Инфракрасные системы «смотрящего» типа

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЗРИТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА

Системы отображения информации (СОИ), предназначенные для преобразования электронных сигналов в оптическое изображение видимого диапазона, должны обеспе­чить эффективное решение задач (обнаружение, распознавание, классификация, иден­тификация, пеленгация и др.), стоящих перед ИКС. К СОИ относятся разнообразные дисплеи, мониторы, электролюминесцентные и светодиодные панели, телевизионные системы, часто называемые индикаторными устройствами или просто индикаторами, проекторы. Параметры и характеристики СОИ как одного из звеньев ИКС очень важно согласовать с параметрами и характеристиками предыдущих звеньев системы, прежде всего приемника излучения и электронного тракта, а также зрительного аппарата чело - века-наблюдателя или оператора. Системы отображения часто должны строить изо­бражения реальной и виртуальной окружающей обстановки, а также обеспечивать комфортные условия работы наблюдателя.

Следует отметить, что несмотря на давние разносторонние исследования и много­численные модели зрительного аппарата человека до настоящего времени до конца не выяснены природа и характер многих процессов приема и обработки оптических сиг­налов (изображений), определяющих возможности обнаружения, различения и распо­знавания зрительных образов. Тем не менее основные устоявшиеся представления о зрении человека и существующие его модели позволяют достаточно четко и конкретно сформулировать требования к СОИ ИКС.

При выборе СОИ необходимо учитывать особенности работы конкретной ИКС и свойства зрительного аппарата человека: условия освещенности (дневные или ночные), окружающие условия эксплуатации (температура, влажность, вибрации, запыленность и т. д.), разделение углового поля глаза на разные по чувствительности и разрешению зоны, инерционность зрительного аппарата и его свойство адаптации к условиям наблюдения, влияние цветности изображения на работу зрительного аппарата, и ряд других.

Вопросы согласования СОИ и зрительного аппарата человека весьма всесторонне отражены в [35-37, 49 и др.]. Кратко изложим некоторые из них, а также сведения, со­держащиеся в других многочисленных публикациях.

Глаз человека - уникальная система, обладающая, например, такими свойствами, как адаптация к условиям работы и аккомодация. Максимум спектральной чувстви­тельности глаза в условиях дневного освещения наблюдается при длине волны 0,55 мкм, а ночью - при 0,505 мкм (см. рис. 2.1). Угловое поле глаза (поле зрения) обычно разби­вается на три зоны: центрального зрения (около 4°), ясного видения (30...35°), в преде­лах которой возможно четкое распознавание большинства реальных объектов, и пери­ферийного зрения (до 75...90°), в которой объекты только обнаруживаются. Макси­мальное пространственное разрешение (острота зрения) относится к центральной ямке желтого пятна сетчатки, отстоящей примерно на 10° от оптической оси глаза. Это раз­решение зависит от яркости поля обзора, характера объектов, их контраста по отноше­нию к фону, на котором они наблюдаются. Увеличение средней яркости Ьср поля обзора

Приводит к уменьшению этого разрешения. Так, при £ср = 0,17 кд-м~2 разрешающая

2

Способность равна 1,4 угл. мин, а при Ьср = 18 кд-м она снижается до 0,58 угл. мин. Разрешение снижается и при уменьшении контраста. Так, при наблюдении черных то­чек на белом поле, т. е. при контрасте 100%, и средней яркости поля Ьср = 1 кд-м“2 раз­решение составляет около 1 угл. мин, а при уменьшении контраста до 10% оно снижа­ется до 6,3 угл. мин. Предельное разрешение среднего глаза с фокусным расстоянием

19.. .27 мм составляет 1 угл. мин для расстояния наилучшего зрения (около 250 мм).

Пространственно-частотные характеристики глаза зависят от пространственно­частотных характеристик зрачка, сетчатки, а также тремора - колебательного движе­ния оптической оси глаза. Характер зависимости порогового контраста глаза Кп = [Г10б - 1ф)/(10б + /.ф)]тт, определяемого для малых разностей яркостей объекта и фона, от яркости фона £ф очевиден из рис. 11.1 ,а, а от пространственной частоты /х - из рис. 11.1 ,б. В зависимости от характера спектра шума, имеющего место в системе, вид кривой, представленной на рис. 11.1Д может меняться. При преобладании низкочас­тотных шумов левая ее часть лежит выше, чем на рисунке; при преобладании высоко­частотных шумов выше минимума поднимается ее правая часть. Очевидно, что глаз наиболее чувствителен к периодическим структурам с пространственными частотами от 3 до 7 град'1.

Пороговый, т. е. предельно различаемый глазом, контраст зависит от времени на­блюдения. С ростом требований к различению объектов, т. е. к уменьшению Кп, время их наблюдения должно возрастать (см.§4.5). На рис. 11.1,в приведена зависимость по­рогового контраста Кп от яркости фона для разных времен наблюдения объекта ^ с видимым размером 4 угл. мин [143].

2

В интервале яркостей поля обзора, например экрана индикатора, от 1 до 40 кд-м инерционность зрения оценивается постоянной времени глаза (зрительного аппарата) порядка 0,05...0,2 с. Критическая частота мельканий, на которую еще реагирует глаз человека, также зависит от яркости и изменяется в диапазоне 10...50 Гц.

Информационные свойства зрительного аппарата характеризуются предельным ко­личеством информации, воспроизводимой сетчаткой глаза (около 2,2-106 бит). Сетчатка глаза способна пропустить 4,4-107 бит-с~', однако пропускная способность зрительного аппарата в целом близка к 72 бит-с-1.

Для обоснования требований к однородно­сти яркости отдельных элементов индикатора важно учитывать, что при разбросе яркости свечения до 20% среднего значения вероят­ность распознавания практически не снижает­ся, однако больший разброс не допустим.

Цветовая гамма изображений влияет на работу глаза. Так, инерционность зрения велика для красного цвета, являющегося кд-м'2 наилучшим по достоверности распознава­ния движущихся объектов. Однако крас­ный цвет (А, = 0,66 мкм) создает больший дискомфорт для наблюдателя, нежели, например, зеленый или желтый. Для одноцвет­ных экранов СОИ оптимален желто-оранжевый цвет. При использовании двух - или многоцветной системы отображения и системы окрашивания получаемых после элек­тронного тракта изображений можно наблюдать красные изображения объектов на черно-белом или желто-зеленом фоне.

При наблюдении изображений с экрана индикаторов с помощью окуляра необ­ходимо согласовывать размеры его выходного зрачка с диаметром зрачка глаза, за­
висящим от яркости наблюдаемого поля (от 3 мм при Ьср = 100 кд-м-2 до 6 мм при 1ср = 1 кд-м-2).

При разработке и выборе СОИ важно учитывать явления конвергенции и аккомо­дации, присущие зрительному аппарату человека, а также возможность в процессе работы изменять положение головы, т. е. расстояние от глаза до экрана и угловое по­ложение линии визирования. В процессе наблюдения перемещение головы наблюда­теля относительно экрана дисплея позволяет лучше различать либо мелкие детали изображения, либо крупные. Расстояние наилучшего зрения (различения) изменяется, при этом достигается наименьший пороговый контраст (см. рис. 11.1,о). Для ком­фортных условий наблюдения в лаборатории глаза наблюдателя не должны отстоять от экрана на расстояние, большее 4...8 размеров разглядываемого объекта по высоте. При этом, как указано в [142], минимальная разрешаемая разность температур АТР асимптотически приближается к (0,3...0,7) ДТ„.

Расстояния наилучшего зрения зависят от пространственной частоты периодическо­го объекта, наблюдаемого в угловом поле 30 мрад на экране дисплея размеров 35,5 мм:

Условия наблюдения всего экрана дисплея (монитора) наиболее комфортабельны, если расстояние до экрана в 4,7.. .9,3 раза больше его размера.

Явление конвергенции, состоящее в повороте оптических осей глаз на удаленный от на­блюдателя объект, позволяет воспринимать глубину изображаемого пространства, т. е. обеспечивает стереоскопическое зрение. Оно тесно связано с аккомодацией, состоящей в перефокусировке глаза на объекты, различно удаленные от наблюдателя. Поскольку изо­бражение на дисплее (экране) является двумерным (плоским), для передачи глубины про­странства требуются специальные оптические системы или устройства. В простейшем случае возможно перемещение в реальном масштабе времени вдоль линии визирования экранов, на которых формируются два изображения, с учетом бинокулярного параллакса зрительного аппарата. Кроме того, можно использовать зеркальную оптическую систему с переменным фокусным расстоянием или электрически управляемый жидкокристалли­ческий элемент. Последнее повышает надежность системы, уменьшает габариты, массу и потребляемую мощность.