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Abstract

提供了用于查看对象的方法和设备。该方法包括提供对象的图像细节之间的预先确定的视觉对比以及在少于100毫秒的预先确定的时间段内保持视觉对比的步骤。

Description

查看对象的方法
发明的领域
本发明的领域涉及视觉动力学，且更具体地涉及对象的视觉感知。
发明的背景
本申请是于2008年4月14号提交的第61/044,768号美国临时专利申请(未决)的部分继续。
在过去，亮度感知的心理研究集中在空间对比错觉的感知上，其中每个同时出现的刺激影响其他刺激的亮度跨越空间。理解了亮度感知，这些研究以及后来的研究构成了很多当前研究的基础，其中对亮度有贡献的两个主要刺激参数是物理强度和刺激持续时间。
例如，考虑物理强度对亮度感知的作用。在目标和其背景之间的亮度的最小可辨差异(ΔI)是刺激的物理光度(I)的函数。由G.T.Fechner在1860年首次正式推导出的这个原理ΔI/I＝k，最初由M.P.Bouguer在1760年发现并随后由E.H.Weber在1843年重新发现，且已被作为韦伯定律(Weber’s law)(或“韦伯-菲纳定律(Weber-Fechner law)”)。
心理物理学幅度可被定义为Ψ＝k·logI，其中Ψ是感知强度，而I是物理强度；k是模态常数或任务指定常数。韦伯-菲纳定律在20世纪60年代被改写为斯蒂文斯幂定律(Stevens′Power Law)，其不再像Fechner一样假定一个最小可辨差异阈值的感知幅度与任何其他的Ψ＝k(I)n相同。这些心理物理学定律描述了对于大多数环境的物理强度和感知强度之间的关系。
还可考虑刺激持续时间对亮度感知的作用。在这方面，被感知的刺激强度还作为持续时间的函数而变化。A.M.Bloch(布洛赫定律)主张高物理强度的短持续时间的视觉刺激或较低强度的较长持续时间的目标可出现同等的亮度。实际上，由A.Brock和D.Sulzer(Broca-Sulzer)进行的研究阐明了当闪光的目标的持续时间增加时，目标的被感知的亮度先增加，但然后减少。上世纪的很多人已讨论过布洛赫定律或Broca-Sulzer效应，但是其中没有一个明确地讨论这两个原理之间的差别。由于视觉在人类进取行为中的重要性，存在对这些原理的益处进行开发利用的方法的需要。
概述
提供了用于查看对象的方法和设备。该方法包括提供对象的图像细节之间的预先确定的视觉对比以及在少于100毫秒的预先确定的时间段内保持视觉对比的步骤。
附图的简要描述
图1是依照本发明的例示的实施方式的接收至少一些视觉刺激的麻醉了的猴子的神经元的电记录；
图2是作为图2的猴子的刺激持续时间的函数的细胞内电压的电记录；
图3A-C是依照本发明的例示实施方式的示出了视觉刺激的益处的对象的测试结果；
图4是依照本发明的例示的实施方式的用于视觉上刺激对象的系统；以及
图5是描绘了由图4的系统生成的视觉刺激的计时图。
例示的实施方式的详细描述
已发现刺激的持续时间影响其被感知的亮度。布洛赫定律，也称为时间倒易性定律(time-reciprocity law)，其主张当视觉刺激的持续时间增加时，其检测阈值减小(不增加刺激的实际亮度)。布洛赫定律对达到30-130毫秒(msec)(取决于查看条件)的时间持续起作用，根据文献，在该持续时间条件下效果达到平稳状态(即，持续时间的进一步增加既不使刺激亮度增加也不使其减小)。据推测，布洛赫定律由于视觉系统的某种综合行为而起作用，虽然神经相关性还未知。由A.Broca和D.Sulzer在1902年以及W.Mcdougall在1903年作出的报告认为，当超阈值之上的刺激持续时间增加时，其随着刺激持续时间的增加先变得较亮然后较暗。有趣的是，未报告出如人们可能从与布洛赫定律相关的文献中预期到的当刺激持续时间增加时刺激亮度处于平稳状态的情况。另外，对亮度感知的时间动力学的很多研究检验了闪烁亮度，其混淆了刺激持续时间、闪烁之间的间隔(称为内部刺激间隔)和重复的影响。通过这些研究，人们可能不知道所感知的亮度是取决于刺激持续时间还是这些其他的因素中的一个因素。E.Brucke在1863年和S.H.Bartley在1947-1948年报告了个体的闪光的亮度作为闪光持续时间的函数而变化(其现在称为“布-巴二氏效应(Brucke-Bartley Effect)”)。但是，他们通过测量闪烁光的亮度和计算闪烁速率的倒数(inverse)以确定刺激的持续时间的方式、而不是通过直接测量单个刺激的亮度作为持续时间的函数的方式，来确定这个效应。也就是说，因为他们使用了闪烁刺激，他们过于混淆了持续时间、内部刺激间隔以及可能影响亮度的各种其他的与闪烁相关的因素。
闪烁相关的响应的心理物理学测量已在视觉皮层中进行。结果显示看上去最亮的闪烁所在的点的活动增加。但是，这些测量仅提供了作为闪烁速率的函数的平均激发率。
光源的被感知的亮度的一个因素是刺激的时间动力学：光闪烁的亮度可作为其发光度和其持续时间两者的函数。(出于描述的目的，本文中所使用的术语“亮度”还用于指“对比”和/或“突显”。)可使用若干传统标准中的任何标准测量对比(例如，迈克尔逊(Michelson)对比、韦伯(weber)对比、RMS对比)，虽然韦伯对比是优选的方法。
为了进一步的解释(且如本文所使用的)，辐亮度用于指由发光物体(例如灯泡)产生的光的量，发光度为由发光物体(例如灯泡)产生的光的量(在人类可见光谱范围内)。相反地，反射率是在给定的光谱范围内表面(即，白色物体与黑色物体相比)反射的光的量。
相似地，光度是反射率和辐亮度(或发光度)的组合。这与意思是照射到表面上给定光的量的词的通俗用法相反。
本文中所产生的中心假设是，用户可通过将刺激的持续时间降低到最优范围的方式来降低光源的功率输出而不降低亮度。但是，以作为刺激持续时间的函数的亮度感知为基础的精确的神经机制还是未知的。这一知识的空白妨碍了对被感知亮度的刺激功率的优化。本发明的基本原理是通过理解刺激持续时间和亮度感知的时间动力学态，用户将理解为人类感知而最优化光源功率输出所必要的参数，从而最优化功率效率。本发明是创新的，因为其首次将对光的单次闪光的亮度的感知直接与人类和灵长类动物的基础神经元过程关联起来。
本文所考虑的第一个问题是作为持续时间的函数的刺激亮度中是否有峰值或平稳状态。先前的研究不认同亮度峰值或平稳状态是刺激持续时间的函数。但是，先前没有研究检验自然的对象中的单次闪烁的、随机呈现的、超阈值之上的刺激的亮度。
本文所考虑的第二个问题是神经响应的哪些部分调节持续时间对亮度感知的影响。一个假设是神经开始响应的幅度和放电后的幅度之间的相互影响调节作为持续时间的函数的亮度感知的峰值。为了回答这个问题，清醒的猴子的原代皮层单个神经元的神经响应被记录，同时评定不同的持续时间的刺激的被感知的亮度。
第三个问题是大脑活动是否与刺激持续时间相关联并是否与刺激功率无关。在这方面，假设人类视网膜的视觉皮层区域在其活动中变化(例如，如使用血氧水平依赖性(BOLD)信号测量的)，与感知相关但与刺激发光度无关。先前已示出当发光度增加时BOLD信号也增加。但是，先前没有功能性磁共振成像(fMRI)研究以不同方式改变刺激功率作为刺激持续时间和发光度两者的函数。
接下来可考虑刺激持续时间对神经响应的作用。在这方面，图1示出了来自麻醉的猴子的皮层区域V1的单个神经元对具有最佳大小和变化的持续时间的刺激的响应的演变。如所示出的，当目标持续时间从17毫秒(ms)增加到443毫秒时放电后响应的幅度增加。
已发现增加持续时间导致开始响应的增加的幅度和放电后响应达到大约83毫秒的持续时间，在其之后只有放电后响应增加，然后在幅度上减小。来自麻醉的猫测试对象的在区域V1中的细胞内部神经数据在图2中示出。如所示出的，对于短持续时间(例如，少于84毫秒)，作为持续时间的函数的开始响应的幅度增加，然后放电后响应作为持续时间的函数先增加然后缩小。这些发现揭示了为什么优化的刺激源尽管具有较低能量却显得更亮：其发起了更强的开始和放电后响应。
关于上述第一个问题，如果亮度作为持续时间的函数显示出平稳状态，那么可预期心理计量曲线可能有较短的持续时间的变化然后在长的持续时间内停止变化。如果亮度达到峰值，那么曲线将有较短时间的变化，然后在较长的持续时间内(至少部分地)变化回去。
图3A-C示出了将刺激的亮度和持续时间相比较的一组测试结果。图3A(左侧)示出了亮度在持续时间内处于平稳状态，图3A(右侧)示出了亮度在持续时间内出现峰值。图3B比较了在30％对比处(左侧)与60％对比处(右侧)的亮度。
图3C(左侧)示出了面板3B(50％交叉点)的作为时间的函数的等效的感知到的对比。图3C(右侧)示出了不同持续时间的刺激与不同发光度的刺激的对比的作为功率(输出能量/秒)的函数的感知到的对比。深蓝色曲线表示与具有不同发光度的300毫秒的持续时间的刺激的浅蓝色曲线相比较，作为持续时间的函数的60％对比刺激的感知到的对比。图3C(右侧)中的箭头指向具有作为刺激功率的函数的最佳亮度的刺激。箭头示出了60％对比的84毫秒刺激具有与70％对比的300毫秒刺激相同的亮度。图3C(右侧)中的红色曲线将具有不同持续时间的30％对比刺激与具有不同发光度的300毫秒刺激相比较。
现转到本发明的使用，能量消耗的主要部分被用于帮助视觉感知的发光设备的供电。地面、空中和海上交通工具上的灯泡、视频监控器、警示灯等都必须将电力转换为具有足够发光度的光子能量以维持不同条件下的能见度和检测。
图3C说明了人眼具有检测与检测70％对比的300毫秒刺激相同的60％对比的84毫秒刺激的能力。但是，60％对比的84毫秒刺激消耗70％对比的300毫秒刺激的六分之一的功率。另外，图3C的左侧(在84毫秒的最佳时间的相对的侧)的曲线的相对缓的斜度示出了可利用与最佳值的严重偏离来实现获益。因为缓的斜度，认为可通过操作灯光设备以给出视觉刺激在一定范围的值内的持续时间的方式来获得实质性的益处。在一个优选的实施方式中，范围是从80毫秒到88毫秒。在另一个实施方式中，范围可以是从75毫秒到100毫秒间的任意值。另外，30％对比值和60％对比值的比较示出了83毫秒的最佳时间值比对比更加重要。
图4示出了可用于说明本发明的各个方面的视觉刺激系统10。在这方面，系统10包括处理单元12，其可用于通过一个或多个发光设备20、26呈现视觉刺激或用于在显示器14上显示对测试对象16的刺激18。
为了利用人眼的这个能力，图4的系统10可根据要呈现的刺激在若干不同模式下操作。例如，在警示灯的例子中，刺激可使用发光设备26被简单地呈现，其以大约84毫秒的启动或工作时间(t1)和停止或关闭时间(t2)(如图5中所示)以及适当的重复速率操作。重复速率可被选择为吸引注意力的任何值或处于消除闪烁的任何被选的速率。
在该环境中的对象(即灯26)的视觉对比可由观察者与警示灯和灯的背景的距离来确定。例如，离警示灯100英尺的观察者可能需要比离警示灯10英尺的观察者更高的发光度水平以实现某个最佳对比。类似地，如果灯26工作在日光天空的背景下，那么对比可能比在夜晚时间的天空下小得多。一般地，图5中示出的光脉冲30可被选为具有84毫秒长度且可适用于在日光或夜晚时间天空下供电以实现所期望的60％对比。
时间t2可在必要时按照警示灯的需要被调整。在这方面，警示灯可需要闪烁的时间t2以便吸引注意力。等于500毫秒到1秒的t2的值就足以实现这个目的。
应注意到现有技术中的成像设备由于闪烁的缘故不能在低于30Hz的重复速率下操作。但是，由于84毫秒的脉冲产生的视觉掩蔽，系统10可在大大低于30Hz的情况下工作。
本发明还可被扩展为其他类型的发光和/或成像设备。例如，系统10可用于房间照明或工作照明。在个人读书22的例子中，可容易地计算离光源20某个距离(例如3英尺)实现60％对比的光照水平24。当计算出所需要的光照水平后，在计时器28的控制下操作的电源12可激活光源20使之在84毫秒的工作时间之后有适当的关闭时间。为了方便，电源12可与发电设施同步以提供每秒60周期的几分之一的重复速率(例如20Hz)。
在个人16读书22的例子中，可提供光照水平控制32，用户16通过该光照水平控制可增加由84毫秒脉冲产生的照明，以改进如果发生视觉问题时的对比。类似地，可提供重复速率控制34，以调整时间值t2以便防止闪烁。
系统10还可用于计算机、电视监控器或显示器14，以用于以图像18的形式显示刺激。在这种情况下，电源12可以是计算机系统10的中央处理单元。可基于用户16与显示器13的距离计算对比，且可由CPU12控制对比。
以上讨论的最佳打开时间的使用可产生由多个有效材料构成的显示器。例如，在过去，显示器14需要具有可以连续维持光栅扫描之间的图像的像素。但是，如以上所说明的，像素只需要将图像在目标对比水平和以适当的重复速率保持大约84毫秒。这可能产生能够以小得多的工作周期操作的显示设备，从而减小对驱动电路的冷却问题的担心并减小驱动电路的尺寸。
最佳工作时间还可用于在恒定光源下操作的显示设备中。例如，液晶显示器(LCD)使用电信号产生在恒定光源下变得可见的显示。但是，代替需要有恒定图像信号到LCD，图像信号可被减小到工作时间，其只需要产生具有可接受的重复速率的84毫秒的图像。这还具有减小由LCD显示器消耗的功率的能力。
为了说明本发明被制作和使用的方式，描述了用于查看对象的方法和设备的具体的实施方式。应理解本发明及其各个方面的其他的变型和修改的实现对于本领域技术人员是明显的，且本发明不限于所描述的具体实施方式。因此，意图覆盖本发明及其落入本文所公开和要求保护范围的基本构成原理的真实精神和范围内的任何的和所有的修改、变型或等效形式。

Claims (18)

1.一种查看对象的方法，包括：
提供所述对象的图像细节之间的预先确定的视觉对比；以及
在少于100毫秒的预先确定的时间段内保持所述视觉对比。
2.如权利要求1所述的用于查看对象的方法，其中所述时间段还包括大约83毫秒。
4.如权利要求1所述的用于查看对象的方法，其中提供所述视觉对比的步骤还包括照明所述对象。
3.如权利要求1所述的用于查看对象的方法，其中提供所述视觉对比的步骤还包括激活光源。
3.如权利要求1所述的用于查看对象的方法，还包括以预先确定的重复速率来重复提供视觉对比的步骤和保持所述视觉对比的步骤。
6.如权利要求1所述的用于查看对象的方法，还包括基于所述对象的视觉内容来确定用于所述对象的对比度。
7.如权利要求6所述的用于查看对象的方法，还包括调整所述对象的照明水平以实现所确定的对比度。
8.一种用于查看对象的设备，包括：
用于提供所述对象的图像细节之间的视觉对比的装置；以及
用于在少于100毫秒的预先确定的时间段内保持所述视觉对比的装置。
9.如权利要求8所述的用于查看对象的设备，其中所述时间段还包括大约83毫秒。
10.如权利要求8所述的用于查看对象的设备，其中用于提供所述视觉对比的所述装置还包括用于照明对象以查看所述对象的装置。
11.如权利要求8所述的用于查看对象的设备，其中用于提供所述视觉对比的所述装置还包括用于激活光源的装置。
12.如权利要求8所述的用于查看对象的设备，还包括用于以预先确定的重复速率来重复提供视觉对比的步骤和保持所述视觉对比的步骤的装置。
14.如权利要求8所述的用于查看对象的设备，还包括用于基于所述对象的视觉内容确定用于所述对象的对比度的装置。
13.如权利要求14所述的用于查看对象的设备，还包括用于调整所述对象的照明水平以实现所确定的对比度的装置。
13.一种用于查看对象的设备，包括：
所述对象的图像细节之间的视觉对比；以及
控制器，该控制器在少于100毫秒的预先确定的时间段内保持所述视觉对比。
13.如权利要求13所述的用于查看对象的设备，其中所述时间段还包括大约83毫秒。
16.如权利要求13所述的用于查看对象的设备，其中所述视觉对比还包括用于照明对象以查看所述对象的光源。
17.如权利要求13所述的用于查看对象的设备，其中用于提供所述视觉对比的装置还包括激活所述光源的控制器。
19.如权利要求13所述的用于查看对象的设备，还包括以预先确定的重复速率重复所提供的视觉对比的计时器。
20.如权利要求13所述的用于查看对象的设备，还包括用于基于所述对象的视觉内容确定用于所述对象的对比度的装置。
21.如权利要求14所述的用于查看对象的设备，还包括灯控制，该灯控制调整所述对象的照明水平以实现所确定的对比度。
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