Основы восприятия визуальной информации

1. Дисциплина: Средства отображения информации

2.

Распределение времени и отчетности
по дисциплине «Средства
отображения информации»
СЕМЕСТР
ВИДЫ ЗАНЯТИЙ И
ФОРМЫ КОНТРОЛЯ
Нормативный срок
очная
ЛЕКЦИИ
ЛАБОРАТОРНЫЕ
РАБОТЫ
САМОСТОЯТЕДЬНАЯ
РАБОТА
ЭКЗАМЕН
16 часов
16 часов
90 часов
6 семестр

3. Раздел 1. Теоретические основы построения электронных средств отображения информации

4. Лекция №1

Тема: Основы
восприятия
визуальной
информации

5.

Тема лекции исключительно актуальна!!!
По разным данным, от 80 % до более 90 %
информации человек получает с помощью

6. Учебные вопросы

1. Изображение и его
свойства.
2. Зрительная система
человека.
3. Психофизиологические
особенности восприятия
информации оператором

7. Литература

1. Солдатов А.И.
ЭЛЕКТРОННЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ
И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ:
Учебное пособие/А.И.Солдатов. –
Томск: Изд-во ТПУ, 2008. с. 13-14.
2. Кочин, Л.Б. Методы и средства
отображения цветовой
видеоинформации / Л.Б. Кочин, Балт.
гос. техн. ун-т. – СПб., 2012. с. 6-11.

8. Информация – это совокупность каких-либо сведений, данных, передаваемых устно (в форме речи), письменно (в виде текста, таблиц,

1. Изображение и его свойства
Информация – это совокупность каких-либо сведений, данных,
передаваемых устно (в форме речи), письменно (в виде текста,
таблиц, рисунков, чертежей, схем, условных обозначений)либо
другим способом (например, с помощью звуковых или
световых сигналов, электрических и нервных импульсов т.д.).
Именно в оптическом диапазоне можно передавать,
обрабатывать и извлекать большие объемы
информации с высокой скоростью, информационная
емкость оптико-электронных запоминающих
устройств тоже весьма велика.
Визуальная информация – это оптическое изображение. С
точки зрения математики изображение представляет собой
двумерную функцию, а с точки зрения техники – двумерный
сигнал. Всякая функция, как и любой сигнал,
характеризуется областью задания (определения) и
областью значений.

9. Что такое изображение с точки зрения математики, физики и техники ?

С точки зрения математики изображение
представляет собой двумерную функцию,
с точки зрения физики изображение есть
распределение интенсивности света в
двухмерном оптическом сигнале
а с точки зрения техники – двумерный
сигнал. Всякая функция, как и любой сигнал,
характеризуется областью задания
(определения) и областью значений.
При технической реализации изображение
представляет собой распределение свойств
регистрирующей среды.

10. 1.1. Классификация изображений

Изображения можно классифицировать с учетом
различных признаков:
по характеру – на действительные и мнимые
(голограммы);
по физической природе – на натурные
(фотография реального объекта) и
зарегистрированные;
по наличию изменений – на статические и
динамические;
по количеству и составу цветов – на монохромные
и цветные;
по виду областей определения и значения – на
непрерывные и дискретизированные;
по числу градаций яркости – на полутоновые и
бинаризованные (квантованные).

11. Примеры изображений

12. 1.2. Пространственные частоты

Пространственные решетки с
одинаковым периодом:
а – бинарные;
б – полутоновые
Примеры
монохромных
изображений
периодических
структур в виде
чередующихся
горизонтальных и
вертикальных
полос с
прямоугольным
(бинарным) и
синусоидальным
(полутоновым)
распределением
яркости.

13.

Рассмотрим более общий случай монохромного
изображения, представляющего собой периодически
чередующиеся наклонные полосы, яркость которых
меняется по синусоидальному закону
Λ – пространственный
период – расстояние между
соседними максимумами
(или минимумами)
интенсивности.
Пространственной частотой
называют величину, обратную пространственному
периоду: ν = 1/Λ.
В двумерном случае задают
пространственные частоты
по осям X и Y: νx = 1/Λx, νy = 1/Λy.
Пространственные частоты необходимы при измерении
разрешающей способности, определении полосы пропускания и
быстродействия систем обработки изображений, оценке
качества воспроизведения и др.

14. Оценка качества изображений

Для аналоговых изображений в оптике чаще всего
пространственную частоту измеряют числом
линий (штрихов) на 1 мм (лин/мм).
Так, например, разрешающая способность
шестилинзового объектива Гелиос-103 в центре
составляет 55 лин/мм, а на краях в два раза хуже:
28 лин/мм.
В цифровых системах отображения рассматривают
число элементов разложения (пикселов).
Например, в цветном дисплее стандарта VESA с
размером экрана 17" и разрешением 1280х1024
пикселов общее число элементов разложения
составляет почти 4 млн.

15. 1.3. Получение, передача и обработка изображений

Получение изображения – процесс преобразования исходного
двумерного распределения интенсивности света в изменение
состояния регистрирующей среды. Полученное изображение
можно в дальнейшем сохранить, обработать или передать на
некоторое расстояние.
Обработка изображений включает в себя одно или несколько
последовательных преобразований. Различают два основных
вида обработки: первичную (улучшение качества: повышение
контраста, подчеркивание контуров, выравнивание засветки,
сглаживание помех) и вторичную (распознавание образов, а
также выдача команд исполнительным устройствам на основе
принятого решения).
Преобразованное изображение можно записать на какой-либо
носитель для долговременного хранения. При необходимости
сохраненное изображение извлекают, в некоторых случаях
дополнительно обрабатывают и восстанавливают
(воспроизводят) с помощью устройств отображения.

16. 1.4 Воспроизведение изображений

Принято различать три уровня точности воспроизведения
изображения:
1. При физически точном воспроизведении все параметры
каждой точки исходного и полученного изображений
(амплитуда, фаза, спектральный состав, поляризация)
полностью совпадают.
2. Физиологически точное воспроизведение подразумевает
отличие параметров исходного и воспроизведенного
изображений, но при этом наблюдатель разницы
практически не ощущает.
3. При психологически точном воспроизведении исходный
объект и его отображение существенно различаются, но по
общему восприятию для наблюдателя являются схожими.

17. 2. Зрительная система человека

2.1. Общие сведения о
зрительной системе
Изучение особенностей
зрительной системы
человека важно по двум
причинам:
1) появляется
возможность согласовать
характеристики
технических устройств и
зрительной системы;
2) некоторые принципы
устройства и
функционирования
зрительной системы
можно заимствовать при
разработке технических
систем обработки и
передачи изображений.
Зрительная система человека состоит из совокупности
воспринимающих, преобразующих и интерпретирующих
элементов.

18. Воспринимающим элементом зрительной системы является глаз

19. Глаз выполняет следующие функции:

отыскивает интересующие объекты,
фокусирует изображение объекта на
светочувствительном слое;
осуществляет фильтрацию излучения и
защищает интересующее изображение от
помех;
преобразует оптическое изображение в
последовательность нервных импульсов.

20. Как работает глаз?

Оптические элементы глаза – зрачок и хрусталик.
Защиту хрусталика от попадания посторонних
предметов обеспечивает роговица. Зрачок
представляет собой отверстие в радужной оболочке
глаза, сквозь которое проходит свет. Диаметр зрачка
изменяется в зависимости от внешней
освещенности, обеспечивая адаптацию зрения.
Фокусировку оптического изображения на
светочувствительном слое осуществляет хрусталик.
Изменение кривизны поверхности хрусталика
приводит к изменению фокусного расстояния, таким
способом достигается требуемая четкость
изображения. Светочувствительный слой – сетчатка
– представляет собой мозаику фоторецепторов.
Известны два типа фоточувствительных клеток:
палочки и колбочки. Палочки обладают значительно большей чувствительностью,обеспечивают
только ахроматическое восприятие изображения.

21. Как работает глаз? (окончание)

Принято различать три типа колбочек, каждый из
которых определяет восприятие хроматических
компонент изображения, соответствующих
различным участкам спектра. Можно говорить о
существовании трех каналов восприятия: красночувствительного, сине-чувствительного и зеленочувствительного. Существуют гипотезы,
связывающие особенности цветовосприятия с
различиями фотопигментов или светофильтров
колбочек. Фотохимические реакции в палочках и
колбочках приводят к появлению нервных
импульсов, которые далее передаются по системе
нервных волокон, образующих нейронную сеть, к
нейронам, осуществляющим нелинейное
преобразование. Окончательно эти импульсы
поступают по зрительному нерву в мозг,
осуществляющий интерпретацию поступающей
информации

22. Эквивалентная функциональная схема зрительной системы человека

23. Процесс преобразования откликов в зрительной системе

Если оптическое излучение задано
спектральной плотностью распределения
энергетической яркости B (λ), а кривые
спектральной чувствительности
соответствующих каналов зрительной
системы обозначим как r(λ), g(λ), b(λ), то в
условиях дневного зрения, эффективные
спектральные распределения
энергетических яркостей в цветовых
каналах зрительной системы будут равны:
B (λ) = r(λ)B (λ), B (λ) = g(λ)B (λ), B (λ) = b(λ)B (λ).
e
r
e
g
e
b
e

24. Процесс преобразования откликов в зрительной системе (продолжение)

Характеристики чувствительности, представленные на
функциональной схеме спектральными откликами
эквивалентных оптических фильтров, хорошо
аппроксимируются гауссовыми функциями вида:
r(λ) = r exp[–(λ–λ ) /(Δλ ) ], g(λ) = g exp[–(λ–λ ) /(Δλ ) ],
b(λ) = b exp[–(λ–λ ) /(Δλ ) ],
где λ , λ , λ – длины волн, соответствующие максимумам
m
r
m
r
g
2
b
er
2
2
eb
m
g
2
b
кривых спектральной чувствительности;
Δλ , Δλ , Δλ – интервалы длин волн, на которых
er
eg
eb
спектральная чувствительность падает в e раз по
отношению к максимуму.
2
eg
2

25. Процесс преобразования откликов в зрительной системе (окончание)

Эффективные энергетические яркости Br, Bg, Bb,
воздействующие на фоторецепторы цветовых каналов
зрительной системы, определяются интегрированием
спектральных распределений по диапазону длин волн:
Преобразование световой энергии в нервные импульсы
осуществляется по нелинейному закону, что отражено на
эквивалентной схеме в виде нелинейных элементов (НЭ).
Отклики на выходе нелинейных элементов связаны с
входными воздействиями следующими соотношениями:
На следующей стадии эти отклики преобразуются в три
ортогональных оппонентных отклика: отклик черно-белого AW,
отклик желто-синего ARG–B, отклик красно-зеленого ARB–G. По
нейронным сетям эти отклики поступают далее в мозг.

26. Основные закономерности цветовосприятия:

-три вида чувствительности при
восприятии цветного изображения;
различие по яркости, цветовому тону и
насыщенности;
-нелинейность цветовосприятия;
- наличие абсолютных (до 10 кд/м ) и
относительных ахроматических
дифференциальных световых порогов;
-существование до 130 порогов
восприятия по цветовому тону и от 5 до 20
порогов восприятия – по насыщенности.
–6
2

27. 2.2. Факторы, влияющие на свойства зрительной системы

На свойства зрительной системы влияют факторы различной
природы: физические, физиологические, психологические и
др. К физическим факторам можно отнести особенности
строения глаза конкретного наблюдателя.
Оптическая аппаратная функция глаза аппроксимируется
согласно следующему соотношению:
где θ – угол наблюдения; А – возраст в годах; p –
коэффициент пигментации: р = 0 для очень темных глаз, р =
0,5 – для карих глаз, р = 1,0 – для сине-зеленых глаз, р = 1,2
– для синих глаз.
ВЫВОД: четкость зрения уменьшается с возрастом и для
людей со светлыми глазами.

28. 10 самых удивительных фактов о зрении человека:

1. Зрительная система человека для осуществления своей деятельности
не нуждается в «посторонних» органах. То есть, для того, чтобы моргать,
не нужно махать руками.
2. Глаз человека самостоятельно себя защищает и омывает.
3. Острота зрения человеческого глаза (100%) – вполовину меньше
остроты зрения орла.
4. Совершенство зрительной системы человека во много раз превосходит
все самые современные компьютерные разработки.
5. Младенцы появляются на свет с открытыми глазами и умеют моргать.
6. Более пяти лет человек находится с закрытыми глазами за счет только
моргания. Одно моргание длиться примерно 0,005секунды.
7.Если находится в темном помещении около минуты, то острота зрения
возрастает в 10раз. А если задержаться в темном помещении на 20минут, острота зрения возрастет в 6 тысяч раз.
8. Чтобы полностью привыкнуть к темноте, человеческому глазу нужно
60-80 минут.
9. Глазное яблоко у всех людей имеет одинаковый диаметр 0,24 мм, за
исключением тех, кто страдает близорукостью и дальнозоркостью.
10. У 1% людей на планете цвет радужки обоих глаз – не одинаков.
Человеческий глаз способен воспринимать и распознавать более 130
миллионов цветов и оттенков.

29. 3. Психофизиологические особенности восприятия информации оператором

Зрение человека характеризуется
следующими основными параметрами:
· чувствительность;
· разрешающая способность;
· поле ясного зрения;
· критическая частота мелькания;
· время адаптации;
· пропускная способность оператора.

30. 3.1. Чувствительность зрения

1. Минимальная величина яркости светового пятна,
обнаруживаемого глазом на черном фоне, называется
нижним порогом чувствительности.
При изменении освещенности сетчатки световая
чувствительность глаза тоже меняется – адаптируется.
2. Средняя интегральная яркость источников света,
находящихся в поле зрения создает яркость адаптации La.
3. Минимальное приращение яркости ΔLv min, которое
различает глаз при данной яркости адаптации Lv a, называется
дифференциальным порогом чувствительности.
4. Относительное приращение яркости, различимое глазом,
называется пороговым контрастом:
Lν min
kк
Lνa
Для уверенного восприятия изображения на фоне
рекомендуется: kк = 0,6…0,95.

31. 3.2. Разрешающая способность

Разрешающая способность характеризуется минимальным
углом, при котором возможно отдельное различие двух
соседних точек. Этот угол называется порогом остроты зрения
α.
Угол зрения αэм, необходимый для надежной идентификации
элементов информационной модели, зависит от их сложности
и оценивается количеством kэ минимально различимых
дискретных элементов, на которые их можно разложить:
где
- рекомендуемое значение угла зрения;
Для синтеза букв и цифр требуется матрица 7×9 дискретных
элементов, то есть необходимо

32. 3.3. Поле ясного зрения

Поле ясного зрения человека ограничивается угловыми
размерами:
(16…20)о по горизонтали
и (12…15)о по вертикали.
В телевидении выбраны рекомендуемое расстояние до
наблюдателя l » (3…6) H и формат информационного поля
(кадра)
kф = 4/3.
Формат кадра - отношение ширины изображения b к её
высоте h. k = 4/3.

33. 3.4. Критическая частота мелькания

Критическая частота мелькания fкр – это
минимальная частота, при которой человеческий
глаз воспринимает мелькающее изображение как
непрерывное.
Чем выше яркость или больше угловые размеры,
тем выше критическая частота мелькания.
Средняя (кажущаяся) яркость мелькающего
элемента Lкаж, воспринимаемая глазом,
определяется законом Тальботта:
где L(t) – закон изменения яркости в интервале
времени свечения тела (t2 – t1);
T – период повторения мерцания элемента.

34. 3.5. Время адаптации

Время адаптации – это период времени, необходимый для
самонастройки чувствительности человеческого глаза при
резком переходе от темноты к свету и наоборот. При этом
определяют следующие временные интервалы:
· время адаптации при переходе: свет-темнота – десятки
минут;
· время адаптации при переходе: темнота-свет – единицы
минут.
Кривые
темновой
адаптации

35. 3.6. Пропускная способность оператора

Пропускная способность оператора (ПСО) оценивается
количеством информации, воспринимаемой оператором за
единицу времени.
ПСО составляет:
при распознавании букв и цифр 50…55 бит/с;
при чтении 30…40 бит/с;
при сложении двух однозначных цифр 12 бит/с.
Отрезок времени, через который происходит обновление
информации, называется периодом обновления Tобн.
Он зависит от сложности информационной модели и задач,
решаемых оператором при ее восприятии.

36.

Спасибо
за работу и внимание!
Конец урока

37. 3.5.