysicsandElectronicInformationTechnology,YunnanNormalUniversity,Kunming６５０５００,China)Abstract:Thejustnoticeabledifference(JND)inluminanceisoneofimportantcharacteristicsofthehumanvisualsystem(HVS)．Withthepopularityofcomputerdisplay,theJNDinluminancehasimＧportantapplicationvalueforviewingtheimagedetailsunderthecomputerdisplayenvironment．Inthispaper,generatedluminancestimuliusingliquidcrystaldisplay(LCD)with１０bitgraphiccard,theJNDfor２７backgroundluminancesweremeasuredbythepsychophysicalexperimentonluminancematching．ExperimentalresultsshowthattheratiooftheJNDandbackgroundluminanceisabout０􀆰０１７atthemoderatebackgroundluminancefrom１１􀆰８９cd/m２to１４２．３cd/m２,thatfollowstheWeＧber’slaw,andtheratiooftheJNDandbackgroundluminanceisdecreasedwithincreaseofthebackＧgroundluminanceatlowerbackgroundluminancefrom０．３８cd/m２to９．３６cd/m２．ThemeasuredreＧsultsofJNDforluminanceofhumanvisualsystemonliquidcrystaldisplayundermoderatebackＧgroundluminanceareconsistentwithKoenigandBrodhun’sresultsusingtraditionalmethod．Keywords:computervision;visualoptics;Weber’slaw;visualmatching;justnoticeabledifference;luminance１　引　　言　　人眼辨别的最小可觉差(justnoticeabledifference,JND)与背景亮度的关系对于颜色视觉匹配、人眼视觉特性(humanvisualsystem,HVS)的研究和对数字图像处理有着重要的意义[１Ｇ１０].１８３４年,德国生理学家韦伯(Weber)在系统研究触觉的差别阈限时发现对两个刺激物的辨别能力不是取决于两者差异的绝对值,而是取决于差异的相对值,用公式表示为ΔI/I＝K,其中I为原刺激量,ΔI为此时的差别阈限,K为常数,又称为韦伯比(Weberratio),即韦伯定律(Weber’slaw).１８６５年,Aubert采用“twoＧcanＧdlesＧandＧaＧshadow”方法第一次通过实验测量出人眼视觉的ΔI/I.１８８９年,KoenigandBrodhun采用穿过晶体的平面偏振光和普通光产生明暗刺激,在整个人眼可识别的亮度范围内测量了人眼视觉的ΔI/I.１９２４年,Hecht在Aubert、KoenigandBrodhun等前人工作的基础上,指出视觉上的最小可觉差与亮度的比值随着亮度的增加先减小后增大[１１].人们也对视觉感知明度与背景亮度的关系、亮度可见度阈值等方面进行了相关研究[１２Ｇ１６].２００６年,汪哲弘等在显示器上研究颜色视觉匹配中的明度阈值时表明,视觉辨别明度阈值与背景明度之间相关性满足韦伯定律[１].亮度最小可觉差是人眼视觉重要特性之一,随着计算机显示器的普及,显示器环境下的亮度最小可觉差对研究各种图像处理算法、图像识别与理解有重要的应用价值.同时,用显示器代替早期光学设施测量人眼视觉特性,还可以降低难度和成本.本文利用１０bit图像显示卡和液晶显示器方便、精确控制亮度刺激,在显示器显示亮度范围内产生不同亮度背景,采样心理物理学亮度视觉匹配实验测得亮度最小可觉差,目的是得到在显示器环境下亮度最小可觉差,并与早期利用光学设施测量结果进行比较.２　实验方案２．１　实验设备液晶显示器:三星S２３A５５０H,实验设置在频率６０Hz,分辨率１９２０pixels×１０８０pixels.使用XＧRite公司的EYEONE(i１)对显示器进行简单的校正处理.实际测量色温为６３２９~６６０５K(灰度值在３０~２５０范围内变化),显示器具有较好的色温一致性.显示卡:MatroxP６５０,显存数字化位数RGB三通道分别为１０bit.屏幕亮度计(photometer):北京师范大学光电仪器厂生产的ST２８６LA型屏幕亮度计,测量范围(０．０１~１９．９９×１０３)cd/m２.显示器开机后需要预热２h,让其稳定.２．２　实验样本和实验条件实验中,亮度刺激来自液晶显示器上产生的中性色块,如图１所示.显示器中央显示一个大小为１４cm×１４cm、亮度为L、视角为８°×８°的背景色块,背景色块的中央显示一个大小为７cm×７cm、亮度为L＋ΔL、视角为４°×４°的中性色块.大色块外的其他显示区域均为黑色.照明环境:墙壁为灰色的标准暗室,整个房间只有显示器屏幕产生亮度刺激.测试者到显示器距离:１m.图１　视觉匹配实验中的测试刺激图样Fig．１　Teststimulusarrangementusedinvisualmatchingexperiment３２２第２期　　　　　黄小乔,等:用显示器测量人眼视觉的亮度最小可觉差测试者:男１２名,女５名,年龄在１８~２５岁之间(其中研究生６名,本科生１１名);视力正常或经过校正都在１．２以上.２．３　亮度的精确控制设置实验图案背景灰度RGB值分别为０、５、１０、２０、３０、􀆺、２５０,共２７个灰度亮度,利用屏幕亮度计测出这２７个灰度所对应的亮度值.在测量过程中,固定屏幕亮度计的位置,以减小测量误差.２７组数据拟合出的灰度值———亮度值曲线(灰阶曲线,tonereproductioncurve,TRC)近似于一个gamma函数.由于测量灰度值的间隔较小,可采用线性插值的方法求出该显示器不同的RGB值所对应的亮度值.人眼亮度最小可觉差是指人眼主观上刚刚可辨别亮度差别所需的最小亮度差值,其测量过程是一个心理物理学实验过程,其准确度受到多种因素影响,如显示器性能、测量仪器精度、实验环境、实验方法、测试者等.由于所有的亮度刺激都来自于显示器,所以一个最基本的条件是,显示器显示的亮度最小等级要在人眼最小可觉差以下.一般计算机采用的三通道分别为８bit图像显示卡,则其RGB值的最小间隔为Δ＝１,精度不能满足实验的要求.本实验中采用三通道分别为１０bit显示卡,使得原来RGB值间隔１的中间还可以显示３个值,即RGB最小间隔Δ＝０．２５.具体如图２所示,在RGB值为１００与１０１之间还可以显示１００．２５、１００．５０和１００．７５的３个值.(为了显示的习惯,１０bit显卡对应的RGB数据仍用０~２５５表示.)图２　１０bit显示卡所能达到的亮度最小可觉差方案Fig．２　Schemetogenerateluminancestimuliwiththe１０bitgraphiccard由于RGB最小间隔由１变为了０．２５,导致亮度等级变小,精度得到了提高,满足实验要求.RGB＋ΔRGB为１００．２５、１００．５０和１００．７５所对应的亮度值由实际测量的１００．００和１０２．００的亮度采用线性插值的方法得到.本实验中１００．００和１００．２５所对应的亮度值分别为２２．６cd/m２和２２．７cd/m２,则它们之间的差值ΔL＝０．１０cd/m２,在亮度约为２２．６cd/m２的情况下,显示器能显示的最小亮度差为０．１０cd/m２,人眼不能觉察到二者的差异.后面的实验结果将证实,１０bit显卡所能显示的各个亮度值的最小亮度差均小于人眼最小可觉差.２．４　实验过程实验前,先制作如图１所示的实验样本.图１中RGB分别取０、５、１０、２０、３０、４０、􀆺、２５０共２７个数,对应２７个亮度等级.每一个亮度分别按照图２中的方案制作一组含８幅图像的实验样本,编号１到８的实验样本的ΔRGB依次增加０．２５.实验开始前,先对液晶显示器进行２h左右的预热.之后,测试者首先在全黑屏情况下经过３min的暗适应,然后液晶显示器上出现如图１所示的亮度刺激图样并进入１min的亮适应过程.完成色适应后正式开始亮度视觉匹配.亮度视觉匹配采用心理物理学测定阈限的方法———极限法.测量某一亮度的可见度阈值时,实验人员在显示器上按照编号从小到大的顺序依次显示实验样本(逐渐增大ΔRGB),测试者刚好能看见图１所示的中央色块时,实验人员记录下样本编号;然后实验人员按照从大到小的顺序显示实验样本,测试者刚好看不见样本中央的色块,记录样本编号.所得到的数据相当于一次阈上值和一次阈下值,取两次数据的平均值为该背景亮度下人眼最小可觉差.为了避免测试者“主观上去找图片”,每一个样本的测试时间约为１s,即要求测试者在第一时间内做出判断.一次