视觉系统与显示设备的交互解析

# 视觉系统与显示设备的交互解析 ## 1. 视觉系统基础与脑像素 在视觉系统中，视网膜神经节细胞接收来自视锥细胞和视杆细胞的信息。在中心凹附近，一个神经节细胞可能只接收单个视锥细胞的信息；而在周边区域，一个神经节细胞会接收数千个视锥细胞和视杆细胞的信息。每个神经元都有一条被称为轴突的神经纤维，它负责从神经节细胞传递信号，每条视神经中大约有一百万个轴突。视觉区域中向神经节细胞提供信息的部分被称为其感受野。 Drasdo（1977）发现，视网膜神经节细胞的大小可以用以下函数近似表示： \[ \text{感受野大小} = 0.006(e + 1.0) \] 其中，$e$ 是以视角度数衡量的离中心凹的偏心度。 ## 2. 脑像素与最佳屏幕 ### 2.1 屏幕视觉效率的考量 由于脑像素大小存在极大差异，我们可以通过研究何种屏幕尺寸能使屏幕像素与脑像素达到最佳匹配，来探讨显示屏的视觉效率。当我们观察头戴式虚拟现实设备提供的广角屏幕，或是个人数字助理的小屏幕甚至手表大小的屏幕时，会产生这样的疑问：我们究竟是向大脑传递了更多信息，还是更少？ 为了公平比较不同尺寸但像素数量相同的屏幕，我们需要保持观看距离不变。在观看平面显示器时，会出现两种效率低下的情况，具体如下： - **中心凹区域**：每个屏幕像素对应多个脑像素，提高屏幕分辨率有助于中心凹视觉。 - **周边区域**：屏幕像素数量远多于脑像素，造成信息浪费，因为大脑无法处理这些细节，使用更少的像素即可。 ### 2.2 相关参数计算 为了评估不同屏幕尺寸的视觉效率，我们引入了以下几个重要参数： - **总脑像素（TBP）**：通过累加显示屏图像刺激的所有视网膜神经节细胞数量来计算。 - **唯一刺激的脑像素（USBP）**：当我们观看低分辨率屏幕时，许多脑像素会接收到相同的信号，这些像素是冗余的，不提供额外信息。因此，我们使用以下公式计算唯一刺激的脑像素： \[ \text{USBP} = \text{TBP} - \text{冗余脑像素} \] - **显示效率（DE）**：它是唯一刺激的脑像素与屏幕像素（SP）的比值，计算公式为： \[ \text{DE} = \frac{\text{USBP}}{\text{SP}} \] 如果屏幕像素与脑像素完美匹配，显示效率将达到 1.0 或 100%，但由于屏幕像素均匀分布，而脑像素并非如此，这种完美匹配是不可能实现的。 - **视觉效率（VE）**：它是唯一刺激的脑像素与显示屏覆盖的脑像素的比值，该指标告诉我们屏幕区域内接收独特信息的脑像素比例，计算公式为： \[ \text{VE} = \frac{\text{USBP}}{\text{TBP}} \] ### 2.3 不同屏幕尺寸模拟结果分析 通过对百万像素显示屏的模拟，我们得到了一些有趣的结果。即使普通显示器在正常观看时仅覆盖约 5% - 10% 的视野，但它能刺激近 50% 的脑像素。这意味着，即使使用高分辨率的大屏幕，我们也不会向大脑传递更多信息。模拟结果还显示，唯一刺激的脑像素在接近普通显示器宽度时达到峰值，显示效率为 30%，并且随着屏幕变大，该数值会有所下降。这表明，目前的电脑屏幕尺寸对于大多数任务来说是合适的。 ### 2.4 不同显示设备对比 - **StarCAVE**：它是目前分辨率最高的完全沉浸式显示器，是一个五面房间，曲面墙上共投射 6800 万像素，每只眼睛 3400 万像素。它能填满视野，适合模拟建筑空间或其他需要临场感的模拟器应用。 - **IBM T221**：略大于普通桌面显示器，具有 3840 × 2600 像素，视觉质量接近高质量印刷。当我们移动眼睛时，能获得更多信息。 - **新 iPhone 显示屏**：充分利用小屏幕，像素密度与中心凹中心相匹配。 ### 2.5 不同显示设备的信息获取效率 大脑获取新信息的方式是平均进行约 5 度的快速眼动。在 StarCAVE 中，由于分辨率低，快速眼动只能刺激周边区域 10% 的脑像素；而在 IBM T221 上，在正常观看距离下，眼动至少能在周边区域产生额外 60% 的新信息。因此，交互式方法结合中等尺寸的高分辨率屏幕可能比低分辨率的沉浸式屏幕更高效，且占用的工作空间更少，成本也更低。 ### 2.6 实用建议 - **数据分析**：使用具有适度视角（如 40 度）的高分辨率显示器，适用于个人和协作数据分析。 - **沉浸式体验**：使用环绕屏幕来获得虚拟空间的“临场感”，适用于车辆模拟和一些娱乐系统。 ## 3. 空间对比度敏感度函数 ### 3.1 正弦波光栅及其参数 正弦波光栅是一种亮度在一个方向上呈正弦变化的简单图案，它已成为测量人类视觉系统基本特性的重要工具。该图案有以下五种变化方式： 1. **空间频率**：每视角度数的条纹数量。 2. **方向**。 3. **对比度**：正弦波的振幅。 4. **相位角**：图案的横向位移。 5. **光栅图案覆盖的视觉区域**。