Светлота и яркость: особенности восприятия в условиях одновременного контраста

Статья посвящена исследованию влияния эффектов индукции и оконтуривания (crispening) на светлоту объектов. Исследование направлено на упрощение и уточнение анализа светораспределений, получаемых в результате светотехнических расчётов и на основе измерений, и на выработку рекомендаций по яркости для обеспечения нужных светлотных контрастов в условиях зрительной работы на разных фонах. Чтобы обеспечить такие возможности, необходимо уточнение модели расчёта светлоты в современных системах цветовоспроизведения, для чего, в свою очередь, нужны результаты экспериментов по учёту индукции и оконтуривания в условиях одновременного контраста. Соответствующий эксперимент был проведён Х. Такасаки – по наблюдению серых квадратов на серых фонах. В статье обосновывается необходимость уточнения его результатов и проведения повторного эксперимента в более строго заданных условиях и расширенном диапазоне яркостей для обеспечения работы в условиях современного нормирования. Предлагается постановка эксперимента, обеспечивающего эти уточнения и свойства поля непосредственной близости – контура объектов. Поиск результатов в условиях изменения множества факторов производится специальным методом автоматизации эксперимента. Приводятся первые результаты этого эксперимента, на основе которых делаются предложения по определению предпочтительных яркостей объектов для обеспечения нужных уровней светлотного контраста при работе на заданных фонах. Приводятся расчёты отклонений светлоты, полученной в результате эксперимента и в системе CICAM02. Отмечается уровень переводов светотехнической литературы по моделированию светоцветовой среды, которые требуют уточнения для правильного, безошибочного понимания моделей цветовоспроизведения, для чего предлагается открыть дискуссию по данному направлению. Ключевые слова: светотехника, свет, светораспределение, светлота, яркость, восприятие, индукция, контраст, насыщенность, тон, цвет, система, модель, объект, анализ  Введение Главный лозунг проектирования осветительных установок на сегодня – «человеко-ориентированное освещение (Human-centric lighting, HCL)». По мнению П. Бойса [1], определить точно это понятие пока затруднительно, т.к. в фотометрических терминах зрительное восприятие освещения выразить не удаётся. Важнейшим этапом на пути определения восприятия освещения явились равноконтрастные системы [2–5], но они включали преобразования колориметрических величин, грубо представляя адаптацию – без учёта индукции. Эти проблемы были решены принятием МКО в 1998 г. модели цветового восприятия (Color Appearance Model, CAM) CIECAM97s [3], что стимулировало исследования в этом направлении и быстро привело к принятию системы CIECAM02. В настоящее время сформулирована система CAM16 [6] – преемник CIECAM02, с разными исправлениями и улучшениями. CAM16 опубликована рабочей группой МКО, но ещё стандартом МКО не стала. Следует отметить, что по ряду исторических причин Россия активного участия в выработке моделей цветового восприятия (и соответствующей терминологии) не принимала, из-за чего они не вошли в учебные планы специальности «Светотехника». Согласно [3] современные модели цветовоспроизведения используют определённые светлотные шкалы, причём одна из лучших по достоверности результатов расчёта – модель CIECAM02. Однако согласно выражениям для модели в расчётах по ним участвует коэффициент индукции, учитывающий яркость фона, параметры которого чётко определены. Таким образом, модель CIECAM02 не учитывает расстояния до точки стимула, т.е. краевой эффект. В описании разработки системы [7] отмечается, что она не учитывает фона ближайшего окружения, одновременного контраста и эффекта оконтуривания (crispening). Поскольку модель подразумевает некоторое окружение стимула с заданными параметрами и дальнюю периферию, то сравнение оценок модели одновременного контраста объектов, наблюдаемых одновременно на двух разных фонах в зоне наблюдения, возможно. Важно пояснить понятие «оконтуривание», чтобы не было разночтений с эффектом, подразумевающим влияние контура объекта. Эффект оконтуривания [3, 5] подразумевает повышение степени цветовых отличий, когда фон, на котором сравниваются объекты, сходен по цвету с этими объектами (рис. 1). Из рис. 1 видно, что при изображении палитры образцов атласа Манселла [8] на разном фоне отличие по светлоте между чёрными образцами  более ощутимо на чёрном фоне, между серыми образцами на сером фоне, а самые светлые образцы лучше всего отличаются друг от друга на белом фоне. Это нарушает всю суть подбора образцов атласа Манселла, которые подбирались на определённом фоне и должны иметь между собой равный шаг по светлоте. Наблюдаемое влияние фона – очень важный вывод для светотехники, т.к. степень изменения зависимости разницы в светлоте объектов от фона будет определять необходимый уровень освещения для объектов соответствующей яркости на заданном фоне. Эксперимент по оценке одновременного контраста и эффекта оконтуривания был проведён Х. Такасаки [9]. Подробная оценка эффекта оконтуривания Х. Такасаки с оценкой визуального восприятия различий образцов атласа Манселла сделана в работе [10]. Однако указанный эксперимент проведён при старых условиях и требованиях к освещению, с отражающими образцами в диапазоне освещённостей от 100 до 600 лк, а потому его результаты сегодня не актуальны и не используются. Современные нормативы подразумевают значительно больший диапазон освещённостей – от 0,2 до 5000 лк [11]. Кроме того, результаты эксперимента Х. Такасаки могут быть интересны в областях низкой яркости, где есть сложности с визуальным различением объектов и необходимость улучшения условия для их преодоления. Эти результаты можно использовать в музейном освещении, где нельзя подвергать экспонаты повреждающему воздействию активного облучения, и в архитектурном, где вопросы восприятия распределения яркости выходят на первый план. Как правило, это условия тёмных фонов и низких уровней освещённости, а нижний предел в 100 лк, заданный Х. Такасаки, очевидно, подразумевает перечень зрительных работ в условиях дневного освещения. Кроме того, сейчас есть возможности работы не только с отражающими образцами, но и с самосветящимися объектами типа экранов телевизоров. Новые условия побуждают поставить новый эксперимент – для актуализации и расширения данных эксперимента Х. Такасаки, а также предложить новые варианты использования его результатов. Задача эксперимента подразумевает многофакторную оптимизацию его результата и множество предъявлений и подходов. Поэтому была проведена автоматизация эксперимента, которая помогала наблюдателю приходить к точке зависимости, т.е. точке равенства светлот объектов при определённых условиях окружения  Описание и методы эксперимента Экспериментальная установка представляет собой имитацию офисного рабочего пространства, содержащего стол, стул, персональный компьютер и подставку для головы наблюдателя. На рабочей поверхности стола располагается монитор HP Pavillion 23 xi. Рабочая поверхность равномерно освещена светодиодным источником света SLIM LED595 HFR4000K. Освещённость на рабочей поверхности – 200 лк, что соответствует нормам при общем освещении компьютерных классов для зрительной работы разряда В‑1,2 [11]. Распределение яркости, коррелированная цветовая температура Ткц и спектральное распределение излучения монитора в процессе эксперимента контролировуются и измеряются на поверхности монитора в точках сетки с шагом 50 мм спектрометром UPRtek 350N и яркомером LMT 1009. Отклонения характеристик монитора от заданных производителем составляют не более 4 % и в отношении яркости лежат в пределах 2-х порогов восприятия органа зрения среднего наблюдателя по данным Г. Блэквелла [12]. Расстояние от точки наблюдения до монитора составляет 700 мм, что выбрано по СаНПиН [13], согласно которому человеку рекомендуется работать на расстоянии 600–700 мм от экрана монитора для заданной диагонали. С помощью специальной под  ставки для головы взгляд наблюдателя фиксируется на расстоянии 25 см от рабочей поверхности стола. Таким образом, позиции наблюдателя и монитора остаются неизменны, т.е. эксперимент проходит при постоянных угловых характеристиках объектов наблюдения. На экране наблюдателю с помощью разработанной программы автоматизации эксперимента демонстрируются квадраты на чёрном и белом фонах (рис. 2). Также программа содержит возможности изменения яркости фона, размеров квадратов, расстояния между ними и добавления к квадратам контуров. Изменение заданных параметров влияет на светлоту квадратов, что позволяет находить соответствующие зависимости для светлоты. Для обоснования исключения ряда влияющих факторов были проведены предварительные эксперименты. В них участвовало 11 наблюдателей в возрасте от 20 до 50 лет, из них было отобрано 5, результаты измерений у которых лежали в пределах заданных допусков, обеспечивающих отсутствие промахов, произвольных и грубых ответов. Для определения влияния дальней периферии и условий среды были проведены эксперименты в тёмных условиях с чёрными покрытиями окружения без источника света и эксперименты со стандартным светлым окружением при освещённости в 200 лк. При изменении условий результаты эксперимента менялись в пределах 2 %, что находится в рамках допустимых отклонений и погрешностей эксперимента. Таким образом, при переходе от условий эксперимента к освещённостям, предлагаемым для разрядов зрительных работ большей точности, разница должна быть ещё менее ощутимой. Условия эксперимента специально выбраны так, чтобы формула пересчёта работала при разных уровнях освещённости для среднестатистического офисного помещения, в котором обычно и производится зрительная работа. Были проведены также предварительные эксперименты по сравнению квадратов без инструкций и с инструкциями по уравниванию светлоты центров квадратов и средней светлоты квадратов. Применение разных инструкций значительно повлияло на результат, а потому в качестве инструкции для наблюдателя выбрано  сравнение центров квадратов, дабы минимизировать влияние краевого эффекта. Кроме того, наблюдателю предлагалось переводить при наблюдении взгляд с квадрата на квадрат, чтобы имитировать ситуацию обычных условий, когда наблюдатель, рассматривая изображение, перемещает взгляд. Для первоначальной серии были выбраны квадратные объекты со стороной 5,5 см (примерно 2 дюйма 1 против 0,5 дюйма у Х. Такасаки) и с угловым размером 4˚. Размеры выбирались исходя из условия попадания объекта в поле ясного видения и одновременного исключения влияния взаимоиндукции. С помощью компьютерной программы на мониторе демонстрируются квадраты со случайной яркостью, и наблюдатель говорит, какой квадрат ему кажется темнее. Оператор отмечает его ответ с помощью клавиатуры. Диапазон случайных значений яркости предъявляемых квадратов сужается благодаря алгоритму, структура которого описана ниже. После нескольких итераций квадраты начинают уравниваться по светлоте, и наблюдатель отмечает это равенство. Все значения яркости квадратов при ответах наблюдателя заносятся в файл Excel. По точкам светлотного равенства квадратов в дальнейшем строится график зависимости яркости квадрата на белом фоне от яркости квадрата на чёрном фоне. Структура уравнивания квадратов выглядит следующим образом: в начале для левого и правого квадратов 1 1 дюйм ≈ 2,54 см. задаётся диапазон значений яркости пикселей от 0 до 255 по 8-битной шкале. В этом диапазоне будет производиться розыгрыш случайных значений яркости для первого предъявления квадратов. Поскольку мы работаем с ахроматическими цветами, яркость задаётся триплетом одинаковых значений RGB, поэтому может задаваться одним числом. После предъявления квадратов со случайной яркостью рассчитываются средние значения яркости пикселей для левого и правого квадратов. Следующий шаг – расчёт среднеквадратического отклонения (СКО), которое для первой итерации приравнивается к нулю. Далее в зависимости от выбора наблюдателя диапазон значений яркости квадратов будет сужаться. Если наблюдатель говорит, что правый квадрат темнее, то из значения яркости правого квадрата будет вычтено СКО, и диапазон ограничится по полученному значению. К значению яркости левого квадрата программа прибавит СКО и также ограничит диапазон по полученному значению. Логично, что если правый квадрат темнее, то давать значение яркости меньше не имеет смысла. И левый квадрат не имеет смысла делать светлее, а потому диапазон яркостей ограничивается одновременно. Ограничивая диапазон значений яркости, программа постепенно уравнивает квадраты по светлоте. В случае, когда наблюдатель отмечает равенство (возможность такого выбора тоже есть), границы диапазона значений яркости для следующей итерации не меняются  Расчёт СКО требуется для учёта ошибки наблюдателя. Под ошибкой имеется в виду ситуация, когда наблюдатель неправильно указывает более тёмный квадрат. Если ограничивать диапазон строго по границе яркости предъявляемого квадрата, то в случае неправильного ответа наблюдателя квадраты могут не уравняться. Это особенно важно для этапа уравнивания около точки равенства. Наблюдатель иногда может давать ошибочную оценку светлоты квадратов, но добавление СКО не сводит диапазон к критическому случаю, когда квадраты не уравнялись, а яркость перестала варьироваться и программа предъявляет квадраты с одним значением яркостей. Дополнительно для учёта ошибки вводится ограничение по числу повторяющихся ответов. Во время предварительных тестов было выявлено, что после неправильного сравнения квадратов наблюдатель начинает давать один и тот же ответ много раз подряд. Поэтому в начале эксперимента, в программе, оператором устанавливается допустимое число повторений ответа наблюдателя. Предварительные эксперименты показали, что оптимальное значение составляет 6 допустимых повторений. К примеру, если наблюдатель 6 раз подряд указал, что правый квадрат темнее, то, скорее всего, в первый раз он ошибся (т.е. на самом деле темнее был левый квадрат, но программа уже завела наблюдателя в замкнутую область, где левый квадрат уже не станет темнее, а правый светлее), и тогда программа возвращает диапазон розыгрыша значений той итерации, когда наблюдатель первый раз дал подобный ответ. Для выхода из программы вводится ограничение по числу предъявлений. Проведённые с наблюдателями тесты показали, что оптимальное число предъявлений для уравнивания – 20. Большее количество опытов вызывает зрительное утомление, которое приводит к увеличению числа промахов. Если наблюдатель после 20 итерации даёт ответ, что квадраты уравнялись по светлоте, то программа закрывается и ответы записываются в таблицу Excel. Также вводится дополнительное условие выхода: если сумма СКО для двух квадратов меньше порога α, то программа завершает работу. Значение α допускается целочисленным и задаётся оператором, рекомендуется использовать значение α = 2.  Перед началом эксперимента вводится диапазон значений яркости пикселей предъявляемых квадратов. Это позволяет найти точки равенства светлоты на графике в желаемом диапазоне и уточнить полученные результаты. Таким образом получаются точки искомой зависимости для значения яркости пикселей. Результаты эксперимента авторов данной статьи для чёрного и белого фонов (зелёная линия) в сравнении с результатами эксперимента Х. Такасаки приведены на рис. 3, где диагональная прямая – это зависимость относительной яркости квадратов Y2(Y1) при одинаковой паре объект-фон. В этом случае зависимость для индукции не наблюдается. В остальных случаях наблюдаются кривые с разной степенью выпуклости. Х. Такасаки назвал это явление эффектом волны. Для сравнения приведём краткое описание эксперимента Х. Такасаки [9]. Он заключался в сравнении стандартных отражающих образцов атласа Манселла размером 0,5 дюйма из 60-ступенчатой серии. В качестве опорных для получения точек зависимости выбирался каждый 6-ой образец, всего их было выбрано 11. Сравнение производилось на двух плотно стыкованных серых фонах прямоугольной формы размером 5 на 8 дюймов, окрашенных по образцам атласа Манселла с двумя квадратными окнами для образцов в центре размером по 0,5 дюйма расположенными вдоль 8-дюймовой стороны. В итоге наблюдателю представлялась картина, схожая с представленной на рис. 2. В статье [9] отмечается, что ширина тестовой зоны менялась от 1/2 до 1/8 исходного размера, и это, увеличивая высоту волны на графике, незначительно влияло на результаты эксперимента. Освещённость в исследуемой зоне менялась от 100 до 600 лк. Эксперимент проводился для следующих пар фонов согласно обозначениям атласа Манселла: N1-N9, N3-N7, N4-N6, N1-N5, N5-N9. В нём участвовало 5 наблюдателей. Задача наблюдателя состояла в том, чтобы настроить «колесо» так, чтобы стандартные и соответствующие образцы уравнивались по светлоте. Для исключения неопределённости  измерений наблюдатель выбирал два одинаковых образца: один из образцов выглядел немного светлее стандартного, другой – немного темнее. Наблюдателю разрешалось переводить взгляд со стандартного образца на соответствующий и наоборот, как он это делает при сравнении двух объектов в повседневной жизни. Пара фонов менялась слева направо, чтобы исключить эффект возможного неоднородного освещения. Анализируя данные, Х. Такасаки получил зависимости, приведённые на рис 3, и эмпирическую формулу для расчёта светлоты L: i i1 i i 2 3 3 exp , L V cV V V V V c V c c =− +   −   − − +           ôi ôi ôi ô где Vi и Vфi – значения светлоты объекта и фона соответственно по атласу Манселла для i-го образца, которые рассчитываются с помощью координат цвета Yi и Yфi; c1, c2, c3 – поправочные коэффициенты, зависящие от наблюдателя: с1 корректирует взаимную резкость оконтуривания, c2 корректирует величину оконтуривания, c3 корректирует величину индукции. Анализ результатов По данным эксперимента на основе метода наименьших квадратов и уравнения регрессии была получена эмпирическая формула для пересчёта относительной яркости пикселей для уравнивания светлоты относительно квадрата на чёрном фоне для пар фонов 0–255: 2 0,004 1,8659 21,52, PV PV PV =− + + + êá ê÷ ê÷ где PVкб – значения яркости пикселей квадрата на белом фоне, PVкч – значения яркости пикселей квадрата на чёрном фоне, при этом яркость чёрного фона Lчф = 0,59 кд/м2, а яркость белого фона Lбф = 220 кд/м2. Аппроксимация выполнена с помощью Microsoft Excel и дополнительно с помощью функции linalg.lstsq() из библиотеки NumPy на языке программирования Python. Коэффициент детерминации R2 = 0,9757, а это значит, что уравнивание по светлоте квадрата на белом фоне относительно квадрата на чёрном фоне будет соответствовать экспериментальной кривой в 97 % случаев. Такой процент свидетельствует о высоком соответствии модели экспериментальным данным. Нормированная кривая для пар фонов 0–255 (зелёного цвета) в сравнении с данными Х. Такасаки приведена на рис. 3. На рис. 4. приведены зависимости PVкб от PVкч при светлотном равенстве квадратов в условиях одновременного контраста для пар фонов 0–255 и 90–180. Распределение яркости по экрану монитора неравномерно, поэтому её измерения, яркомером LMT L1009, проводились в нескольких точках, и результаты усреднялись. Яркость квадратов замерялась в выбранных точках с шагом пикселей 30. Из-за того, что наш эксперимент проводился с объектами значительно большего размера, чем у Х. Такасаки, на рис. 3 график лёг ниже пары фонов N1-N9. Важно проследить изменение формы кривой. Из рисунка видно, что в ситуации наблюдения на чёрном и белом фонах, график выгибается полностью. При наблюдении на сером фоне график на концах почти прямой, а в середине появляется волна. Как видно из рис. 3 и 4, эффект волны для условий наблюдения на чёрном и белом фонах выглядит по-другому: график полностью превращается в волну. График для пары фонов 90– 180 (рис. 4) был получен авторами статьи экспериментально вне лабораторных условий и показывает отсутствие влияния способа проведения эксперимента на форму графика, что подтверждает достоверность эксперимента. На графиках можно видеть зоны активного изменения яркости квадрата на белом фоне, относительно яркости квадрата на чёрном фоне (зона высоких значений производной). Эта зона представляет собой выгодные значения яркостей объектов, с которыми производятся работы на чёрном (или более тёмном) фоне, т.к. для ощутимых изменений светлоты в таком случае требуются незначительные шаги по яркости. Зона же малых изменений яркости квадрата на белом фоне и сильных изменений яркости квадрата на чёрном фоне (зона низких значений производной) показывает область наилучших яркостей для объектов, представляемых на более светлом фоне. По графику на рис 3 можно определить, что при работе на тёмном фоне (яркостью около 0,59 кд/м2) для обеспечения наибольшего светлотного контраста предпочтительно иметь объекты яркостью от 0,6 до 60 кд/м2 (экстраполяция в сторону низких яркостей рискованна, т.к. здесь возможен переход к адаптации на тёмные условия наблюдения, где зависимости ощутимо иные), а при работе на светлом фоне (яркостью около 220 кд/м2) предпочтительно иметь объекты яркостью от 170 кд/м2 до 270 кд/м2 (если экстраполировать кривую в сторону объектов более высокой яркости). В целом в заданном диапазоне яркостей и с учётом эффекта оконтуривания полученная зависимость показывает выгодное для обеспечения высокого светлотного контраста отклонение по яркости объектов от фона до 50 кд/м2   Таким образом, по полученным зависимостям можно рекомендовать уровни освещения объектов по яркости для работы на разных фонах, причём они не будут пропорциональны повышению яркости фона с изменением уровня освещения, о чём говорит волна на графике. Сравним полученные данные с расчётными значениями светлоты, найденными с помощью модели CIECAM02 [3]. Для этого возьмём 5 произвольных точек, при которых квадраты равны по светлоте, и рассчитаем светлоту квадратов J. Для сравнения выберем следующие точки равенства в значениях пикселей квадратов на чёрном и белом фонах соответственно: 2–20, 34–88, 60–126, 94–162 и 165–219. Переведём значения этих точек в координаты XYZ по формулам из стандарта sRGB [14], формулы пересчёта дают значения XYZ от 0 до 1. Для CIECAM02 значения нормируются от 0 до 100, поэтому результаты пересчёта формул умножены на 100. Значение точки белого взято для источника D65: Xw = 95,0489, Yw = = 100,0, Zw = 108,8840. Фон определяется как окружение стимула, расширяющее его или поле ближнего окружения (если оно известно) по всем направлениям на 10˚. В CIECAM02 фон определяется относительной яркостью Yb = Lb/Lw, где Lb – яркость фона, Lw – яркость белого объекта в сцене. Для чёрного фона примем Ybb = 0,27, а для белого фона Ybw = 100. Яркость адаптации La принята по рекомендациям М. Луо и Ч. Ли [7] для офисных помещений [7], равной 15 кд/м2, а участвующие в расчёте константы c, Nc и F приняты для среднего окружения: 0,69, 1,0 и 1,0 соответственно. На рис. 5. приведён график отклонения результатов расчёта светлоты квадрата на белом фоне от квадрата на чёрном фоне, принимаемого за опорный. Максимальное отклонение – 28 %, среднее отклонение – 24 %. Отклонения результатов дополнительно подчёркивают актуальность настоящего исследования и обусловливаются множеством факторов, которые включают в себя и то, что модель CIECAM02 не учитывает поля ближнего окружения как поля особого влияния на индукцию, а также эффект оконтуривания. Заключение Результаты исследования авторов статьи дополняют данные эксперимента Х. Такасаки [9] по диапазону измеренных значений для чёрного и белого фонов, и их можно использовать для формирования новых рекомендаций по выбору яркостей фонов и соотношений яркостей в диапазонах более низких и более высоких уровней яркости, в частности: в архитектурном и музейном освещении; в выборе условий оценки визуализаций светотехнических проектов и формировании необходимых рекомендаций при внесении исправлений в проект с ориентацией на условия окружаемого объект фона и локальные особенности распределения яркости. Форма кривой, полученная для широкого диапазона яркостей, отличается от полученной Х. Такасаки для серых фонов, но зависимость распределения яркости от его визуального восприятия по прежнему подразумевает нелинейный характер; на этой кривой можно выделить зоны линейности, где рекомендации давать проще, но грубые предложения соотношений фонов окружения, в виде универсального отношения объект/фон/периферия, приведут к серьёзным отклонениям, такие соотношения должны обязательно учитывать опорные значения яркости одного из входящих элементов. Сравнения результатов эксперимента с результатами расчётов по системе CIECAM02 подтверждают необходимость продолжения эксперимента  для учёта влияния зоны ближайшего окружения стимула на расчёты светлоты и индукции фона. Для ясности понятий, используемых в современных моделях цветовоспроизведения, нужен подробный анализ истории развития, трактовок и переводного материала по этим системам, сравнение их с современными трактовками и переводами и анализ их достоверности в светотехническом аспекте, для чего предлагается развить соответствующую дискуссию.