............................................................
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ МОНИТОРА:
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ
(компиляция)
............................................................
(с) Tertius Gaudens
1 Зрение
1.1 Психофизиологические характеристики
Принято считать, что около 90% информации человек получает
при помощи зрительного аппарата. И, прежде, чем перейти к этим
самым "общим принципам", следует рассмотреть его неко- торые
особенности. При этом следует учесть, что все нижепри-
веденные, взятые из различных источников, данные, получены
экспериментально (поэтому не могут считаться точными), при-
чем, прежде всего, применительно к ТВ изображению.
Восприятие разделяют на такие этапы:
- обнаружение;
- различение;
- опознание;
- декодирование (интерпретация).
Этот процесс характеризуют следующие понятия.
Предметность - яркость, цвет, величина, форма изображения
воспринимаются, как отнесенные к некому предмету.
Целостность - изображение воспринимается в ЦЕЛОМ (т.е. не-
возможно сделать оптимальным какой-либо его ОТДЕЛЬНЫЙ пара-
метр).
Структурность - предмет воспринимается как структура, со-
вокупность составных частей. Основную информацию об объекте
несет контур и "критческие точки" контура, в которых проис-
ходит резкое изменение направления линий. Контуры, образо-
ванные прямыми линиями, распознаются быстрее, чем криволи-
нейные.
Константность - предмет воспринимается независимо от усло-
вий его наблюдения (например, кусок угля на солнце блестит
куда сильнее, чем лист белой бумуги, однако мы их не пута- ем).
Селективность - изображение воспринимается, как объект и
фон. Объект выделяется, исходя из из его цвета, формы, раз-
мера, размещения, а также - исходя из собственного опыта. Если
показатели объекта и фона близки (прежде всего - по размеру и
конфигурации), то значение субъективного фактора резко
возрастает. Известен хрестоматийный пример: в случае, когда
изображение и фон имеют одинаковую площадь, поперемен- но
воспринимается как фон/изображение то одно, то другое.
┌────────────────┐
│ /│
│ / │
│ / │
│ > < │
│ / │
│ / │
│/ │
└────────────────┘
Аперцепция - восприятие исходя из собственного опыта.
(Объект, незначительно отличающийся от предыдущего, воспри-
нимается именно как предыдущий)
Адаптация - скорость реакции глаза на изображение и его
изменение. Она зависит от уровня яркости изображения, его
фона, окружающей среды, т.е. освещенности изображения. Глаз
адаптируется к изменению яркости при дневном свете за нес-
колько секунд, в темноте - за минуты.
Интересен эффект "локальной адаптации": цветоразличитель-
ная способность глаза снижается при ДЛИТЕЛЬНОМ рассматрива-
нии цветных деталей. В то же время чувствительность глаза
повышается, если фон имеет цветнность и яркость, близкую к
цветности рассматриваемых деталей. (Посмотрите на 3 соседние
цветные строки текста: не покажется ли вам на какое-то мгно-
вение, что средняя строка имеет несколько другие цвет и яр-
кость?)
1.2 Поле зрения
Общее поле зрения одного глаза составляет 140...160 град.,
двух - больше 200 град.
Поле зрения состоит из:
- центрального в 4 град.;
- ясного в 30...35 град. (распознавание без различения
мелких деталей);
- периферического в 75...90 град. (выявление без распозна-
вания).
Различие в показателях угла зрения по горизонтали и верти-
кали приводит к тому, что при перемещении наблюдаемого объ-
екта его скорость по вертикали кажется большей в 1,3 раза, чем
по горизонтали.
Минимальная угловая разрешающая способность глаза изменя-
ется от 0,5...2' в идеальных условиях до 3...10' в условиях
дефицита времени и прочих неблагоприятных факторов.
1.3 Способность к сканированию
Недостаточная острота периферического зрения компенсирует-
ся подвижностью глаза - поисковой (выявление) и гностической
(различение деталей и распознавание).
Процесс визуального поиска, выявления и распозавания изоб-
ражения в пределах угла зрения состоит в сканировании глаза-
ми определенных точек фиксации. Длительность поиска зависит от
угловых размеров объекта и поля поиска. Считается, что:
- максимум точек фиксации сосредоточен в центральной и
правой нижней части экрана, а минимум - в левой нижней час-
ти;
- средее угловое расстояние между точками фиксации состав-
ляет 8,6 град.;
- с увеличением угла зрения время фиксации уменьшается,
расстояние между точками фиксации увеличивается, а эффектив-
ность поиска резко уменьшается, т.к. увеличивается количест- во
точек фиксации за пределами экрана.
- поиск происходит в направлении "слева-направо, свер-
ху-вниз".
1.4 Восприятие яркости
Глаз человека воспринимает следующие диапазоны яркости
(кандел/кв.м):
-6 -4
- 3*10 ... 10 - ночной;
-4
- 10 ... 3 - сумеречный;
4
- 3... 3*10 - дневной.
Количество градаций яркости, воспринимаемых глазом, сос-
тавляет q = 90...200. Отсюда количество разрядов квантования
видеосигнала должно составлять
m = log q > 7
2
1.5 Восприятие цвета
Цветность относительно спектральной чувствительности глаза
определяет комфортность и разрешающую способность восприя-
тия. Считается, что глаз человека способен воспринимать 3...17
тыс. цветов, а с учетом яркости - 3...10 млн.
Ho если речь идет не о "эстетическом восприятии", а об
идентификации, то количество этих градаций резко уменьшает-
ся. Например, при монохромном воспроизведении идентифициру- ются
лишь 5...8 полутонов. С применением раскраски (т.н.
"псевдоцветового кодирования") изображения его информатив- ность
резко повышается. Соответственно повышаются точность и
оперативность его восприятия.
В то же время при чрезмерной "раскраске" изображение при-
обретает весьма сложную цветовую структуру, однозначность
интерпретации которой ухудшается. Кроме того, нарушению це-
лостности изображения способствует нарушение принципа монох-
ромности, яркости и непрерывности в 3-мерном цветовом прос-
танстве.
Поэтому в случае, если раскраска применяется для удобства
работы оператора, количество ее градаций должно быть мини-
мально необходимым. Найболее эффективным псевдоцветовое ко-
дирование считается при m 4 0< 7 04.
Цветоразрешающая способность глаза в несколько раз меньше
его яркостной разрешающей способности.
Трехкомпонентность зрения существует только при пространс-
твенной частоте df < 0,5 МГц (крупные объекты). По мере
уменьшения размера цветных деталей на изображении глаз пе-
рестает различать между собой сначала желтые и синие детали,
затем - красные и зеленые. В дальнейшем желтые и голубова-
то-зеленые цвета начинают восприниматься, как белый цвет,
синий и красный - как черный.
Резкое снижение спосбности к цветоразличению происходит при
угловом размере деталей в 15'. На таких "критических" частотах
может наблюдаться "мерцание цвета" - несколько "просвечивающих
друг сквозь друга" цветов.
Этот эффект можно использовать при имитации "удаляющегося"
объекта - степень изменения цвета может служить сигналом
удаленности.
При 0,5 < df < 1,5 Мгц воспринимаемый цвет является смесью
оранжевого и голубого. При df > 1,5 МГц (по другим источни-
кам - при df > 4 МГц) изображение воспринимается только по
яркостным градациям. Поэтому допустимо не передавать инфор-
мацию о цвете мелких деталей: в НТСЦ df цветности = 1,5 МГц, и
сигналы цветности передаются через строку. В ПАЛ df цвет-
ности + 4,44 МГц (приблизительно), и сигналы цветности пере-
даются в каждой строке.
Таким образом, по ТВ мы видим не цветное, а "раскрашенное"
изображение.
1.6 Распознаваемые цвета
Считается, что ТОЧHО идентифицируются (помимо белого и
черного) следующие цвета:
- фиолетовый;
- голубой;
- зелено-голубой;
- голубовато-зеленый;
- зеленый;
- желтый;
- оранжевый;
- оранжево-красный;
- красный.
Сопоставим эти данные с тестовой ТВ таблицей. При однораз-
рядном RGB-кодировании, дополненном трехразрядным кодом яр-
кости, на мониторе воспроизводятся 8 цветов:
─────────┬─────┬────────
Код │Цвета│Яркости
─────────┼─────┼────────
Цвет │R G B│Y2 Y1 Y0
─────────┼─────┼────────
белый │1 1 1│ 1 1 1
желтый │1 1 0│ 1 1 0
голубой │0 1 1│ 1 0 1
зеленый │0 1 0│ 1 0 0
пурпурный│1 0 1│ 0 1 1
красный │1 0 0│ 0 1 0
синий │0 1 1│ 0 0 1
черный │0 0 0│ 0 0 0
─────────┴─────┴────────
2 Изображение
2.1 Кодирование изображений
Следует различать 2 вида изображений:
- предъявляемое зрителю - то, которое должно быть макси-
мально приближенным к реальному;
- предъявляемое оператору - то, которое должно содержать
минимум идентификаионных признаков с целью максимального ус-
корения распознавания и принятия решения.
Распространенными способами кодирования изображений счита-
ются:
- знаковый и координатный (наиболее совершенные);
- цветовой и яркостной (имеют ограничения, обусловленные
субьективным фактором восприятия);
- с помощью мелькания изображения.
2.2 Формат кадра
Формат воспроизведения Ф выбирается исходя из характерис-
тик зрения и условий оптимального соотношения сканирования
глазом по горизонтали и вертикали. С учетом ограниченности
сканирования глазом по вертикали и удобства сканирования им по
горизонтали, общепринятым является соотношение Ф < 2:1. В
стандартных ТВ развертках Ф = 4:3, при этом оптимальный угол
наблюдения экрана составляет 25...30 град., что соот- ветствует
дистанции наблюдения в 4...5 высот экрана. При иных условиях
наблюдения возможны и другие значения Ф:
─────────────────────┬───────────────────────────────
Формат изображения │ Тип формата
────────────┬────────┤
Соотношение │Числовое│
сторон │значение│
────────────┼────────┼───────────────────────────────
5 : 4 │ 1,25 │Оптимальный экран осциллографа
4 : 3 │ 1,33 │Телевизионный
- │ 1,37 │Европейский кинематографический
1/2 │ │
2 : 1 │ 1,41 │Формат ЕСКД
│ │
5 : 3 │ 1,67 │Экран ТПЧ
- │ 1,73 │Европейский широкоформатный
16 : 9 │ 1,78 │Екран ТВЧ
- │ 1,85 │Американский широкоформатный
2 : 1 │ 2 │Оптимальный кинематографический
────────────┴────────┴───────────────────────────────
Сопоставим эти данные с форматами IBM-совместимых систем:
─────────────┬─────────┬────────────────────
Тип стандарта│Разложе- │ Формат:
│ ние │соотнош. │числ. знач.
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
EGA │ 640x350 │ 64:35 │ 1,83
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
HGC │ 720x348 │ 60:29 │ 2,01
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
VGA │ 640x400 │ 8:5 │ 1,6
│ 720x400 │ 9:5 │ 1,8
│ 640x480 │ 4:3 │ 1,33
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
SVGA │ 800x600 │ 4:3 │ 1,33
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
GDC │ 960x720 │ 4:3 │ 1,33
│1024x768 │ 4:3 │ 1,33
─────────────┼─────────┼─────────┼──────────
WYSE │1280x800 │ 8:5 │ 1,6
│1664x1200│ 104:75 │ 1,39
─────────────┴─────────┴─────────┴──────────
Отсюда видно, что Ф = 16:9 = 5,33:3 = 1,78 хорошо согласо-
вывается с европейским (1,73) и американским (1,85) кинема-
тографическими форматами, а также с развертками VGA (1,6; 1,8) и
EGA (1,83). Именно поэтому он оптимален для большого экрана ТВЧ.
2.3 Частота кадра и тип развертки
Частота сигнала, при которой он кажется непрерывным, назы-
вантся "критическая частота мельканий". Этот показатель рас-
тет по экспоненте с увеличением яркости и площади изображе- ния.
─────────┬──┬──┬──┬──
В │10│20│40│60
(кд/кв.м 1) 0│ │ │ │
1───────── 0┼ 1── 0┼ 1── 0┼ 1── 0┼ 1──
f (Гц) │20│25│30│32
─────────┴──┴──┴──┴──
Для восприятия изображения движущегося объекта достаточно
обеспечить частоту его сканирования в 20...25 кадр/с. В ки-
нематографе принята частота смены кадра 24 кадр/с.
В ТВ системах качество визуального восприятия изображения
зависит от частоты воспроизведения кадра Fв.
──────┬─────┬─────┬────┬──────┬──────┬──────
Fв(Гц)│ 17 │ 25 │ 30 │ 40 │ 50 │ 55
──────┼─────┼─────┼────┼──────┼──────┼──────
% │ 50 │ 86 │ 94 │ 98,9│ 99,5│ 99,9
──────┴─────┴─────┴────┴──────┴──────┴──────
При средней яркости экрана критическая частота мерцания
изображения Fв 4 0> 46 Гц. Такая же зависимость существует и
для сканирования изображения, однако в этом случае частота
сканирования (Fс) может быть уменьшена вдвое. В стандартных ТВ
системах реализация Fк = Fв > 46 Гц нес- колько затруднена.
Поэтому, исходя из допустимости Fв = 2Fс, в них применяется
черезстрочная развертка. Кадр раскладыва- ется на Kч 4 0полей
(Kч 4 0- коэффициеэнт черезстрочности). Пос- кольку при
увеличении Kч 4 0резко увеличиваются помехи, вызван- ные
сдвигом строк, то в ТВ системах принято K 4ч 0= 2. При этом в
четном поле растра воспроизводятся строки 2i (i = 0,1,2,...), в
нечетных - 2i + 1.
─────────────────────────── -- строка четного поля
─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ -- строка нечетного поля
───────────────────────────
─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
───────────────────────────
─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
Смещение четных и нечетных строк относительно друг друга
достигается нечетным количеством количества строк развертки Z и
разностью в полстроки между полями.
┌───────────┐
│ │
│ │
│ _ __ _ _│
│ │
│ │
│ _ _ _ _ _│
└───────────┘
При воспроизведении глаз по очереди воспринимант четные и
нечетные строки, которые, благодаря инерционности централь-
ного зрения, составляют единое изображение. Таким образом при
чересстрочной развертке кадр состоит из двух полей:
чс чс
2Fк = Fп = 2Fск = Fв,
а построчной (Kч 4 0= 1) содержит только одно поле:
пс пс
Fк 4 0= Fп = Fск 4 0= Fв
чс пс
где Fк, Fк 5 0 - частота кадра при, соответственно, че-
ресстрочной и построчной развертке;
Fп - частота поля.
Исходя из этого, в европейских ТВ системах ПАЛ и СЕКАМ
чр пр
принята Fк 5 0= 25 Гц и Fп 4 0= Fк 5 0= 50 Гц, а в
американской НТСЦ
чр
Fк 5 0 = 29,97 (приблизительно 7 030) Гц и F 4п 7 060
(приблизительно) Гц.
(Из-за этого кинофильмы по ТВ идут быстрее, чем в кино).
При воспроизведении на больших экранах и дисплеях угловой
размер и яркость изображения увеличиваются. Это приводит к
введеннию в процесс наблюдения более инерционных периферий- ных
зон глаза, и начинает наблюдаться мерцание изображения,
вызванное черезстрочностью и недостаточной для для таких уг- лов
зрения Fк. Поэтому в дисплейных системах применяется только
построчная развертка и Fк, повышенная сравнительно с ТВ. (В
высококачественных системах Fк 4 0повышена вдвое сравни-
тельно с построчной ТВ разверткой, т.е. может составлять 100 или
120 Гц).
* * *
