Инерция зрения

Инерция зрения есть его способность некоторое время сохранять результат светового воздействия на глаз и, таким образом, накапливать результаты таких воздействий за некоторое время Θ. Инерция способствует устойчивости зрительного ощущения и, в сущности, обеспечивает саму возможность осмысления зрительных впечатлений. В явном виде она проявляется во всех случаях наблюдения нестационарных световых процессов, а в более или менее скрытом виде – всегда.

Детальному рассмотрению инерции глаза посвящена книга А.В.Луизова [29], а также более поздние работы [2, 6].

Временем инерции Θ можно считать некоторый условный промежуток времени, в течение которого длилось бы зрительное впечатление, если бы оно некоторое время сохраняло свое максимальное значение, а затем исчезало бы мгновенно. Определение времени инерции осложняется тем, что зрительное ощущение затухает постепенно, как некоторая функция времени A (t), где t – время, прошедшее с момента прекращения воздействия света.

Моменту t = 0 соответствует A (t) = 1, a t = ∞ соответствует A (t) = 0. Отсюда

.

(26)

Более подробный вывод этой и далее приведенных формул, а также описание экспериментов по определению соответствующих величин приведены в работе [29]. Время инерции Θ(с), зависит в основном от яркости фона L (кд/м²), и может быть определено по приближенной формуле:

(27)

При воздействии на глаз изменяющейся во времени яркости L (t) ощущение яркости L _э(t) в каждый момент t не пропорционально L (t). L _э(t) зависит не только от яркости, действующей в данный момент t, но и от тех значений яркости, которые соответствуют более ранним моментам времени.

Мы не умеем измерять ощущение яркости. Однако условимся считать, что если на данное место сетчатки длительное время действует постоянная яркость L, ощущение яркости равно этой яркости. При нестационарном процессе ощущения яркости будем называть эффективной яркостью L _э. Введение понятия эффективной яркости помогает решать ряд практических вопросов. Пусть, например, на фоне, яркость которого L _ф, на короткое время t появится пятно с яркостью L. Контраст пятна с фоном в течение времени τ будет

,

Но поскольку τ мало, эффективная яркость пятна L _э не достигает L, и мы воспринимаем не истинный контраст К, а меньшую величину, которую можно назвать эффективным контрастом:

,

Экспериментально установлено, что для восприятия яркостей и контрастов функция затухания выражается экспонентой A (t) = ехр(- t /Θ). Если в течение времени τ яркость пятна постоянна и равна L, то эффективный контраст может быть найден по формуле:

(28)

Если t ≤ Θ, то

.

Здесь и далее символом t обозначается текущее время, символом τ – конечный интервал времени (время вспышки, время экспозиции).

Соотношение между блеском источника Е и его эффективным блеском Е _э можно установить аналогично, если источник светит только короткое время τ. Еще в начале столетия Блондель и Рей установили, что на темном фоне произведение порогового блеска вспышки Е _в на длительность τ проблеска маячного огня линейно зависит от его длительности [см. формулу (14)].

В работе Волкова В.В. и других авторов [2] показано, что для случая восприятия блеска функция затухания имеет вид:

(29)

Следует сказать, что при равных значениях Θ обе функции затухания не очень отличаются друг от друга.

На основании работ Блонделя и Рея, их теоретического анализа и ряда экспериментов удалось ввести новую величину – эффективный блеск Е _э;

(30)

Если в течение всего времени τ блеск проблеска остается постоянным и равным Е, то Е _э = Еτ /(τ + Θ). В данном случае, когда τ ≤ Θ, Е _э = (τ/Θ) Е. Зная значение порогового блеска Е _п при данной яркости фона L _ф можно сравнить Е _э с Е _п. Если Е _э > Е _п, то проблеск будет виден.

Зрительная инерция проявляется при восприятии периодически мелькающих или мигающих источников света. При высокой частоте мелькания глаз воспринимает мелькающий свет как постоянный. Наименьшая частота υ_кр, при которой глаз перестает различать мелькания, называется критической частотой слияния мельканий. Эта величина зависит от яркости адаптации, размера поля зрения, глубины модуляции мелькающей яркости, отношения длительности t одной вспышки к периоду мелькания Т и т.д. По закону Тальбота субъективно воспринимаемая яркость L _c, если яркость L _в (истинная яркость вспышки) сменяется полной темнотой, равна:

(31)

Для яркостей L _o проблесковых источников, не превышающих 10³ кд/м², если длительность проблеска занимает половину периода мелькания, для определения критической частоты можно воспользоваться формулой [4]:

(32)

Значение υ_кр сильно зависит от глубины модуляции яркости, т.е. от отношения разности между максимальным и минимальным значениями яркости к средней яркости и от закона изменения яркости со временем – от формы кривой, описывающей модуляцию.

При уменьшении глубины модуляции значение υ_кр значительно уменьшается.

Пропускная способность зрительной системы. Инерцию зрения необходимо учитывать и при расчете информационной пропускной способности зрительной системы. Посредством зрительной системы человек получает информацию об окружающем мире. Принципы работы зрительного анализатора имеют много общего с инженерными системами связи. Это позволяет применить к зрительному аппарату человека информационные критерии оценки, принятые в теории связи, такие как объем сообщений и пропускная способность зрительной системы.

Пропускной способностью канала связи называется максимальное количество информации, которое может быть передано им в единицу времени. Эта величина измеряется в битах в секунду.

В процессе зрения создаваемое на сетчатке оптической системой глаза изображение преобразуется сенсорными клетками в нервные импульсы, которые по нервным волокнам передаются в кору головного мозга, где происходит дальнейшее преобразование полученных сигналов в образы окружающего мира. Следовательно, зрительную систему можно рассматривать как совокупность нескольких каналов передачи информации, каждый из которых характеризуется своей пропускной способностью, причем наименьшее из этих значений определит пропускную способность системы в целом.

Анализируя данные по остроте зрения в центральной части сетчатки и на периферии в работе [2] оценивается пропускная способность периферического отдела зрительного аппарата, включающего сетчатку и передающие зрительные волокна, значением 4,42·10⁷ бит/с.

По скорости чтения можно оценить пропускную способность корковых отделов зрительной системы, в которых происходит опознание изображений; она составляет примерно 20 – 70 бит/с.

Таким образом, объем информации, передаваемой периферическими отделами зрительной системы, обладает большой избыточностью, что повышает надежность передачи, уменьшая вероятность получения ошибочной информации.