Психофизическая квалиметрическая модель

Элементом разработанной методологии экспертной квалиметрии является психофизическая квалиметрия, методы которой детально проработаны для квалиметрической оценки результатов преобразования изображения в процессах кинематографических систем. Объектами субъективных психофизических квалиметрических экспертиз являются различные виды изображений:

-экранное изображение (киноизображение), являющееся результатом аналоговой кинопроекции;

- видеоизображение, полученное с помощью видеопроектора;

- экранное изображение в цифровом кинематографе;

- телевизионное изображение;

- изображение на дисплее компьютера;

- изображение на мониторе видеокамеры, фотоаппарата;

- изображение на мониторе камеры слежения, охранной системы;

- изображение, создаваемое Web- камерой;

-фотоизображение, полученное аналоговым фотоаппаратом, распечатанное на фотобумаге;

-фотоизображение, полученное цифровым фотоаппаратом, на дисплее, распечатанное на фотобумаге;

-изображение на экране мобильного телефона;

-фотоизображение, снятое с помощью мобильного телефона;

-изображение, являющееся результатом визуализации при измерениях, контроле, диагностических исследованиях;

- распечаток, полученный с помощью принтера и т.д.

Психофизические квалиметрические экспертизы предполагают моделирование характеристик изображения и оценку заметности вносимых изменений. Для проведения экспертиз необходимо соответствующее информационное, программное и приборное обеспечения. Информационное обеспечение включает таблицы, которые заполняют эксперты при проведении экспертизы, и квалиметрические презентации. Программное обеспечение используется для расчета статистических характеристик и итоговых значений обобщенных и интегральных показателей, а также для модулирования параметров изображения. Приборное обеспечение дает возможность преобразовывать и воспроизводить изображения, проводить объективную оценку оцениваемых субъективно параметров.

При проведении экспертизы учитывались определенные требования:

- результаты экспертизы являются более достоверными, когда экспертам задаются как можно более простые вопросы (заметно изменение или нет);

- для определения закономерностей на фоне большого числа внешних факторов необходимо получать большое количество экспериментальных данных, что требует соответствующего информационного и программного обеспечения (квалиметрических тест- фильмов, презентаций).

По параметрам, определяемым в результате проводимой экспертизы, рассчитывалось значение обобщенной характеристики

где - математическое ожидание коэффициента чувствительности i-го обобщенного квалиметрического параметра к j-му частному квалиметрическому параметру; ∆q_ij ,∆q_i,j+1 – отклонения частных квалиметрических параметров от эталонных значений; σ_{ij ­}, _­σ_i,j+1 - среднеквадратические отклонения коэффициентов чувствительности к частным квалиметрическим параметрам, ; r_{i,j; j+1} – коэффициент корреляции между коэффициентами чувствительности к частным квалиметрическим параметрам, .

Данная психофизическая модель квалиметрической оценки изображения может быть использована для расчета обобщенных характеристик изображения, а также на более высоком иерархическом уровне в качестве интегродифференциального показателя. При этом величина интегрального показателя Q рассчитывается с учетом отклонений значений обобщенных характеристик относительно эталонного значения в нормированной относительной шкале.

Аналогичная модель может быть использована и для решения задач, связанных с субъективной оценкой качества звука в аудио системах. Однако использование этой модели требует, конечно, детальной проработки как исследуемой предметной области ( в частности, на уровне формирования перечня выходных частных и обобщенных характеристик), так и разработки соответствующего приборного, информационного, программного обеспечения, позволяющего модулировать оцениваемые характеристики, формирования условий проведения субъективных экспертиз и т.д. Для решения этих проблем представляет теоретический и практический интерес, подход, приведенный в работе [4]

Методики проведения психофизических квалиметрических экспертиз по субъективной оценке качества изображения, приведенные в данной работе, детально проработаны для таких обобщенных характеристик изображения, влияющих на интегральное субъективное восприятие изображения, как яркость, детальность и геометрические искажения.

Одним из важнейших параметров изображения, конечно, является и цвет. При интегральной оценке качества изображения в совокупность характеристик должны входить и цветовые характеристики.

Целью разработки методологии субъективной оценки цветовых характеристик изображения является определение субъективных параметров цвета, которые могут быть введены в интегральную модель квалиметрической оценки изображения.

Сложность включения цветовых характеристик в интегральную квалиметрическую модель изображения заключается в том, что хотя для измерения цветовых характеристик разработаны достаточно точные приборные методы, существует слишком большое количество влияющих факторов и психофизиологических эффектов, не позволяющих на основе результатов приборных измерений установить однозначное соответствие между полученными результатами и субъективным восприятием цветовых характеристик изображения.

Среди факторов, которые влияют на субъективное восприятие цвета и которые должны учитываться при проведении субъективной квалиметрической экспертизы по оценке цветовых характеристик, следует назвать такие, как [5-7]:

- зависимость субъективного восприятия цвета от уровня освещенности: при большей освещенности сигналы цветоразличения становятся сильнее, повышается разнообразие и яркость окраски;

- влияние величины цветового поля на восприятие цвета: при малом угловом поле (менее ) восприятие синего цвета исчезает;

- влияние яркости фона на воспринимаемый цвет: черный фон усиливает яркость цветных полей, но снижает его насыщенность; при просмотре телевизионных передач при свете расширяется гамма цветовосприятия;

- влияние цвета окружающего фона (этот эффект известен, как «одновременный цветовой контраст»);

- цвет фона может быть одинаковым, но при наложении на него черного узора он воспринимается темнее, а при наложении белого узора – светлее (эффект распространения Бецольда);

- при рассматривании красно- синих изображений на некотором расстоянии эти изображения воспринимаются фиолетовыми: красный свет фокусируется на сетчатке или близко к ней, а синий – на значительном расстоянии перед ней, в итоге на сетчатке образуется большое расплывчатое синее изображение, которое накладывается на красное изображение, что приводит к восприятию фиолетового цвета;

- эффекты восприятия цвета, возникающие из-за текстуры (различий в цвете и яркости, по которым распознается природа поверхности) и блескости (например, металлический блеск, по которому можно различить медную, латунную, золотую, серебряную, хромированную поверхности);

- влияние насыщенности цвета на его яркость (эффект Гельмгольца - Кольрауша): некоторые цвета (в большей степени, красные, чем желтые) кажутся ярче при большей насыщенности;

- влияние изменения яркости на восприятие цветового тона: при большей яркости красный цвет кажется желтее, а фиолетовый и сине-зеленый – синее и др.

Хотя перечисленные выше эффекты и являются, в первую очередь, предметом исследования психофизики, а не квалиметрии, их необходимо учитывать при организации корректных субъективных психофизических квалиметрических экспертиз по оценке цветовых характеристик изображения.

Методология субъективной квалиметрической оценки цветовых характеристик изображения, результаты использования которой могли бы принести практическую пользу при решении задач в кинематографии, должна включать определенные элементы.

Перед проведением квалиметрической экспертизы по оценке цвета изображения необходимо сформулировать функциональную модель анализируемого объекта, в которую должны входить:

1. Перечень субъективных характеристик, влияющих на восприятие цвета; основой универсальной модели, очевидно, должны являться такие характеристики, как цветовой тон, насыщенность и светлота; в то же время для различных видов изображений в перечисленный перечень могут войти какие-то дополнительные параметры.

2. Перечень соответствующих физических коррелятов для выбранных субъективных психофизических характеристик, который позволит при проведении экспертизы модулировать значения характеристик за счет изменения физических параметров. Так, физическими коррелятами выбранных характеристик, очевидно, являются, длина волны, спектральная чистота и отражательная способность.

3. Перечень тест-объектов, соответствующих основным цветам (красному, желтому, зеленому и синему) или цветам типовых элементов изображения.

Алгоритм проведения субъективной экспертизы по оценке цвета не может быть универсальным, поскольку в ходе экспертизы могут решаться различные задачи:

- сравнительный квалиметрический анализ качества цветовоспроизведения технических средств;

- оценка качества цветопередачи при преобразованиях изображения;

- оценка стабильности цветовых характеристик изображения, обеспечиваемого техническим средством;

- оценка явного гарантированного различия цветов элементов изображения (такая задача связана с субъективной оценкой порога цветоразличения) и т.п.

При сравнительном квалиметрическом анализе средств воспроизведения изображения по совокупности характеристик, в которую входят и цветовые характеристики, последовательность проведения субъективной квалиметрической экспертизы по оценке уровня качества такой обобщенной характеристики, как цвет, может быть следующей:

- построение градуировочных зависимостей между модулирующими физическими параметрами и соответствующими им психофизическими коррелятами;

- экспериментальное определение коэффициентов чувствительности к частным субъективным параметрам, определяющим качество цвета, в соответствии с выбранной функциональной моделью;

- экспериментальная оценка возможности обменных соотношений между коэффициентами чувствительности к частным субъективным параметрам;

- расчет статистических параметров проведенных экспериментальных исследований;

- построение оценочных шкал для выбранных частных параметров;

- расчет уровня обобщенной характеристики с использованием соответствующей модели обобщенного показателя с учетом коэффициентов чувствительности к частным субъективным параметрам, парных коэффициентов корреляции между коэффициентами чувствительности к частным параметрам, статистических параметров проведенных экспертиз (средних арифметических значений коэффицинтов чувствительности, их среднеквадратических значений), отклонений количественных значений частных субъективных параметров от эталонных значений в нормированной относительной шкале в соответствии с разработанной оценочной системой.

Решение проблемы субъективной оценки цвета требует разработки специального теоретического и приборного инструментария и является неотъемлемым элементом психофизической квалиметрии изображения.