2.2. Яркостный контраст

Яркостный контраст K_я между двумя поверхностями определяется отношением разности яркостей ΔL этих поверхностей к большей яркости:

или

Если надо выразить яркостный контраст в процентах, то формула (2.1) аналогично (2.2) примет следующий вид:

Яркостный контраст считается:

большим при K_я, равном 0,5 и более (объект и фон резко отличаются по яркости);

средним при K_я, равном от 0,2 до 0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости);

малым при K_я меньше 0,2 (объект и фон мало отличаются по яркости).

Иногда контраст определяется как отношение абсолютной разницы яркости объекта и фона к яркости объекта независимо от того, какая яркость больше - объекта наблюдения или фона

В этом случае величина контраста лежит в пределах 0÷∞, что не позволяет оценить его как малый, средний или большой.

В условиях одновременного зрительного восприятия объектов различения на окружающем фоне, обладающих различной яркостью, при соотношении их площадей менее 1:4, а также в местах соприкосновения двух поверхностей различной яркости происходит взаимодействие яркостей поверхностей между собой. В этом случае объект на более темном фоне светлеет, а на более светлом темнеет (более подробно см. в разделе 4). Из рис. 2.9 [16] видно, что часть серого кольца, окруженная черным фоном, имеет большую воспринимаемую яркость, чем та его часть, которая находится на белом фоне, хотя на самом деле каждая половина кольца отражает одинаковое количество света, попадающего в глаз. Оказывается, что в самом глазу имеется особый механизм, усиливающий воспринимающий контраст.

При одинаковых уровнях освещенности сравниваемых поверхностей с рассеянным отражением яркостный контраст между ними определяется по их коэффициентам отражения

K_я=(₁-₂)/₁,

где ₁ - коэффициент отражения поверхности, имеющей большую яркость; ₂ - коэффициент отражения поверхности, имеющей меньшую яркость.

Рис. 2.9. Восприятие серого кольца, окруженного черным и белым фонами

Яркостный контраст по коэффициентам отражения поверхностей ₁ и ₂ может быть определен при помощи графика (рис. 2.10). Величину яркостного контраста находят на лучевой линии в месте пересечения коэффициентов отражения.

Рис. 2.10. График яркостного контраста

При разных уровнях освещенности сравниваемых поверхностей с рассеянным отражением яркостный контраст определяется по коэффициентам ярко β_1α и β_2α

где β_1α - коэффициент яркости поверхности, имеющей большую яркость в данном направлении α (при одинаковых углах падения света и наблюдения); β_2α - коэффициент яркости поверхности, имеющей меньшую яркость в этом же направлении.

Если объект различения и фон имеют несколько участков с различными коэффициентами отражения, для определения яркостного контраста пользуются средневзвешенным коэффициентом отражения

где ₁, ₂,...,_n - коэффициенты отражения участков объектов различения или фона; S₁, S₂,...,S_n - площадь участков объекта различения и фона, для которых подсчитывается средневзвешенный коэффициент отражения.

Аналогично контрасту [см. формулу (2.3)] может быть определен и средневзвешенный коэффициент яркости

Опыты показали, что величина (L_i - L₂)/L=ΔL/L, соответствующая порогу различения, остается постоянной, несмотря на то, что абсолютная яркость может меняться. Таким образом, глаз воспринимает различие в яркостях не по их разности, а по отношению последних, т. е. различие замечается впервые не тогда, когда прирост яркости L (раздражителя) достиг какой-либо определенной величины, а тогда, когда этот прирост составил определенную долю первоначальной исходной величины раздражителя L. Относительная величина необходимого изменения раздражителя ΔL/L называется разностным порогом раздражения.

Зависимость интенсивности ощущения от разностного порога раздражения была установлена с помощью испытаний. Анализ их результатов показал, что интенсивность ощущения увеличивается пропорционально логарифму раздражения (яркости). Эта зависимость известна под названием закона Вебера - Фехнера и является основным психофизическим законом.

Яркость, субъективно воспринимаемая глазом, называется эффективной яркостью. Ее определяют числом разностных порогов в интервале изменения яркости от полной темноты до заданного уровня. Если принять пороговый контраст постоянным, то можно по закону Вебера - Фехнера написать

где L_эф - эффективная яркость; L - измеренная (фотометрическая) яркость; c - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранных единиц.

Многочисленные эксперименты показали, что постоянным, равным приблизительно 1,5 - 2%, разностный порог оказывается в области средних яркостей (7 - 700 кд/м²). Для яркостей очень значительных и особенно для малых яркостей разностный порог заметно возрастает. Это подтверждается результатами опытов по изучению чувствительности глаза человека [25] (рис. 2.11). Кривые показывают, что при значительных уровнях яркости имеет место логарифмическая зависимость ощущения от раздражения.

Рис. 2.11. Разностный порог в зависимости от яркости для нескольких угловых размеров раздражителя

При непостоянстве порогового контраста зависимость между L_эф и L определяется по данным В. В. Мешкова [26] для яркостей от 0 до 3,1810^-3 кд/м² (рис. 2.12). Величина порогового контраста, как и разностного порога, зависит не только от адаптации к яркости поля, но и от углового размера предмета, его формы, а также от времени наблюдения. Зависимость порогового контраста объекта с фоном от яркости фона для разных угловых размеров объектов различения по Зидентопфу приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.12. Зависимость эффективной яркости поверхности L_эф от ее фотометрической яркости L

Неполное соответствие этих данных основному психофизическому закону объясняется результатом действия так называемого "собственного света сетчатки" - слабого серого света, имеющегося у нас в глазах, и при отсутствии внешнего раздражения. Собственный свет сетчатки вызывается теми тепловыми и химическими процессами в зрительном аппарате, которые всегда происходят в живом организме. Согласно данным Гельмгольца равномерная пелена собственного света на сетчатке вуалирует изображение (изображение становится расплывчатым) и уменьшает наблюдаемый контраст. Если принять, что яркость собственного света сетчатки соответствует β_c, то воспринимаемый контраст K₁ связан с действительным контрастом K соотношением

Из этого соотношения следует, что изменение контраста в результате вуалирования зависит от относительной яркости β_c/L_ф и резко снижается при малой яркости фона L_ф. Вуалирующий эффект сетчатки оказывает значительное влияние на восприятие далеко расположенных от наблюдателя предметов (зданий и сооружений).

Рис. 2.13. Зависимость порогового контраста объекта с фоном Kо.ф. от углового размера объекта а при адаптации к различной яркости поля

При прохождении светового потока через слой воздуха, в котором находятся взвешенные частицы, например, капельки воды во время тумана, наблюдается его ослабление (экстинкция). Степень ослабления зависит от толщины слоя воздуха и его прозрачности. Если принять толщину воздуха состоящей из ряда оптически однородных слоев, то зависимость между коэффициентом пропускания τ и длиной пути l, проходимого лучом, определяется согласно формуле Бугера τ=10^-αl(α - коэффициент ослабления).

Глаз наблюдателя способен различать яркость, начиная с пороговой яркости L_пор. Расстояние l, начиная с которого предмет неразличим, определяется из условия, что при этом расстоянии яркость предмета L_o становится равной пороговой яркости L_пор, т. е. L_пор=L·10^-αl, откуда