Várady Géza
MEZOPOS ÉRZÉKENYSÉGI FÜGGVÉNYEK MEGHATÁROZÁSA KONTRASZTKÜSZÖB VIZSGÁLATOK SEGÍTSÉGÉVEL, MODELLEZÉS A KROMATIKUS HATÁSOK FIGYELEMBEVÉTELÉVEL
Doktori (PhD) értekezés Témavezetı: Dr. Schanda János
Pannon Egyetem
Informatikai Tudományok Doktori Iskola Veszprém
2006
MEZOPOS ÉRZÉKENYSÉGI FÜGGVÉNYEK MEGHATÁROZÁSA KONTRASZTKÜSZÖB VIZSGÁLATOK SEGÍTSÉGÉVEL, MODELLEZÉS A KROMATIKUS HATÁSOK
FIGYELEMBEVÉTELÉVEL
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében
Írta:
Várady Géza
Készült a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori iskolája keretében Témavezetı: Dr. Schanda János
Elfogadásra javaslom (igen / nem)
(aláírás)
A jelölt a doktori szigorlaton …... % -ot ért el,
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:
Bíráló neve: …... …... igen /nem
……….
(aláírás) Bíráló neve: …... …... igen /nem
……….
(aláírás)
A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el
Veszprém, ……….
a Bíráló Bizottság elnöke
A doktori (PhD) oklevél minısítése…...
………
Az EDT elnöke
Tartalomjegyzék
1. Összefoglalás, a munkám célja ... 4
1.1 Summary, aim of my work... 5
1.2 Zusammenfassung, Ziel meiner Arbeit ... 6
2. Bevezetés... 7
3. Irodalmi áttekintés ... 7
3.1 Jelek útja az agyba... 11
3.2 Korábbi mezopos modellek... 19
3.3 Reakcióidıkön alapuló mezopos fotometria ... 21
3.4 Színi csatornák szerepe a mezopos látásban, mezopos kontrasztküszöb kísérletek... 25
3.5 Valós vizuális feladatokhoz közel álló mezopos látásmodell ... 28
4. Kontrasztküszöb kísérlet kvázi-monokromatikus szőrık segítségével ... 31
4.1 Módszer ... 31
4.2 Mérıberendezés... 31
4.3 Fényinger... 33
4.4 Megfigyelık ... 34
4.5 A kísérlet folyamata ... 35
4.6 Az adatok feldolgozása ... 37
4.7 A kapott eredmények statisztikus kiértékelése... 44
4.8 A görbék felhasználása... 48
5. A kapott eredmények leírása különbözı modellek segítségével... 49
5.1 Egyszerő, akromatikus modellek ... 49
5.2 Színi tagokat figyelembe vevı modell ... 58
6. Összefoglalás... 78
7. Tézisek... 79
8. Köszönetnyilvánítás ... 82
9. Irodalomjegyzék... 83
1. Összefoglalás, a munkám célja
Munkám célja a mezopos (szürkületi) látás valós körülményekhez hasonló körülmények közötti felmérése a lassabb, kromatikus csatornák figyelembevételével.
Mivel az éjszakai közlekedés a mezopos tartományban történik, fontos kérdés az ilyenkor mőködı mechanizmusok pontos feltérképezése. A látási feladatokhoz jelenleg használt súlyfüggvény a szem nappali érzékenységén alapul, ezért ezt helytelen a mezopos körülmények között végzett vizuális feladatok számításainál használni.
Az emberi látásmechanizmus meglehetısen bonyolult a mezopos tartományban, így nehéz általános érvényő, de egyszerő modellel leírni. Többen alkottak modellt a szürkületi látás leírására, de ezek vagy csak egyes mechanizmusokat vettek figyelembe a több együttmőködı közül, vagy meglehetısen bonyolult szabályrendszerrel próbálták a mőködést leírni.
Célom a MOVE Konzorcium partnereivel való együttmőködés folyamán a mezopos látást vizsgáló pszichofizikai kísérletsorozat megtervezése, kivitelezése és a kapott adatok feldolgozása volt.
Munkám során több kísérleti módszert próbáltam ki, végül az elıkísérletekbıl nyert tapasztalat valamint az elıkísérletek eredményeinek feldolgozása után sikerült egy olyan módszert találnom, mellyel hatékonyan mérhettem le a kísérleti személyek szürkületi látásteljesítményét.
Az irodalomban található újabb mezopos modellekrıl megmutattam, hogy nem kellı pontossággal írják le a kapott adataimat, mivel fontos látási mechanizmusokat hagynak figyelmen kívül.
A jelenleg ismert látási mechanizmusok segítségével olyan modellt alkottam, mely jól írja le a kísérleti személyek szürkületi látását.
A kísérleti módszerem körülményei nagyon közel állnak az éjszakai közlekedés körülményeihez, így a kapott eredmények és görbék jól használhatóak az éjszakai közlekedéshez szükséges számításokhoz.
1.1 Summary, aim of my work
DEFINING MESOPIC SENSITIVITY FUNCTIONS WITH THE HELP OF
CONTRASTTHRESHOLD EXPERIMENTS, MODELING WITH CONSIDERATION OF CHROMATIC CHANNELS
My aim is to measure (twilight) vision under circumstances similar to real life conditions, considering the slower chromatic channels as well.
Since nighttime traffic takes place under mesopic visual situation, it is essential to investigate which mechanisms are active under such conditions.
The spectral sensitivity function nowadays used for calculating visual tasks is based on the photopic (daytime) sensitivity of the eye, therefore it is inappropriate to use it under mesopic conditions.
Human vision is rather complex in the mesopic region, accordingly it is hard to describe it by a general but simple model.
Several models have been created to describe twilight vision, but these either considere only some of the numerous mechanisms working together or use a fairly complex way to describe the whole process.
My objective was the design and implement mesopic psychophysical experiments in collaboration with the MOVE (Mesopic Optimisation of Visual Efficiency) Consortiums partners and evaluate the data I got.
In the course of my work I tried several experimental methods. From the pilot experiments and the data gained, I was able to create a method with which I could measure the mesopic visual performance of the test persons efficiently.
I showed that the recent mesopic models, which can be found in the literature, describe my experimental data inaccurately, since they do not take into consideration important mechanisms of vision.
By means of current knowledge of visual mechanisms, I created a model, which describes the mesopic vision of the test persons accurately
The conditions of my experimental method resemble nighttime driving well enough, and as such, the abbreviated results are usable for calculations necessary for nighttime traffic.
1.2 Zusammenfassung, Ziel meiner Arbeit
VERMESSUNG MESOPISCHER EMPFINDLICHKEITSKURVEN MIT HILFE SCHWELLENKONTRAST-UNTERSUCHUNGEN, MODELIERUNG MIT BEACHTUNG
DER KROMATISCHEN EFFEKTE
Das Ziel meiner Arbeit ist die Vermessung des mesopischen (Dämmerung) Sehens unter Beachtung der langsameren kromatischen Kanäle, unter Umständen die den natürlichen Sehsituationen nahe kommen.
Da der Nachtverkehr im mesopischen Bereich geschieht, ist die Aufklärung der in dieser Zeit wirkenden Mechanismen eine wichtige Frage. Die Funktion, die bei Sehaufgaben heutzutage benutzt wird, basiert auf die Empfindlichkeit der Augen am Tag, so ist dessen Gebrauch für Berechnungen mesopischer Sehaufgaben falsch.
Der menschliche Sehmechanismus ist unter mesopischen Umständen ziemlich kompliziert, so ist es schwer ein allgemein gültiges, doch einfaches Modell dazu geben.
Es sind mehrere Modelle für mesopisches Sehen entstanden, doch diese berücksichtigen entweder nur wenige der zusammenwirkenden Mechanismen, oder beschreiben die Erscheinung höchst kompliziert.
Mein Ziel war in Zusammenarbeit mit dem MOVE Konsortium, die Planung und Ausführung einer psychophysischen Experimentserie, welche das mesopisches Sehen untersuchte. Eine weitere Aufgabe war die Analyse der enstandenen Daten.
Während meiner Arbeit habe ich mehrere Methoden untersucht. Schließlich habe ich mit Hilfe der erzielten Daten und der Erfahrungen der Vorexperimente eine Methode entwickelt, womit ich der ich die mesopische Sehleistung der Versuchspersonen effizient bestimmen konnte.
Ich habe es gezeigt, das die unlängst erschienene Methoden meine Daten nicht genügend exakt beschreiben, weil sie einige wichtige Sehmechanismen außer Acht lassen.
Auf Grund der gegenwärtigen Kenntnisse des Sehen habe ich ein Modell gebaut, das die Daten der Versuchspersonen gut beschriebt.
Die Methoden meiner Untersuchung stehen nahe zu den Umständen des Nachtverkehrs, so kann man dessen Ergebnisse zur Berechnungen der Sehleistung im Nachtverkehr gut benutzen.
2. Bevezetés
Az emberi látás bonyolult, még nem teljesen feltárt folyamat. Sokat tudunk a szem optikájáról, a receptorokról és az ezekbıl az agyba futó idegpályákról, kevesebbet az agyi területek aktivitásáról.
A szem egy fényképezıgéphez hasonlóan mőködik. A beesı fény képe a retinán egy fordított állású képet alkot. Ezt a képet a szemlencse állítja élesre a retinán. A retináról a kép különbözı sejthálózatokon és idegpályákon keresztül az agyba jut, abba a szervünkbe, mellyel valójában a látás történik.
Tudjuk, hogy az emberi látás másképp mőködik nappal, éjjel valamint az átmeneti idıszakban, a mezopos fénysőrőség tartományában. Míg nappal a szem spektrális érzékenységének maximuma a zöldes színőnek tőnı 555 nm hullámhosszúságú sugárzásnál van, addig az éjszakai spektrális érzékenység maximuma a kékesnek látott 505 nm hullámhosszúságú sugárzáshoz tolódik. Ezt az eltolódást nevezzük Purkinje-eltolódásnak1,2.
Míg nappal a színeket jól látjuk, éjjel csak a formák, kontraszt és mozgás alapján tájékozódunk.
Ezek a különbségek a szemben található két különbözı érzékelınek köszönhetıek.
Nappal három különbözı hullámhossztartományra érzékeny érzékelık, a „csapok” játszanak fı szerepet a látásban, éjjel és a periférikus látásnál pedig a gyorsabb reagálású, de csak egy hullámhossztartományra érzékeny, „színvak” pálcikák dolgoznak.
A mezopos átmeneti tartományban a csap és pálcika mechanizmus váltja egymást, míg az elsı egyre gyengébben mőködik, a második egyre erısebben. Ez az átmenet azonban nem egy egyszerő lineáris átmenet, sokkal inkább egy bonyolult és eddig fel nem tárt folyamat, melyet már többen megpróbáltak felvázolni.
3. Irodalmi áttekintés
Az emberi látás elsıdleges szerve a szem. Ez a nyomott gömb formájú szerv tartalmazza az emberi látás optikai és érzékelı rendszerét. Már az ókorban is tudták, hogy a látás érzékelı szerve a szem, de a pontos mőködése és megértése nem túl régi eredmény. Ehhez a pontos megismeréshez szükség volt a lencsék és lencserendszerek ismeretére, mely többek között Galileo Galilei (1564-1642) és Johannes Kepler nevéhez főzıdik (1571-1630)3.
A szem optikáját az 1. ábra mutatja. A vizuális inger (stimulus), azaz az optikai sugárzás, melyet gyakran szintén a „fény”* szóval szoktak illetni, a cornea-t éri elıször, mely a szem legkülsı rétege, és a képalkotáshoz szükséges fénytörés legnagyobb részét ellátja. Miután a fény a cornea után átment az elülsı csarnokon (aqueous humor), eléri a szivárványhártya (iris) által szabályozott kerek nyílást, a szembogarat (pupilla). A szem színét az irisz határozza meg. Az irisz szabályozza, hogy a pupillán mennyi fény haladjon át. A pupilla belsı oldalán helyezkedik el a lencse, melynek formáját a sugártest (corpus ciliar) izmai szabályozzák. A lencse fókuszálja a fényt a retinára így képezve megfelelı éles képet azon. A lencse formájának változtatásával különbözı távolságú tárgyakra tudunk fókuszálni. Ezt a folyamatot akkomodációnak nevezzük.
1. ábra: A szem optikája.
Miután a fény átjutott a szem optikáján, a retinának ezt a képi információt idegi jelekké kell alakítania ahhoz, hogy az agy fel tudja dolgozni azokat. A retinán három különbözı típusú fotoreceptor található: csapok, pálcikák és egy nemrég felfedezett új receptor. Pár évvel ezelıtti vizsgálatok (2002) kimutatták, hogy a retinában fellelhetı fényérzékeny ganglion sejt a biológiai óra szinkronizálásáért felelıs és nincs közvetlen szerepe a látásban4, így ezzel tovább nem foglalkozom.
A retinán a pálcikák vannak többségben, a csapok és pálcikák aránya 120 millió a 8 millióval szemben, a pálcikák javára. A pálcikák nagyon érzékenyek a fényre és a retina minden részén megtalálhatóak, kivéve egy kis területet, a foveát, melyben csak csapok találhatóak igen nagy sőrőségben. Egészen a fovea közepén nincsenek kék-érzékeny csapok5, erre a tényre foveális tritanópiaként is szokás utalni. Rögtön a kék csapok nélküli középpont körül azonban egyre
* A mindennapos szóhasználat szerint én is fénynek nevezem dolgozatomban az optikai sugárzást, mely fény érzékletet kelt.
gyakoribbak a kékre érzékeny csapok, sőrőségük maximuma a Curcio és munkatársai6 által mért több mint 2000 cella/mm2, 1°-os excentricitáson.
A pálcikáknak kis fénysőrőségi, szkotopos szinteken van nagy szerepe, bár Aguilar és munkatársai7 mérései alapján 120-300 cd/m2 fénysőrőségi szinteken is aktívan közremőködhetnek a látásban.
A napközbeni, fotopos látásért és a színek megkülönböztetéséért azonban fıleg a csapok felelısek.
Három, különbözı színképi érzékenységő csap található a retinán (2. ábra).
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780
hullámhossz (nm)
relatív spektrális érzékenység LM
S
2. ábra: Csap érzékenységek.
Vannak hosszú, közepes és rövid hullámhosszúságú hullámokra érzékeny csapok, melyeknek nevei a megfelelı angol long, middle és short wavelength sensitive szavakból adódóan L-, M- és S-csapok.
Stockman és munkatársai8,9,10 több módszerrel igen pontosan bemérték ezen csapérzékenységeket.
A csapok a retina központi részében fordulnak elı nagy számban és egyre ritkábban a retina szélei felé. A foveában csak csapok vannak. A fovea az a terület, melyre a vizuális mezı középsı kb. 4 foknyi része vetül. Ezt a területet teljesen lefedi egy sárgás pigmens folt, a sárga folt, más néven a macula lutea. Ezen területen történik a nagyfelbontású látás, a részletek felismerése.
A fotoreceptorokból az információ a bipoláris, kétnyúlványú sejteken át az amakrin, több nyúlványú sejtekbe jut, melyek a ganglion sejtekkel vannak összeköttetésben (3. ábra).
A ganglion sejtek nyúlványai képezik a látóideget11. A látóideg a ganglion sejtektıl a retinán elhelyezkedı vakfolton át halad az agy felé a keresztezıdésbe (optic chiasm). Itt a látómezı jobb és bal felébıl érkezı idegkötegek az agy jobb illetve bal oldali részébe indulnak. A keresztezıdésbıl idegkötegek (tractus opticus) mennek az ikertestekhez (colliculus superior) illetve a látókéreghez, a lateral geniculate nucleus-on (LGN) át, mely hat rétegő struktúra. Az alsó két réteget nagy mérető sejtek (magnocelluláris), míg a felsı négy réteget kis mérető sejtek (parvocelluláris) alkotják. Ez utóbbi a színi információkat, míg a magnocelluláris csatorna a világossági információkat továbbítja a látókéreg (striate cortex vagy „area 17” vagy V1) felé12. (Ezekrıl a csatornákról részletesebben késıbb írok.)
A cortexben történik meg a kép végsı feldolgozása. Az itt lévı idegsejtek közvetlen kapcsolatban állnak az agy többi részével, az emlékezettel, a többi érzékelı központtal, és együtt alakítják ki a látott (hallott, ízlelt, szagolt, tapintott) kép értelmezését. Itt alakul ki a végsı színészlelet is.
3. ábra: Retina rétegei és kapcsolataik Dowling és Boycott után (1966)22.
Az a „kép” alakul ki, amelyet „látunk”, amit elraktározunk, és amire emlékezünk. A cortex mőködésérıl még nincsen részletes tudásunk, napjaink biológiai, fiziológiai kutatásának központjában áll. A retina különbözı rétegeinek feladatáról és modelljeirıl bıvebben Werblin és munkatársai13 írnak.
3.1 Jelek útja az agyba
Bár a látás fı feladatát az agy végzi, egyes elı-feldolgozások már a retinán megtörténnek.
A retinán található három féle csap jeleinek elméletét Young és Helmholtz nevéhez kötjük, mely szerint a három receptor tüzelési gyakorisága a beérkezı inger spektrális eloszlásától függ. Ez az elmélet receptor szinten máig elfogadott, a teljes mőködést azonban nem jól írja le. Egy másfajta mőködést számos ellentmondás alapoz meg. Egy ilyen például a következı14. Az L csapok érzékenységének maximuma 565 nm körül van, mely hullámhossz zöldessárga érzetet okoz. Az M csapok maximuma 540 nm körül van, mely hullámhossz sárgászöld érzetet okoz. Mindkét receptor érzékenységének nagy része a tiszta sárga (575 nm) zöldes oldalára esik. A zöldessárga és sárgászöld keverékébıl azonban hogy lesz tiszta sárga érzet? Ezt a paradoxont az indukálja, ha a színi észleletet pusztán a csapok aktivitási szintjéhez próbáljuk kötni. A receptorok jelei azonban nem ebben a formában továbbítódnak az agy felé.
A Young-Helmholtz elmélet egyik legvérmesebb ellenzıje Ewald Hering volt, aki állította, hogy a színlátás nem a három különbözı csapocskán alapul, hanem a négy ısszínen (Unique hue), melyek a piros, zöld, sárga, kék valamint a két akromatikus jelen, melyek a fekete és fehér.
A Hering-féle modellben a négy ısszín, valamint az akromatikus pár három antagonisztikus párt alkot. Hering szerint ezen párok szemközti tagjai egyikének, pl. a vörösnek megléte bizonyos „látás anyag” eltőnését, deaktiválódását, míg másikának, pl. zöldnek megléte ezen anyag megjelenését, aktiválódását hozza magával. Ezen „látás anyag” azonban nem a receptorok fotopigmentjei, sokkal inkább a látásmechanizmus meghatározatlan pontján lévı, egy még nem azonosított fiziológiai mennyiség.
A csapok, fıleg a hosszú és középhullámhosszú csapok, spektrális érzékenységeinek átfedése megalapozottá teszi további feldolgozási mechanizmusok mőködését.
A négyféle receptor jelei három külön csatornán hagyják el a szemet. A három színre érzékeny csapocska, L, M és S jelei Hering opponens elmélete szerinti különbségi jelekként indulnak az agy felé15. Az egyik színi csatornán a hosszú és közepes hullámhosszúságú hullámokra érzékeny csapok jeleinek különbsége megy (L-M), a másikon pedig a hosszú és közepes hullámhosszúságú hullámokra érzékeny csapok együttes jeleinek és a rövid hullámhosszúságú hullámokra érzékeny csapok jeleinek különbsége utazik (L+M-S). Az elsı (L-M) jel azt mutatja, hogy az adott színben mekkora a zöld és piros színek aránya, a második (L+M-S) jel pedig a sárga és kék színek aránya szerint áll be. Ez a modell jól követi azt a tényt, hogy a zöld-piros és sárga-kék színpárok opponens
színek, nem látunk zöldes-piros vagy sárgás-kék színeket. Az opponens színeket egymás terhére észleljük. A különbségi jelek továbbá lehetıvé teszik, hogy az átfedı érzékenységő csapokból ne kerüljön redundáns információ az agyba. Az akromatikus jelek csatornáján a pálcikák jele és az L és M csapok jelei kombinálódnak.
Ez az elmélet elég jól írja le a színlátást, bár nem teljes. Például, nem magyarázza azt a tényt, hogy a kis hullámhosszúságú ibolya színek és a hosszú hullámhosszúságú vörös színek között hasonlóságot látunk, pedig a receptorok spektrális érzékenysége vagy egyik, vagy másik tartományban elhanyagolható. További ellentmondásokra Gouras16 is rámutat. Véleménye szerint az L és M csapok különbségi jelének szerepe csupán a spektrális érzékenység szőkítése, hasonlóan egyes madarak, halak és hüllık retináján található olajcseppekhez. Ezek a cseppek szőkítik azt a tartományt, melyben a cseppek alatti receptorok reagálnak, ezzel növelve a színi kontrasztot.
A ganglion sejtek két csoportba oszthatóak. A magnocelluláris (MC) csatorna sejtjei nagyok, a jelterjedés gyors (15 m/s). A parvocelluláris (PC) csatorna sejtjei kisebbek és az (L-M) illetve (M-L) jeleket továbbítják, a jelterjedés lassabb (6 m/s).
Az MC és PC csatornák mellett ú.n. koniocelluláris csatorna is létezik. Ez felépítését tekintve a PC csatornára hasonlít, de jelei nem az LGN-be hanem az LGN rétegközti részébe mennek, és az (S-L) és (M-S) jeleket továbbítják.
A retina ganglion sejtjeinek közel 10%-a az MC csatornát alkotja, melyen nem opponens, akromatikus kontrasztra érzékeny jelek haladnak. Ezen jelek az L és M csapok jelösszegeibıl épülnek fel.
A retina ganglionsejtjeinek további közel 80%-a alkotja a PC és KC csatornát, melyen opponens, színi információk haladnak.
A retina ganglionsejtjeinek végsı, közel 10% -a valószínőleg a szemmozgásért és pupillareflexióért felelıs.
A magasabb rendő emlısöknél szinte minden ganglionsejt ún. koncentrikus receptív mezıvel rendelkezik. A színi jelekre reagáló 1,2 millió ganglionsejt 90%-a az L és M csapok jeleit fogadja.
Ezen ganglionsejtek az L és M csapok csoportjának, mint receptív mezınek a jeleit kezelik.
Ezek a receptív mezık átlapolódóak is lehetnek, illetve mindig egy központi foltból, valamint az ezt körülvevı sávból állnak (4. ábra).
4. ábra: Két féle csapból (kék és lila színnel jelölve) felépülı receptív mezık.
A központi folt és a környezı sáv csapocskái a Hering féle opponens elméletnek megfelelıen (L és M) illetve (L, M és S) típusú mezıket alkot. Egy L-M típusú receptív mezı magja L csapokból áll, az ezt körülvevı sáv pedig M csapokból. Egy ilyen receptív mezı magja a hosszú hullámhosszúságú ingerre nagy jelfrekvenciával reagál, míg a környezı sáv ugyanerre az ingerre kis frekvenciás jellel.
Az ingerlés nélküli receptív mezı egy nyugalmi köztes frekvenciájú jelet ad. A fentiekbıl következik, hogy ez a receptív mezı a pontszerő hosszú hullámhosszú ingerre, mely csak a központot éri, nagy frekvenciájú jellel reagál, míg ha ez az inger az egész receptív mezıt lefedi, a receptív mezıt definiáló ganglion sejt jele csak kicsivel lesz a nyugalmi állapot felett, hisz a környezı sáv az ingerre egy „gátló” alacsony frekvenciával reagál. A legnagyobb frekvenicájú jelet akkor kapjuk, ha a középpont hosszú, a körülvevı sáv pedig közepes hullámhosszúságú ingert kap.
Hasonló folyamat játszódik le az M-L esetben is, csak épp a közepes hullámhosszúságú ingerre.
Ez a mőködés retina szinten megalapozza az egybefüggı színes homogén felületek és azok éles színi határainak a detektálását. A receptív mezık kontrasztkiemelı hatását jól szemlélteti az ún. Hermann rács (5. ábra), mely fehér alapon fekete négyzetekbıl áll. A négyzetek közötti keskeny fehér sávok találkozási pontjaiban szürkés folt illúziója jelenik meg.
Ez annak köszönhetı, hogy a fekete-fehér határon a kontrasztkiemelı hatás intenzívebb benyomást kelt a fehér sávról, mint a sávkeresztezıdésekben, ahol nincs határoló fekete.
5. ábra: Hermann rács. A világos rácsvonalak találkozásaiban látni vélt szürke foltok illúziója a retina szinten végbemenı kontrasztkiemelı hatásnak köszönhetı.
Az L és M típusú mezık tovább bonthatóak ON- (növekmény) és OFF- (csökkentı) csoportokra.
Ezek alapján L-M ON, L-M OFF valamint M-L ON és M-L OFF csoportok illetve az L és M valamilyen kombinációjából és S-bıl álló két csoport létezik.
Az ON-, és OFF-csoportok között a fı különbség a sötét állapotban fennálló eltérı tüzelési gyakoriság, valamint az inger növekedésére és csökkenésére való reakciójuk különbözı polaritása.
Az ON csoportok gyengén gátoltak, míg az OFF csoportok alap tüzelési frekvenciája nagyobb sötétben és teljesen elnyomott nagy fénysőrőségek esetén. Ezen nagy fénysőrőségek esetén az ON csoportok érvényesülnek, illetve nagyon nagy intenzitás esetén már az opponens hatás nem is érvényesül, minden nagy hullámhossz kiváltja a heves reakciót. Egy további különbség hogy az OFF csoportok nagyobb kontrasztérzékenységgel rendelkeznek mint az ON csoportok. Az ON és OFF csoportok fenti különbségeinek köszönhetıen az együttes dinamikatartomány négy nagyságrendnyi.
A színi érzékelés fenti receptív mezık szerinti mőködését látszik alátámasztani az is, hogy a céltárgyak észlelt színét erısen befolyásolja a háttér is. Sokszor akkor is látni vélünk színeket, mikor mérhetıen nincsenek ott17.
A legújabb kutatások14 kimutatták, hogy az idegi opponens jelek által meghatározott (L-M) és (L+M-S) jellegő jelek által szolgáltatott jel szélsı értékek nem egyeznek meg a pszichológiailag
észlelt „sem nem zöldes, sem nem vöröses” sárga ısszínnel (Unique hue ) (és hasonlóan az ıs vörös, kék és zöld színre vonatkozóan).
Annak ellenére hogy számos opponens modell ezt sugallja, az ilyen opponens hatással mőködı cellák nem közvetlen felelısek az ısszínek érzékeléséért. Ezen bonyolultabb jelek további komplex feldolgozása az agyban adja a végsı színi észleletet, mely már nem csak a mérhetı ingerek és jelsorozatok, de egyéb mentális folyamatok során jön létre.
Az idegpályák mőködését és az agyi jelfeldolgozást természetesen embereken nem lehet vizsgálni. Az állatkísérletek pedig csak különbözı közelítéseket nyújthatnak. Ezért nagy jelentısége van a pszichofizikai kísérleteknek is. A pszichofizikai kísérletek segítségével pontos biológiai ismeretek nélkül lehet a látásmechanizmus egy használható közelítését leírni.
A világosság észlelet pszichofizikai kísérletek segítségével történı meghatározásának fı módszerei a következık18:
• Direkt heterokromatikus világosságegyeztetés
• Küszöb módszerek
o Villogásos fotometria o Kontrasztküszöb
• Határvonal éles kirajzolódásán alapuló fotometria
• Reakcióidıkön alapuló fotometria.
A fentebb tárgyalt MC és PC csatornák eltérı jelsebességei miatt a villogásos fotometria illetve reakcióidıkön alapuló módszerek az MC pálya gyors csatornáin folyó jelfolyamok mőködésérıl adnak felvilágosítást.
Cheng és munkatársai19 megmutatták, hogy vizuális keresési feladatokban a PC pályák magukban lényegesen nagyobb reakcióidıket eredményeztek, mint az MC pályák jeleivel kombinálva.
Mivel a V(λ)-t elsısorban a villogásos fotometria segítségével határozták meg, az MC pálya jelfolyamára jellemzı érzékenységet ad. Az MC idegpálya az ún. „vizuális fénysőrőség”-et közvetíti20. Ezen információkra fenn áll Abney törvényeibıl az összegezhetıség és az arányosság.
A PC pálya és valószínőleg a KC pálya a színezet és telítettség, azaz a színi információk továbbításában játszik szerepet. Ez a mechanizmus nem additív, és az ún. „világosság észlelet”-ben is közrejátszik.
A fénysőrőség a fentiekbıl adódóan csupán akromatikus ingerek esetén az észlelt világosság pszichofizikai megfelelıje20. A világosság észleletbe már a PC és KC csatornák jelei is, mezopos fénysőrőségi tartományban a pálcika kölcsönhatással együtt, közremőködnek.
Ebbıl adódóan a villogásos fotometrián és reakcióidıkön alapuló kísérletek, valamint a világosság egyeztetı és kontrasztküszöb módszerekkel kapott színképi érzékenységek eltérıek21.
Míg a határvonal éles kirajzolódása és a villogásos fotometria a fotopos fénysőrőségi tartományban követi Abney törvényét2,22 , azaz arányos és additív (lineáris fotometria), addig a heterokromatikus világosságegyeztetésen alapuló világosság-észlelési függvények nem vezetnek lineáris fotometriához23,24. A heterokromatikus világosságegyeztetési kísérleteknél fellép az ún. Helmholtz- Kohlrausch effekt, azaz megegyezı fénysőrőségek mellett, az erısen telített színek világosabb érzetet keltenek, mint az akromatikusak25.
A szem nappali, fotopos spektrális érzékenységét heterokromatikus világosságegyeztetés és villogásos fotometriai módszerekkel határozták meg, és ezt a CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) 1924-ben javasolta használatra26. Ez a spektrális fényhatásfok, vagy más néven láthatósági függvény, melyet V(λ)-nak hívunk, az átlagos emberi szem nappali, 10 cd/m2 fénysőrőség feletti spektrális érzékenységére jellemzı, ezt használja a szabványos fotometria.
A V(λ) görbének egyetlen maximuma van és elsı közelítésben használható a szem nappali látási viszonyok közötti viselkedésének modellezésére. Számos szerzı említi, hogy a nappali körülmények között mért érzékenységnek is több lokális maximuma van, bár ezek a maximumok a módszertıl függıen egészen elenyészık lehetnek21,23. Pontosabb mérések kimutatták, hogy a V(λ) görbe a színkép kék tartományában alulbecsüli a szem érzékenységét. Látásfiziológiai vizsgálatokhoz Judd2 1951-es VM(λ)27,28 görbéjét szokás használni, mely a rövidebb hullámhosszúságú tartományban hangsúlyosabb, mint a V(λ).
Villogásos fotometriánál figyelembe kell venni a következıket. A ganglionsejtek egy része az érzékelı sejtek mezıihez úgy kapcsolódik, hogy a receptív mezı központi része serkentıen hat (növeli a tüzelési gyakoriságot), a központi mezıt körülölelı tartományból jövı ingerlés gátló hatású (csökkenti a tüzelési gyakoriságot). Más ganglion sejtek kimenı jele fordított ingerlés/gátlás hatást mutat. Ez a mőködés fényérzékeny kapcsolók mőködéséhez hasonlítható, melyek a fényre pozitív, sötétre negatív választ, illetve fordítva adnak. Ilyen esetekben a jelek között fáziseltérés van, mely a villogásos fotometriával kapott mérési eredményeket befolyásolhatja29. Fontosnak érzem mégegyszer hangsúlyozni, hogy a színi észlelés szintén hasonló mechanizmusok alapján történik, valamint hogy a színi információk a lassabb reagálású PC ill. KC csatornákon továbbítódnak, sıt a színi jelek között is létezik idıbeli különbség30.
1951-ben a fenti V(λ)-hoz hasonló görbét fogadott el a CIE, mely a szem éjszakai, 10-3 cd/m2 fénysőrőség alatti, szkotopos spektrális érzékenységét reprezentálja, melyet azonban világosság egyeztetés segítségével határoztak meg. Ezt a görbét V’(λ)-val jelöljük31. Ezen görbék azt mutatják, hogy a szem nem egyenlıen érzékeny a különbözı hullámhosszúságú optikai sugárzásra. Míg a nappali érzékenység maximuma 555 nm-nél van, az éjszakai érzékenység maximuma 507 nm-nél találhtó. A fenti görbék a CIE 2°-os megfigyelıjével készültek, mely azt jelenti, hogy a szem középsı, 2°-os látószöget bezáró területének érzékenységére jellemzı, azon tartományra, melyet a macula lutea takar. A vizuális feladatoknál sokszor elıfordul, hogy ennél nagyobb látószögben érkezı sugárzást kell érzékelnünk. Ezért felmerült az igény egy olyan érzékenységi görbe meghatározására, mely nagyobb látószögeken alapuló feladatokra épül. Ez a görbe a V10(λ)-nak nevezett CIE 10°-os megfigyelıje32, mely a mai napig egy ajánlás, nem szabvány (6. ábra).
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
360 460 560 660 760
hullámhossz (nm)
relatív spektrális érzékenység V(λ)
V'(λ) V10(λ)
6. ábra: V(λ) 2°-os nappali, V10(λ) 10°-os nappali és V’(λ) éjszakai színképi érzékenységek
Egy heterokromatikus világosságegyeztetéssel kapott láthatósági függvényt a CIE 1988-ban definiált Vb,2(λ) néven. Ahogy ezt a 7. ábra mutatja, ezen érzékenységi görbe formája eltér a V(λ)-tól.
Fontos hangsúlyozni, hogy a heterokromatikus világosság egyeztetéssel kapott görbe nem additív jelenséget ír le, azaz a Vb,2(λ) görbe csak monokromatikus sugárzások értékelésére használható.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
380 430 480 530 580 630 680
Hullámhossz (nm)
Relatív színképi érzékenység Vb,2(λ)
V(λ)
7. ábra: A CIE 1924 V(λ) színképi érzékenység függvényt szaggatott, kék vonal és a CIE 1988 Vb,2(λ) színképi érzékenység függvényt vastag, piros vonal szemlélteti.
Amikor a fénysőrőségi szint 0,001 cd/m2 és 10 cd/m2 között van, az átmeneti, mezopos fénysőrőség tartományról beszélünk. Ebben a tartományban a látásmechanizmus bonyolult, a „nappali” csap és
„éjszakai” pálcikalátás közötti átmenet nem lineáris, Abney törvényei nem teljesülnek. Az adott fénysőrőségi szint és színkép befolyásolja az adaptációt, ennek megfelelıen a pálcikák és csapok részvétele a látásban más és más. A komplexitást csak növeli a csapok által szolgáltatott kromatikus különbségi jelek.
Eddig még nem létezik általánosan elfogadott mezopos fotometria, bár sok kísérletet végeztek a mezopos láthatósági függvények meghatározása érdekében.
3.2 Korábbi mezopos modellek
Palmer33 volt az elsı, aki 1967-ben egy kétparaméteres, heterokromatikus világosságegyeztetésen alapuló modellt ajánlott a mezopos fénysőrőség meghatározására. Kísérlete két félbıl álló 15°-os és ezt körülvevı 21°-os mezın való direkt egyeztetésen alapult. A megfigyelıknek egy standard mezıhöz kellett a teszt stimulusokat állítania.
Palmer modellje a fotopos és szkotopos láthatósági függvényeket használta és fénysőrőségi szinttıl függetlenül használható volt:
P M
P P MS
S
L +
= + 2
) ,
( (1)
ahol P a V10(λ)-hez tartozó fénysőrőség és S a V’(λ)-hez tartozó fénysőrőség, M fénysőrőség mértékegységő állandó.
Palmer késıbb a formula következı, javított formáját írta le34:
4 ) 2 (
) ,
( M
P SM M M
P SM P
S
L = + + − + + (2)
Palmer adatainak késıbbi elemzése megmutatta, hogy a világossági észleletért egy egyszerő pálcika–
csap mechanizmus felelıs.
Ikeda és Shimozono35 szintén kétváltozós rendszert alkotott, mely ugyancsak heterokromatikus világosságegyeztetésen alapult. İk az elméleti láthatósági függvényt a következıképp definiálták:
log ST(λ) = a log SR(λ) + b log SC(λ) + c (3)
ahol
ST(λ) a teoretikus mezopos láthatósági függvény, SR(λ) a pálcika láthatósági függvény (0,01 Td esetén), SC(λ) a csap láthatósági függvény (100 Td esetén),
a,b a fénysőrőségi szinttıl függı adaptációs együtthatók, c konstans.
Ikeda és Shimozono kísérleteik alapján arra következtettek hogy a mezopos látás a pálcikák és csapok színképi érzékenységeit felhasználó egyszerő modellel megadható. Ikeda és Shimozono
továbbá megfigyelték, hogy míg kis és nagy fénysőrőségi szinteken az additivitás érvényesült, addig a köztes szinteken (0,01 Td – 100 Td) additivitási hibák merültek fel.
Sagawa és Takeitchi hasonló képletet használt36:
log ST(λ) = a logSR(λ) + (1-a) logSC(λ) (4)
ezen képletben világosság egyeztetéssel kapott láthatósági függvényeket használtak a szabványos spektrális fényhatásfok függvények helyett, hogy csökkentsék a fénysőrőség és világosság különbözıségébıl adódó hibákat, azaz
log Vm(λ) = a logVs(λ) + (1-a) logVp(λ) (5)
ahol
Vm(λ) , Vs(λ) , Vp(λ) a mezopos, szkotopos és fotopos világosság egyeztetéssel kapott láthatósági függvények, 570 nm-re normalizálva.
Sagawa és Takeitchi arra a követkztetésre jutottak, hogy a fotopos és szkotopos láthatósági függvények logaritmusainak megefelelı súlyozásával elérhetı a kívánt mezopos láthatósági függvény. A modellben az a adaptációs együttható értéke 570 nm alatti és feletti esetekben más és más értékeket vesz fel.
Kokoschka37 és Trezona38 a négy fotoreceptort figyelembe véve négyváltozós modelleket javasolt.
Kokoschka kísérletei direkt világosságegyeztetésen alapultak. Ahogy a kétrésző mezık látószöge nıtt, egyre nagyobb V(λ)-tól való eltéréseket regisztrált a színkép kékes részén. Ezt a növekvı eltérést a sárga folt egyre kisebb hatásának tulajdonította.
Az equivalens mezopos fénysőrőség így:
Leq= LpFp + LdFd + LtFt + L’Fs (6)
ahol
Lp , Ld és Lt az egyes típusú csapoknak az equivalens fénysőrőséghez való hozzájárulásai,
A megfelelı F függvények az adott összehasonlító sugárzáshoz és látómezıhöz az Leq-tıl függenek
p, d és t a három különbözı csap elnyelési függvényhez tartozik és az s index a pálcika elnyeléssel kapcsolatos.
Kokoschka egy késıbbi munkájában az egyenletet megváltoztatta úgy, hogy a CIE szabványos 10○- os színmegfeleltetı függvényekkel és a szkotopos láthatósági függvénnyel is használható legyen39:
10 10
10 10 10
10 '
L L F
F L Y F Z Y F
Leq X x y z s
+ + +
= (7)
Ahol X10, Y10 és Z10 a 10○-os színegyeztetı függvényeken alapuló színinger-összetevık (tristimulusos értékek),
L10 a 10˚-os látómezıre vonatkozó fotopos fénysőrőség, L’ a szkotopos fénysőrőség, Fx, Fy, Fz, Fs pedig kísérleti úton meghatározott függvények, melyek a fénysőrőségi szinttıl függenek.
Trezona egy olyan modellen dolgozott, melyet bármilyen fénysőrőségi szinten használni lehet40. Kísérlete heterokromatikus világosságegyeztetésen alapult. Az alábbi feltételezésekre alapozva megmutatta, hogy a fotopos és szkotopos érzékenység között egy S-alakú görbe írja le az átmenetet.
A feltételezései azok voltak, hogy a szemben négy fotoreceptor van, melyeknek a spektrális elnyelése nem változik, hogy a három csap nem mindig összehangoltan reagál és hogy bizonyos körülmények között nem teljesül a fénysőrőség additivitása.
Trezona szerint a mezopos láthatósági görbe csupán V(λ) és V’(λ) láthatósági függvényekkel való leírása erıs túlegyszerősítés és minden fotoreceptornak kell egy paraméter a mezopos modellben.
3.3 Reakcióidıkön alapuló mezopos fotometria
He et al. reakcióidıkön alapuló kísérleteteket végzett41, hogy megállapítsa a megfigyelık mezopos spektrális érzékenységét. Meghatározta az általa használt két lámpa (fémhalogén (MH) és nagynyomású nátrium (HPS) lámpa) relatív fényhasznosítását (luminous efficacy).
He és munkatársai 2○-os villogó céltárgyakat használtak on-axis és 15○-os excentricitással. A céltárgyakat a megfigyelık monokulárisan látták, a fémhalogén és nagynyomású nátrium lámpákat nyolc különbözı fénysőrőségi szinten vizsgálták.
A két lámpatípus közötti eltérés csak az off-axis esetben, 1 cd/m2 fénysőrőségi szint alatt volt szignifikáns. Ebben az esetben, a HPS lámpa esetében a reakcióidık megnıttek.
Egy másik kísérletsorozatban, He és munkatársai a 2○-os villogó céltárgyakat 12○-ban a látótér szélén prezentálták. Ekkor a megfigyelık a céltárgyakat binokulárisan nézték. A stimulus öt monokromatikus fényforrás volt, és egy 589 nm-es referenciaforrás.
Bár a két módszer különbözı pszichofizikai eljárásokat alkalmazott, a mennyiségekre vonatkozó elırejelzéseik hasonlóak.
He és munkatársai a második kísérlet után arra a következtetésre jutottak, hogy a V’(λ) és V(λ) lineáris kombinációja elégséges a mezopos reakcióidık modellezéséhez.
A fenti kísérletek eredményeiben többen a mezopos fotometria alapjait vélik látni. A mezopos tartományban végzett kritikus feladatok, mint pl. az éjszakai vezetés, megkövetelnék egy mezopos fotometria felállítását42. Ez azonban nem egyszerő feladat, mivel a szemben dolgozó két mechanizmus eltérıen reagál a fénysőrőségi szintek és inger spektrumok változására. Ebbıl adódóan az arányosság szabálya a mezopos tartományban nem állhat fent43.
Rea és munkatársai szerint az additív látásmechanizmusokra, pl. reakcióidıkön alapuló kísérletekre építve a mezopos tartományban fennálló komplikált mőködés okozta nehézségeket meg lehet kerülni43,44. Rea és munkatársai45 a reakcióidıkön alapuló kísérletek46 során az MH és HPS lámpák között a foveális megfigyelés esetén nem találtak különbséget, de a perifériás megfigyeléseknél az MH lámpák esetén azonos fotopos fénysőrőség esetén rövidebb reakcióidıket mértek mint a HPS lámpák esetében. Ezen megfigyelés alapján Rea és munkatársai a foveális érzékenységet V(λ)-nak veszi, fénysőrőségi szinttıl függetlenül. Rea a mezopos fotometria további kritikus pontjának, a régi rendszerekkel és mőszerekkel való kompatibilitást tartja47. Erre megoldásként az kínálkozik, ha az új mezopos érzékenységi görbét valamilyen módon a korábban definiált nappali és éjszakai érzékenységi görbékbıl számítjuk (lásd késıbb).
Rea és Boyce48 rámutattak arra, hogy a reakcióidıkön alapuló kísérleteknél a fovea érzékenysége a fénysőrőségi szintektıl független, a bizonyos Purkinje-eltolódás nem érvényes rá.
A Purkinje-eltolódás azt a hatást írja le, amikor a nappali színképi érzékenység a sötét beálltával az éjszakai spektrális érzékenysége (pálcikák színképi érzékenysége) felé tolódik. Ez a hatás foveális megfigyelés esetén, ahol csupán a csapok játszanak közre a látásban nem meglepı módon nem jelentkezik.
Ezt támasztja alá Bullough és Rea49 reakcióidıkön alapuló vezetési szimulációs kísérlete, ahol a HPS lámpák foveálisan jobb eredményeket adtak mint az MH lámpák. A szerzık egy egyszerő példában kiemelik az extra-foveális látás fontos szerepét a vezetésben: képzeljük el a vezetést úgy hogy a kinyújtott karunk hüvelykujja kitakarja a középen lévı közel 2°-os látómezıt, valamint azt, hogy ugyanekkora, 2°-os látómezıt engedélyezı csövön keresztül nézzük az utat. Ez utóbbi, pusztán
foveális látás mellett igen nehéz és bizonytalan a vezetés. E közben nem veszik figyelembe, hogy szemünk folyamatosan pásztázza a látómezıt, azaz nem csupán az útburkolatnak a gépkocsi elıtt lévı részét regisztráljuk foveálisan. A szerzık továbbá kijelentik azt is, hogy a mezopos feladatoknál használt fényforrások színképi eloszlása csupán kis kontrasztú tárgyak detektálásában játszik szerepet. A közlekedési táblák pedig tipikusan nem kis kontrasztú tárgyak.
Ezzel szemben az egyéb veszélyforrások, melyek az út szélén vagy az úton vannak, tipikusan kis kontrasztúak!
A fenti kísérletekben extrafoveálisan a pálcikaérzékenységhez közelebb esı színképi eloszlással rendelkezı fényforrások teljesítenek jobban. Rea és munkatársai ennek megfelelıen az MH lámpákat részesítik elınyben a HPS lámpákkal szemben annak ellenére, hogy a kutatások során kiderült az is, nem minden mezopos esetben jó az, ha a fényforrás spektruma a kékesnek észlelt kis hullámhosszakon dominál48. Akashi és munkatársai50,51 kimutatták hogy a kékebb színő fényforrásokat ugyan könnyebb észrevenni, de kápráztató hatásuk is nagyobb. Az MH lámpák gyorsabb ütemő romlást mutattak a csökkenı fénysőrőségi szinteken elvégzett látás-keresés feladatoknál is48.
Bullough és munkatársai52,53 rossz feltételek között vizsgálták a mezopos tartományban való vezetést. Kísérleteik eredményei alapján kijelentik, hogy a látómezıben lévı hópehely-, esıcsepp- illetve köd-részecskék a fényforrás spektrumától függetlenül verik vissza a fényt. A jármő fényforrásának és a vezetı pozíciójának azonban már nagy jelentısége van. Rea54 kísérletei szintén a fényforrások (útszéli póznák lámpáinak irányultsága, jármővek fényforrásainak iránya) elhelyezkedését és irányultságát vizsgálja. Rea54 felveti a risk homeostasis-t is, azaz a veszély állandóságát. Ez azt takarja, hogy a jobb látási viszonyok általában a gyorsabb tempót vonják maguk után, azaz a kockázat állandó.
A fenti eredmények fontos konklúziója az, hogy a kritikus látási feladatokat lehetıség szerint nem mezopos szinten kell végezni. A legjobb megoldás ha az éjszakai vezetés teljesen kivilágított nappali körülmények között történhet. Ez nyilván gazdasági okokból egyelıre nem kivitelezhetı. Van Derlofske és munkatársai55 a fényforrások elhelyezkedése mellett, a közlekedési világítás gazdasági és környezeti (fényszennyezés) hatásait és kérdéseit is tárgyalják. A tudományos eredmények mellett kiemelik az utcai világításban érintett összes csoport kommunikációjának fontosságát.
A fenti illetve további56,57,58 mezopos reakcióidıkön és keresésen alapuló kísérletekbıl arra következtettek, hogy a mezopos látás bonyolultsága miatt egy egyszerő modell csak a mezopos tartományban is additív magnocelluláris pályák jelein alapuló kísérletek eredményeibıl állítható fel.
A színlátásért felelıs parvocelluláris pályák jeleit ebben a modellben az egyszerőség megırzése végett figyelmen kívül kell hagyni.
He és munkatársai41 kutatásai alapján Rea és munkatársai47 a mezopos érzékenységi görbe kiszámítására az alábbi egyszerő függvényt ajánlották:
) ( ) 1 ( ) ( )
(λ xV λ x V λ
Vm = + − ′
(8)
ahol
x értéke 0 és 1 közés esik. Ez a model a fenti reakcióidı kísérleteken alapul.
Az x érték kiszámítása egy iteratív módszerrel történik, mely mellett még egy szabály kell hogy érvényesüljön, nevezetesen az, hogy az x értékét foveális megfigyelés esetén mindig 1-nek kell venni, azaz a szem érzékenységét foveálisan V(λ)-nak kell tekinteni a fénysőrőségi szinttıl függetlenül.
Az iteratív módszer egyenlete (9) a nappali spektrális érzékenységi függvénybıl kiindulva kiszámol egy x-et, amellyel az iteráció következı lépésében használandó új spektrális érzékenységi függvényt számíthatjuk (8).
m m
m
m L L L
L
x( )=6,01* 3 −5,20* 2 +2,63* , ha Lm<0,6 cd/m2 (9) illetve x(Lm)=1, ha Lm≥0,6 cd/m2.
Az iterációban szereplı függvényt (9) használva a szerzık szerint az iterációk gyorsan közelítenek, így pár iterációt elegendı elvégezni76.
Rea és munkatársai76 modellje nem számol a színi csatornák mőködésével, reakcióidıkön alapuló modelljük pusztán akromatikus tagok lineáris kombinációját használja.
3.4 Színi csatornák szerepe a mezopos látásban, mezopos kontrasztküszöb kísérletek
A reakcióidıkön alapuló kísérletek csak a gyors MC pályák jeleit veszik számításba. Más mérési módszerek azonban a lassabb reagálású PC és KC pályák jeleit is figyelembe veszik. Ezen módszerek közé tartoznak tipikusan a küszöbkontraszt kísérletek, illetve minden olyan módszer, mely elegendı idıt hagy a jelfelépülésre. Kutatások eredményei azt mutatják, hogy ha a színi csatornák jelei érvényesülni tudnak, a színképi érzékenységben jellegzetes maximumok tőnnek fel, ún. „három-púpú” görbéket kapunk. Padmos és munkatársai59 ezeket a jellegzetes három-púpú görbéket már 300 ms-es villogó céltárgyak esetén is észlelték makákókon végzett kísérletükben.
Jameson és Hurvich60 tanulmányából kiderült, ha a színes ábrás vizuális feladat alatt a folyamatos megvilágítás villogásos megvilágításba ment át, a normál színlátók is egyre gyakrabban hibáztak, azaz villogó megvilágítás alatt a színlátás rosszabbá vált.
Sperling és Harwerth61 emelkedı küszöbkísérleteiben szintén három-púpú érzékenységi görbéket talált. Sperling és Harwerth61 szerint a színképi küszöbérzékenység a három csapérzékenység burkológörbéje, s míg a piros-zöld szín információk a megfelelı receptorok lineáris kombinációjából tevıdnek össze, addig a kék csatorna jelei egy külön csatornán közlekednek.
A gyors MC és lassabb PC pályák közti kapcsolatot Hamm29 vizsgálta . Mivel a villogásos fotometrián alapuló kísérletek a szem érzékenységét erısen alábecslik18,62, Hamm29 a kontrasztküszöb módszert választotta kísérleti módszerének. Bár a villogásos fotometrián alapuló kísérletek eredményeinek reprodukálhatósága jobb, azaz a kontrasztküszöb kísérletek eredményeinek szórása nagyobb63, a lassabb csatornák figyelembevételéhez mégis célszerő ezt a módszert követni.
Hamm29 a különbözı gyorsaságú csatornák szeparálására a céltárgy megjelenítésének idıtartamát változtatta. A céltárgyak megjelenítése t=2,4 ms-tıl t=5,2 sec-ig változott 11 lépésben.
Az elrendezésben a megfigyelı a 3800 K és 4560 K korrelált színhımérséklető illetve HTI fémhalogén lámpa által adott szélessávú háttéren figyelte a foveálisan bemutatott keskenysávú céltárgyakat. A céltárgyak látószöge a=6’ –tıl a=1°-ig változott. A háttér fénysőrőségi szintjei az egész alacsony 0,0001 cd/m2-tıl kezdve 0,1 ; 1 ; 10 ; 100 és 1000 cd/m2 voltak.
A céltárgyak kis sávszélességének eléréséhez Hamm29 a céltárgyak elıtt 18 kvázi-monokromatikus interferenciás szőrıt használt a 400 nm – 700 nm tartományból. Az elıkísérletek azt mutatták, hogy a szőrık sorrendje nem befolyásolta szignifikánsan a kísérlet végeredményét.
A kontrasztküszöb kísérletben a megfigyelı feladata az volt, hogy jelezze, lát-e eltérést a céltárgy és a háttér között. A kísérletben Hamm29 a növekvı és csökkenı céltárgy intenzitások közül a növekvıt alkalmazta, mivel ebben az esetben az eredmények szórása kisebb volt, mint a csökkenı módszer esetén63.
Amikor a megfigyelı úgy érezte már látja a céltárgyat, jelzett. Ekkor a kísérletvezetı egy spektroradiométerrel lemérte a céltárgy színképét (a háttér nélkül).
A kísérlet eredménye többek között a következıket mutatta:
A kapott színképi érzékenységi görbéknek, fıleg nagyobb fénysőrőségi szinteken, három lokális maximuma van. A 100 cd/m2 esetben ezen görbék formáját a bemutatási idı jelentıs mértékben befolyásolta. A rövid bemutatási idık esetén a VM(λ) formához hasonló, 555 nm körüli maximummal rendelkezı érzékenységi görbét kapott, a bemutatási idık növelésével ez folytonosan átment a leghosszabb bemutatási idıhöz tartozó háromcsúcsú görbébe. A három maximum ekkor 440 nm-nél, 530 nm-nél és 620 nm-nél volt. A 620 nm körüli csúcs 1 cd/m2 fénysőrőségi szint körül jelentkezett.
Magasabb fénysőrőségi szinteken egy 570 nm körüli lokális minimum alakult ki. A kísérlet alatt a megfigyelık relatív spektrális érzékenységi görbéje minden elrendezésben a V(λ) görbét követte, vagy felette volt. A kísérletben a lokális maximumok megjelenése és eltőnése (555 nm helyett 440 nm, 530 nm, 620 nm) valamint a kis fénysőrőségi szinteken tapasztalt rövid hullámhossztartományra való érzékenység erıs növekedése arra utal, hogy több mechanizmus mőködik párhuzamosan.
A kísérletbıl kiderült, a nagy fénysőrőségi tartományokban is eltér a megfigyelık színképi érzékenysége V(λ)-tól. Néhány nemrég megjelent publikáció64,65,66 arról számol be, hogy a mért fénysőrőségek és vizuális érzetek közötti korrelációkkal nehézségek adódnak.
A fentiek alapján a kontrasztküszöb mérésen alapuló színképi érzékenység meghatározás esetén fenn áll a probléma, hogy megegyezı fénysőrőségek esetén erıs észlelet-különbségek adódnak. A V(λ) érvényessége megkérdıjelezıdik.
Kurtenbach67 és társai 1999-ben mezopos körülmények között végeztek kontrasztküszöb kísérletet, hogy megvizsgálják vajon a dikromát selyemmajmok nagy fénysőrőségi szinteken a trikromátokéhoz képest megnövekedett pálcikaaktivitása csak a selyemmajmok adottsága vagy a dikromátoké általában.
Az embernél a periférián nagy fénysőrőségi szinteken is van pálcikaaktivitás. A dikromátok és trikromátok közti különbséget direkt méréssel azonban ezelıtt még nem vizsgálták.
Hogy ezt a növekedett pálcikaaktivitást trikromát és dikromát embereken is megvizsgálják, olyan fénysőrőségi szinteken kellett kísérletet végezni, ahol a pálcikák még aktívak.
A kísérleti személyeknek 2°-os monokromatikus köröket mutattak a 8°-os akromatikus háttéren, melynek színhımérséklete 6000 K volt. Ezen céltárgyak intenzitása addíg nıtt, amíg a megfigyelı észre nem vette azokat.
Ezen kontrasztküszöb vizsgálatok eredményei jól modellezhetıek voltak az alábbi függvénnyel:
|
| ) 2 (
V f S f M f L f L f M
fA ′ + B + C + C + D − E
∑
= λ (10)A trikromát megfigyelık érzékenységi görbéiben több csúcs is megjelent, amely kromatikus hatásra utal. A trikromát megfigyelık érzékenységét mind a pálcikák mind az L-M opponens hatás befolyásolja.
A fenti függvény (10) egy mezopos láthatósági függvény kromatikus tagokat is figyelembe vevı modellezése.
A mezopos modellekrıl és mezopos vizuális feladatokról Eloholma és munkatársaival68 írtam összefoglaló tanulmányt.
A fentiek alapján jól látható, hogy a mezopos látás bonyolult és csak részben feltárt mechanizmusok alapján mőködik. A mezopos színképi teljesítményben közrejátszó mechanizmusok viselkedését számos paraméter befolyásolja. A fénysőrőségi szintekkel változik az adaptáció, a pálcikák és csapok szerepének aránya nem állandó. A számos mechanizmus különbözı viselkedése miatt célravezetınek látszott egy vizuális teljesítmény-alapú, a valós mezopos vizuális feladatokat jól utánozó kísérlet eredményein nyugvó mezopos látásmodellt felállítani, mely alapján a praktikus mezopos feladatok, mint pl. éjszakai vezetés, számításait jó közelítéssel el lehet végezni.
3.5 Valós vizuális feladatokhoz közel álló mezopos látásmodell
Jelenleg nincs megfelelı és széles körben elfogadott mezopos fotometria. Minden mérés és számítás, a mezopos tartományban is a nappali látásra vonatkozó értékek segítségével történik.
A mezopos mértékek hiánya helytelen világításhoz, energiaveszteséghez és csökkent közlekedési biztonsághoz vezethet. A fentiek miatt 2002-ben az Egyesült Európa Ötödik Keretprogramjában elindult a MOVE69 (Mesopic Optimization of Visual Efficiency) projekt. A projekt célja a mezopos mértékek megteremtése és EU-szerte elfogadható mezopos gyakorlati módszerek kidolgozása volt.
A koordinátor Helsinki Mőszaki Egyetem (Helsinky University of Technology HUT, Finland) vezetése mellett a konzorcium tagjai a City University, London (Egyesült Királyság), a Darmstadti Mőszaki Egyetem (Németország), az Alkalmazott Tudományos Kutatás Holland Szervezete – TNO (Hollandia), a Nemzeti Fizikai Laboratoium – NPL (Egyesült Királyság) és a Veszprémi Egyetem voltak.
A partnerek különbözö vizuális feladatokat végeztettek, melyekkel a következı kérdésekre kerestük a választ:
- Lehet-e látni? (Detektálási küszöb – kontraszt küszöb) - Milyen gyorsan? (Látásteljesítmény gyorsaság – reakcióidı) - Mi ez? (Felismerés – látáspontosság).
Ahhoz, hogy a különbözı laboratóriumok kísérleti eredményeit össze lehessen hasonlítani, egyes paramétereket elıre rögzíteni kellett. Ezen rögzített paraméterek a következık voltak:
Háttér fénysőrőség: 0,01 cd/m2 , 0,1 cd/m2 , 1 cd/m2 , 10 cd/m2 Céltárgy eccentricitás: 0° és 10°
Céltárgy mérete: 2° , egyes esetekben 0,3°
A partnerek kísérleteit röviden a következıkben ismertetem. Részletes leírást a CIE TC 1-58 honlapon lehet megtekinteni70.
A finn partner, HUT, a reakcióidıkísérleteihez 2 m átmérıjő félgömböt használt, melyet a megfigyelı a gömb képzeletbeli középpontjából nézett. Az 5400 K-s fénycsöveket neutrális szőrıkkel állították a kívánt fénysőrőségi szintekre. A céltárgy öt különbözı színő LED volt, kék,
cián, zöld, narancs és vörös. Ezen céltárgyak mérete 0,29° volt és foveálisan illetve 10° extra- foveálisan jelentek meg. A megfigyelı feladata az volt, hogy a LED-ek felvillanásakor a lehetı leggyorsabban reagáljon és nyomjon meg egy kapcsolót.
Az angol partner, CU, egy egyedi szoftver segítségével vizsgálta a reakcióidıket. A fix színő 23°x36° háttéren 10° extra-foveálisan jelentek meg a Landolt C győrők. A kísérleti képet neutrális szőrıkkel állították a kívánt fénysőrőségi szintekre. A megfigyelı mindkét szemmel nézte a képernyıt.
A holland partner, TNO, vezetési szimulációt rendezett be, melyben egy preparált személygépkocsit és 120° széles, 30° magas vásznat használtak. Ezen a kivetítın szimulált országúti vezetési jelenetet nézett a megfigyelı. A céltárgyak 2°-os körök voltak, melyek közvetlen az út szélén, illetve 10°-ra az út szélétıl jelentek meg. A megfigyelınek a szimulált úton kellett kormányoznia, és a kormányra szerelt kapcsolóval jeleznie a feltőnt céltárgyakat. A megfigyelı szőrıkkel ellátott szemüveget viselt a különbözı fénysőrőségek beállításához, és két szemmel nézte a vásznat.
Mi is végeztünk reakcióidı kísérleteket. Ezen kísérletek alkalmával videóra vett éjszakai vezetési jeleneteken jelentek meg vörös, zöld és kék céltárgyak. A kísérleti elrendezés hasonló volt a kontrasztküszöb kísérletem elrendezéséhez, melyet részletesen ismertetek a késıbbiek folyamán.
A finn partner, HUT, akromatikus küszöbkísérleteket is végzett. Az elsı módszerükben egy 600 mm átmérıjő félgömbre vetítettek 1,5°x2°-os ellipszis alakú vörös (600-700 nm), zöld (500-600 nm) és kék (400-500 nm) céltárgyakat. A céltárgyakat foveálisan vagy 10°-ra extra-foveálisan mutatták. A háttér fénysőrősége mindig kisebb volt a céltárgyak fénysőrőségénél.
A feladat a céltárgyak minimális kontrasztra való kézi beállítása volt.
A német partner, TUD, egy másik kísérleti elrendezésben a hátteret nagy átmérıjő vásznon biztosította. A vásznat diavetítı világította meg. A háttér így 2856 K színhımérséklető volt. A céltárgy egy 2°-os kör volt, mely középen vagy 10°-ra szélen, egy lyukon keresztül jelent meg. A céltárgyat monokromatikus szőrıkkel szőrt fémhalogén lámpa segítségével hozták létre. A megfigyelı monokulárisan, jobb szemmel nézte a céltárgyakat.
A MOVE konzorcium a projekt lezárásakor két modellt ajánlott a mezopos fotometriában szükséges számításokhoz. Az elsı modell (11) egy egyszerőbb, praktikus számításokhoz használhatónak ítélt modell, mely hasonló a Rea és munkatársai76 által ajánlott egyszerő x modellhez (8).
) ( ' ) 1 ( ) ( ) ( )
(x Vmes λ xV λ xV λ
M = + − (11)
ahol
M(x) súlytényezı, mely egyre normálja a függvényt, Vmes(λ) a számított mezopos láthatósági függvény, V(λ) a fotopos láthatósági görbe,
V’(λ) a szkotopos láthatósági görbe,
x a fotopos és szkotopos láthatósági görbe közötti súlytényezı.
A fenti modell szintén egy iteratív módszer segítségével állapítja meg Vmes(λ) értékét69.
Az egyszerő MOVE modell (11) a színi tagokat nem veszi számításba. Ehhez egy bonyolultabb modellt (12) javasol a konzorcium, mely a Kurtenbach-féle modellen (10) alapul.
) ( )
( )
( )
( ' ) ( )
( 1 2 3 4 5
mes λ aV λ a V λ a L λ a M λ a S λ
V = + + − + (12)
ahol
Vmes(λ) a számított mezopos láthatósági függvény, V(λ) a nappali láthatósági görbe,
V’(λ) az éjszakai láthatósági görbe, a1,a2,a3,a4,a5 a tagok súlyai,
L(λ),M(λ),S(λ) a három típusú csap spektrális érzékenységi függvénye.
E modell felállításához az általam végzett kísérletek lényegesen hozzájárultak, mivel munkám egy része a MOVE projekt keretein belüli kísérletek és mérések végzése volt. További munkám a kapott adatok elemzése valamint ezen adatokra legjobban illeszkedı modellek felállítása.
A kísérletek menetérıl, a mérési módszerrıl, a kapott adatokról és eredményeimrıl a következı fejezetekben számolok be.
4. Kontrasztküszöb kísérlet kvázi-monokromatikus szőrık segítségével
4.1 Módszer
Az emberi szem mezopos tartományban való színképi érzékenységének vizsgálatához a kontrasztküszöb módszert választottam. Ezzel a módszerrel lehetıség van arra, hogy ne csak a gyors MC, de a lassabb PC és KC csatornák jeleit is vizsgálhassam.
A mezopos kontrasztküszöb kísérleteket három különbözı mezopos fénysőrőségi szinten végeztem, két típusú céltárggyal, két excentricitáson. A kísérletek alapgondolata az volt, hogy a szélessávú sugárzóval egyenletesen megvilágított háttéren megjelenı keskenysávú, kvázi-monokromatikus céltárgyak küszöbkontrasztjaiból számítok spektrális érzékenységi görbéket. A keskenysávú céltárgyak azért praktikusak, mert segítségükkel könnyen feltérképezhetjük a színképi érzékenységet, valamint azért, mert De Valois71 és munkatársai kutatásai alapján a telt színek több opponens csatornát (több opponens mőködéső receptív mezıbıl származó cellát) aktiválnak mint a kevésbé telt színek, így a kromatikus mechanizmus hatása jobban vizsgálható.
A céltárgyak fénysőrőségét kísérletemben fokozatosan növeltem. Amikor kellıen elkülönültek a megfigyelı számára, azaz észrevette ıket a megfigyelı, a háttér és a háttér+céltárgy spektrumokat lemértem. A késıbbiekben csak céltárgyként utalok a háttér+céltárgy spektrumokra. A háttér és céltárgy ezen állapota az ún. küszöbkontraszt. A háttér és céltárgy spektruma közötti különbséget vizsgáltam. A keskenysávú céltárgyakat a látható színképen 440 nm és 700 nm között 10 nm-es (késıbb 20 nm-es) lépésközzel választottam meg, így spektrális érzékenységi görbéket tudtam felvázolni a kapott eredményekbıl.
4.2 Mérıberendezés
Az állandó homogén háttér fénysőrőséget egy diavetítı segítségével értem el, mind a három fénysőrőségi szinten, melyek rendre 0,01 cd/m2 , 0,1 cd/m2 és 1 cd/m2 voltak. A háttér korrelált
