Исследование особенностей восприятия изображения при изменении частоты смены кадров

Это показывает, что частота развертки 120 Гц лучше передает динамику движения.На рис. 2.8 приведен пример смазывания движений при невысокой частоте кадров.Рис. 2.8. Смазывание движенийДалеко не все телевизоры и мониторы способны воспроизводить изображение с повышенной частотой. Это приводит к потере четкости изображения (рис. 2.9 – 2.11).Рис. 2.9. Развертка 60 и 100 Гц.Рис. 2.10. Эффект потери четкостиРис. 2.11. Стандартное ТВ и ТВЧЗачастую требуется преобразование форматов изображения. Это приводит к специфическим эффектам зубчатых краев и «расчески» на движущихся изображениях (рис. 2.12 -2.13). Это требует особой обработки либо перед передачей в эфир, либо непосредственно в приставке или телевизоре.Рис. 2.12. Эффект зубчатых краев без сглаживания и с сглаживаниемРис. 2.13. Эффект «расчески» при движении объекта на экранеЭти эффекты присущи цифровой передаче сигналов.В настоящем разделе проведено исследование влияния параметров телевизионной системы на качество получаемого изображения, особое внимание уделено влиянию частоты смены кадров. Рассмотрены принципы цифровой передачи телевизионных сигналов. Рассмотрена возможность увеличения частоты кадровой развертки для улучшения качества телевизионного изображения. Показано, что увеличение частоты кадровой развертки позволяет добиться лучшего воспроизведения динамических сцен и увеличить четкость изображения.Экспериментальная проверка влияния смены частоты кадров на восприятиеЭффекты обмана зренияВосприятие человеком зрительного образа не ограничивается только фиксацией оптического изображения на сетчатке глаза. Значительную роль играет обработка в коре головного мозга, где происходит суммирование множества нервных сигналов и сравнение их с ранее накопленной информацией. В отмечаются факторы, отвечающие за создание целостного образа:- близость элементов в поле зрения;- сходство, похожесть;- естественное продолжение, заполнение пробелов у знакомых фигур;- замкнутость и стремление к ней.Наблюдаемая картина мозгу не представляется однородной. Он разделяет предметы и фон. Выделение предметов зависит от установки. На этом построены эффекты зрительного обмана. Ряд примеров представлен на рис. 3.1.а)б)в)Рис. 3.1. Примеры зрительных иллюзийНа рис. 3.1а неподвижное изображение представляется движущимся. Рис. 3.1б может рассматриваться как профили молодого и старого ковбоя (А), осел и тюлень (Б). На рис. 3.1в представлены геометрические иллюзии: (А) длины отрезков равны, (Б) ромбы одинаковой высоты, (В) прямые параллельны.Восприятие движения во многом определяется физиологическими факторами. Наличие или отсутствие движения замечается человеком очень быстро при появлении изображения объекта в любом месте в поле зрения, так как в мозге имеются для этого специальные детекторы новизны. Направление движения оценивается по перемещению изображения объекта по сетчатке и по последовательности работы мышц, направляющих движения глаз и шеи при прослеживании и компенсации движения объекта. По скорости этих процессов определяется скорость движения.Эффекты зрительных иллюзий могут использоваться при создании кинофильмов или телепрограмм.В исследовалось влияние, так называемого, 25 кадра, что можно также отнести к иллюзиям зрения.История 25-го кадра начинается с 1957 года. Джеймс Вайкери провел в кинотеатрах Нью-Джерси серию экспериментов. Во время демонстрации кинофильма посредством дополнительного проектора в моменты смены кадра дополнительно проецировались кадры рекламы. В кино кадры сменяются 24 раза в секунду, поэтому такой способ «дополнительной» проекции получил название 25-го кадра. Эксперимент получил широкую огласку и был запрещен законом. Запретный плод сладок и притягателен, поэтому изобретение стали усовершенствовать и экспортировать.Рассуждения автора основывались на представлениях общей теории связи. Он показал, что при условии сосредоточения полезной информации дополнительного кадра в пространственном угле ясного зрения (120х160) и разрешении глаза 20’ число элементарных участков в поле ясного зрения составит величинуN = 16·60/20 ·12·60/20 = 1728.(3.1)Приняв число возможных состояний каждого элемента равным m, максимальное количество информации в одном изображении (бит/изображение)Jm = N ·log2 m.(3.2)Если время распознавания одного образа принять равным Tр, то пропускная способность зрительной системы составитCпр = Jm / Tр = N / Tр·log2 m.(3.3)Чем сложнее изображение (чем больше Jm), тем большее время необходимое для его распознавания, т.е. время распознавания является функцией Jm.Рядом исследователей пропускная способность зрения определялась путем предъявления наблюдателю заранее известных образов, при этом время предъявления ограничивалось. Исходя из количества правильно опознанных образов, определялась пропускная способность зрения, которая имеет численное значение в интервале 50...70 бит/секунду.Значения пропускной способности при чтении с учетом статистики языка имеет порядок 30...40 бит/секунду. Таким образом налицо двукратное превышение информативности образов по сравнению с текстовой информацией. Это доказывает низкую эффективность воздействия «скрытым» текстом.Эти выкладки, а также проведенное расследование, показывают, что воздействие 25 кадра на подсознание является скорее мифом. 25 кадр воспринимается скорее как дополнительные искажения.Исследования повышенной частоты кадровой развертки изображенияВсем известен артефакт, когда при движении автомобиля его колеса вращаются в обратную сторону. Это связано с тем, что за время между съемкой соседних кадров колесо не успевает совершить полный оборот.Другой пример, во время трансляции футбольного матча за летящим мячом остается след от перемещения. А в хоккее движение шайбы иногда просто невидимо глазом.Все это ставит вопрос увеличения скорости смены кадров по сравнению с общепринятой. Это порождает другой вопрос: а где же предел?В приводится сообщение (Научная работа опубликована в журнале ”Attention, Perception, & Psychophysics” (бесплатный доступ)) о том, что в Массачусетском технологическом институте нейробиологами проведено исследование по определению минимального времени, необходимого мозгу для восприятия и обработки предъявляемых изображений. Во время эксперимента испытуемым предлагалось сигнализировать, если они увидят определённый тип картинки, такой как «пикник» или «улыбающаяся пара», при этом им демонстрировали серию из 6 или 12 изображений с промежутком 13-80 миллисекунд (рис. 3.2).При проведении эксперимента изображения предъявлялись на время 80 мс, 53 мс, 40 мс, 27 мс и 13 мс. Менее 13 мс не позволяла скорость обновления монитора. Если ранее предполагалось, что мозгу необходимо порядка 100 мс для распознавания образа, то результаты опыта показали, что более 60% испытуемых уверенно отвечали на вопрос о предъявляемом изображении с выдержкой 13 мс. Отсюда был сделан вывод о том, что мозгу необходимо лишь 13 мс для распознавания картины. Это соответствует скорости развертки порядка 77 кадр/с.Рис. 3.2. К эксперименту по определению минимального времени распознавания образаУчёные считают, что столь высокая скорость обработки информации мозгом помогает управлять глазами и выбирать объекты для рассмотрения. Глаз способен передвигаться со скоростью 3 раза в секунду, и за это время мозг должен распознать всю информацию в поле зрения, осознать увиденное и принять решение, куда посмотреть дальше.Однако, делается оговорка, что возможно обработка мозгом изображения длится дольше непосредственного предъявления, т.к. опрос проводился через некоторое время. Но время сохранения изображения в мозгу длится более 13 мс, иначе бы испытуемые не смогли бы верно назвать предмет. Кроме того, было определено, что время на выбор новой точки зрения, затрачиваемое мозгом, составляет порядка 100 – 140 мс.Внедрение цифровых технологий затронуло даже такую консервативную отрасль как кинопроизводство. Не так давно провели экспериментальный показ фильма «Хоббит» Питера Джексона со съемкой 48 кадров/с. Однако, нововведение было принято неоднозначно. Так НаймСезерлэнд высказался так: «Цель кинематографа не в том, чтобы зеркально отразить нашу реальность или детально показать ее. Я, например, хочу создать небольшую физическую связь между вами и моими фильмами. Я хочу погрузить зрителя в мир самой истории, чтобы он поверил в нее и забыл о себе, своей жизни и был только с фильмом наедине.Не показывая достаточно информации визуально, мы заставляем мозг работать и самому заполнять пробелы информации… что еще больше погружает зрителя в фильм. И это является частью того, когда зритель смеется, плачет, или пугается.» Сам же Джексон придерживается иного мнения: «Многие кинокритики холодно отнесутся к отсутствию размытие при движении и стробоскопическим артефактам, но вся наша съемочная команда-многие из которых являются экспертами в кино –после выхода фильма поддерживают меня. К новой частоте кадров быстро привыкаешь и начинаешь воспринимать более естественно. Это похоже на то время, когда CD-диски вытеснили виниловые пластинки. Я считаю,что то же самое будет в кино и мы очень быстро приближаемся к тому моменту, когда фильмы с высокой частотой кадров будут выпускаться массово.».В кинотеатрах iMAX 3D применяется частота смены кадров 48 кадр/с (по 24 кадр/с на каждый глаз).В настоящее время появились телевизоры и мониторы с регулируемой частотой развертки в диапазоне до 200 и более кадров/с. Однако, вещание продолжается со стандартной частотой 50/60 Гц. Для улучшения качества видеокартинки в них применяются различные методы интерполяции для получения промежуточных кадров. Изучению и экспериментальной проверке повышенной частоты кадровой развертки посвящена диссертационная работа .Был проведен ряд экспериментов с различными типами изображений, скоростями смены кадров и алгоритмами формирования промежуточных кадров.Вначале группе испытуемых (около 50 человек) были представлены малоподвижные изображения идущих людей, движущегося с невысокой скоростью транспорта с частотами развертки 60, 96, 120, 150 и 200 кадров/с. Различия в восприятии изображений отмечено не было.Далее было предложено просмотреть динамические сюжеты прыгающего мяча, водопада и др. с вставкой повторяющихся кадров. 85% испытуемых отметили наличие артефактов размытия изображения движущихся предметов при частотах развертки 120 и выше.Затем были предъявлены те же сюжеты с прочетом промежуточных фаз движения с помощью графического процессора. Все испытуемые отметили более гладкое движение при частоте кадров 120 кадров/с. 4% отметили разницу в восприятии 120 и 200 кадров/с.В был предложен оригинальный алгоритм вставки промежуточного кадра, требующий меньшего количества вычислительных ресурсов.Эксперименты в области выявления возможностей органов зрения человека проводятся постоянно, и ученые не собираются останавливаться на достигнутом. Например, проводят такое тестирование: контрольная группа людей просматривает предложенные видеозаписи с различной частотой кадров. В определенные фрагменты в разных промежутках времени вставлены кадры с каким–либо дефектом. Они изображают какой-то лишний, не вписывающийся в общую канву предмет. Это может быть быстро движущийся летящий объект. Во всех группах более 50% испытуемых замечают летящий объект. Это обстоятельство не вызывало бы такого удивления, если бы не знать, что это видео демонстрировали с частотой 220 кадров в секунду. Конечно, рассмотреть подробно изображение никто не смог, но даже тот факт, что люди просто смогли заметить мелькание на экране при такой кадровой частоте, говорит сам за себя.Таким образом, исследования, проводившиеся разными исследователями, позволяют сделать вывод о целесообразности повышения частоты предъявления кадров. Но выбор новых стандартов упирается в недостаточную изученность возможностей человеческого зрения и технические проблемы обработки и передачи больших объемов информации.ЗаключениеВ работе рассмотрены вопросы функционирования зрительного аппарата. На основе исследований особенностей восприятия зрительных образов и возможностей технической реализации были сформулированы стандарты телевизионной передачи аналоговых сигналов изображения. С развитием технологий осуществляется переход на цифровое телевизионное вещание. Этот процесс в России предполагается закончить в 2019 году. Современные телевизионные приемники имеют тенденцию к увеличению размеров экрана и внедрению в их состав довольно сложных устройств постобработки принятых сигналов. Это поставило новые вопросы по оценке восприятия человеком образов, воспроизводимых на экранах телевизоров, мониторов. Современные исследования показывают необходимость пересмотра ранее принятых стандартов. Однако, из-за недостаточно изученной природы психо-физического воздействия зрительных образов не существует на настоящий момент общепринятых оценок. Исследования в этой области продолжаются. Одним из путей улучшения восприятия изображений рассматривается повышение частоты кадровой развертки. Показано, что 120 кадров/с позволяет существенно улучшить наблюдение динамических сцен.