JP2011522281A - 対象を見る方法 - Google Patents

Abstract

対象を見るための方法および装置が提供される。この方法は、対象の画像細部間に所定の視覚コントラストを準備するステップと、視覚コントラストを１００ミリ秒未満の所定時間にわたり維持するステップとを含む。

Description

本発明の分野は視覚のダイナミックス、より詳細には、対象の視覚認識に関する。

本願は、２００８年４月１４日に出願の米国仮特許出願第６１／０４４７６８号の一部継続出願である（係属中）。

過去において、明るさの知覚の心理物理的な研究は、同時に存在する各刺激が、空間を越えて他の明るさに影響を及ぼす空間的対比錯視の知覚に重点が置かれた。これらおよびその後の研究が、明るさの知覚を理解する現在の研究の多くの基礎を形成したが、そのなかで、明るさの要因となる２つの主要な刺激パラメータは、物理的強度および刺激期間である。

例えば、明るさの知覚に対する物理的強度の役割を考察しよう。ターゲットとその背景との間の明るさの丁度可知差異（ΔＩ）は、刺激の物理的輝度（Ｉ）の関数である。１８６０年にＧ．Ｔ．Ｆｅｃｈｎｅｒによって初めて正式に導かれたこの原理ΔＩ／Ｉ＝ｋは、１７６０年にＭ．Ｐ．Ｂｏｕｇｕｅｒによって元々発見されたが、後に１８４３年にＥ．Ｈ．Ｗｅｂｅｒによって再発見され、Ｗｅｂｅｒの法則（または「Ｗｅｂｅｒ−Ｆｅｃｈｎｅｒの法則」）として知られるようになった。

心理物理的な大きさはΨ＝ｋ・ｌｏｇＩとして定義することができ、ここで、Ψは知覚的強度であり、Ｉは物理的強度であり、ｋは感覚組織または作業特有の定数である。Ｗｅｂｅｒ−Ｆｅｃｈｎｅｒの法則は、１９６０年代にＳｔｅｖｅｎｓの羃法則に書き直され、これはもはや、Ｆｅｃｈｎｅｒがしたように、丁度可知差異の閾値の知覚的大きさが、他のどのΨ＝ｋ（Ｉ）^ｎとも同じであることを仮定しない。これらの心理物理的な法則は、ほとんどの環境に対して物理的強度と知覚的強度との間の関係を説明する。

明るさの知覚に対する刺激期間の役割も考慮することができる。この点に関して、知覚された刺激の強度も、継続期間の関数として変化する。Ａ．Ｍ．Ｂｌｏｃｈ（Ｂｌｏｃｈの法則）は、物理的強度が高い短継続期間の視覚刺激、または物理的強度が低い長継続期間のターゲットは、等しい明るさに見えることを述べている。Ａ．ＢｒｏｃｋおよびＤ．Ｓｕｌｚｅｒ（Ｂｒｏｃａ−Ｓｕｌｚｅｒ）による研究は、発光するターゲットの継続期間が増大するにつれ、ターゲットの知覚された明るさは、最初は増大するが、次いで減少することを実質的に述べている。２０世紀の多くの人々が、Ｂｌｏｃｈの法則またはＢｒｏｃａ−Ｓｕｌｚｅｒの効果のいずれかを論じたが、これらの２つの原理の間の差異を明確に論じた者はいなかった。人間が努力活動する上での視力の重要性のため、これらの原理の利点を利用する方法の必要性が存在する。

米国仮特許出願第６１／０４４７６８号

［発明の概要］
対象を見るための方法および装置が提供される。この方法は、対象の画像細部間に所定の視覚コントラストを準備するステップと、視覚コントラストを１００ミリ秒未満の所定時間にわたり維持するステップとを含む。

図示された本発明の実施形態による少なくとも何らかの視覚刺激を受ける麻酔をかけられた猿のニューロンの電気的記録のグラフである。 図１の猿の刺激期間の関数としての細胞内電圧の電気的記録のグラフである。 Ａ〜Ｃは図示された本発明の実施形態による視覚刺激の利点を示す対象の試験結果のグラフである。 図示された本発明の実施形態による、対象を視覚的に刺激するためのシステムの図である。 図４のシステムによって引き起こされる視覚刺激のタイミング図である。

刺激の期間は、その知覚された明るさに影響を及ぼすことが判明している。Ｂｌｏｃｈの法則は、時間相反則とも呼ばれるが、視覚刺激の期間が増大するにつれ、（刺激の実際の輝度を増大させることなく）その検知閾値が減少することを述べている。Ｂｌｏｃｈの法則は、（見る条件に応じて）最高３０〜１３０ミリ秒の時間継続期間で働き、文献によれば、効果は横ばい状態になる（すなわち、更に継続期間を増大させても刺激の明るさは増大または減少しない）。Ｂｌｏｃｈの法則は、多分、視覚システムのある種の統合動作により働くが、神経の相関現象は知られていない。１９０２年のＡ．ＢｒｏｃａおよびＤ．Ｓｕｌｚｅｒ、ならびに１９０３年のＷ．ＭｃＤｏｕｇａｌｌによる報告書には、閾上刺激の期間が増大するにつれ、最初は明るくなり、次いで刺激期間が増大するにつれ暗くなると断定している。面白いことに、Ｂｌｏｃｈの法則に関連した文献から予期されるような増大された刺激期間に伴う刺激の明るさの横ばい状態は報告されなかった。更に、明るさの知覚の時間的ダイナミックスの多くの研究により、刺激期間を混同させる明滅の明るさ、（刺激間の間隔と呼ばれる）閃光間の間隔、および反復の効果が調べられた。これらの研究で、知覚された明るさが、刺激期間またはその他これらの要因の１つによるかを知ることはできない。１８６３年にＥ．Ｂｒｕｃｋｅ、および１９４７〜８年にＳ．Ｈ．Ｂａｒｔｌｅｙは、個々の閃光の明るさは、閃光期間の関数として変化することを報告した（これは、現在「Ｂｒｕｃｋｅ−Ｂａｒｔｌｅｙ効果」と称される）。しかし、彼らは、これを、継続期間の関数として単一の刺激の明るさを直接に測定することによってではなく、明滅する光の明るさを測定し、刺激の期間を決定するために明滅率の逆数を計算することによって求めた。これは、彼らが明滅する刺激を使用したので、継続期間、刺激間の間隔、および明るさに影響を及ぼし得る他の様々な明滅に関連する要因も混乱させたからである。

明滅に関連する反応の生理的な測定は視覚皮質でなされた。その結果は、明滅が最も明るく見える時点で活動が増大することを示した。しかし、これらの測定は、明滅率の関数としての平均発射率だけを与えた。

光源の知覚された明るさの１つ要因は、刺激の時間的ダイナミックスである。閃光の明るさは、その輝度およびその継続期間両方の関数として変化し得る。（本明細書に使用されたように、「明るさ」という用語は、「コントラスト」および／またはこの説明のための「顕著な特徴」を意味するようにも使用される。）コントラストは、ｗｅｂｅｒコントラストが好ましい方法であるが、いくつかの従来の標準のいずれかを使用して測定することができる（例えば、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎコントラスト、ｗｅｂｅｒコントラスト、ＲＭＳコントラスト）。

更に明確にするために（本明細書に使用されたように）、放射輝度は、発光物体（例えば、電球）によってもたらされる光の量を指すために使用され、輝度は、発光物体（例えば、電球）によってもたらされる（人間の可視スペクトル内の）光の量である。対照的に、反射度は、表面（すなわち、黒い物体に対する白）が所定のスペクトル内で反射する光の量である。

同様に、照度は、反射率と放射輝度（または輝度）との組合せである。これは、表面上に照射される光の量を意味する言葉の口語的使用と対照的である。

本明細書に展開された中心的仮説は、ユーザは、明るさを減少させることなく刺激期間を最適範囲に減少させることによって、光源のパワー出力を減少させることができることである。しかし、刺激期間の関数として明るさの知覚の基礎となる正確な神経機構は不明である。この知見の欠如により、知覚される明るさに対する刺激パワーの最適化が妨げられた。本発明の理論的基礎は、刺激期間および明るさの知覚の時間的ダイナミックスを理解することによって、ユーザが、人間が知覚するための光源パワー出力を最適化するのに必要なパラメータを理解し、それにより、パワー効率を最適化することである。本発明が革新的であるのは、単一閃光の明るさの知覚を人類および霊長類において根底となるニューロン・プロセスに、初めて直接に関係付けたからである。

本明細書で考察される最初の質問は、継続期間の関数として刺激の明るさにピークまたは横ばい状態があるかどうかである。以前の研究は、刺激期間の関数として明るさのピークまたは横ばい状態があるかどうかについて見解が異なる。しかし、以前の研究では、単純な対象内の単一の閃光、無作為提示の閾上刺激の明るさを調べていない。

本明細書で考察される第２の質問は、神経反応のどの部分が、明るさの知覚に対する継続期間の効果に介在するかである。１つの仮説は、神経の開始反応の大きさと後発射との間の相互作用が、継続期間の関数として明るさの知覚のピークに媒介することである。この質問に答えるために、覚醒した猿の一次皮質の単一ニューロンの神経反応が記録される一方で、同時に、様々な期間の刺激の知覚された明るさが評価された。

第３の質問は、脳活動が刺激期間に相関し、刺激パワーと分離され得るかどうかである。この点に関して、仮説は、人間の網膜部位の視覚皮質領域は、知覚と相関するが刺激輝度からは切り離されて、（例えば、血液酸素依存信号（ＢＯＬＤ）を使用して測定された）その活動を変化させることである。輝度が増大するにつれ、ＢＯＬＤ信号も増大することが以前に示された。しかし、これまでの機能的磁気共鳴映像法（ｆＭＲＩ）による研究は、刺激期間および輝度の両方の関数として刺激パワーを別個に変化させたことはない。

神経反応に対する刺激期間の役割は、次に考察することができる。この点に関して、図１は、最適次元および様々な期間の刺激に対する、麻酔をかけられた猿の皮質領域Ｖ１内の単一ニューロンからの反応の漸進的変化の記録を示す。示されたように、ターゲット期間が１７ミリ秒（ｍｓ）から４４３ｍｓまで増大するにつれ、後発射反応の大きさは伸長する。

継続期間が増大すると、開始反応および後発射の大きさが約８３ｍｓの期間まで増大することになり、その後、後発射のみ大きさが増大し、次いで減少することが分かった。麻酔がかけられた猫の領域Ｖ１内のテスト対象からの細胞内神経データが図２に示される。示されたように、開始反応の大きさは、短期間（例えば、８４ｍｓ未満）の継続期間の関数として伸長し、次いで最初に後発射が伸長し、次に継続期間の関数として縮小する。これらの知見は、最適化された刺激が、より低いエネルギーであるにもかかわらず、より明るく見える理由を解き明かす。その刺激は、より強い開始および後発射の反応を呼び起こす。

上の最初の質問に関して、明るさが、期間の関数としての横ばい状態を示す場合、精神測定の曲線は、短い期間だけ偏移し、長い期間にわたり偏移するのを停止することが期待される。明るさがピークに達する場合、曲線は短い期間だけ偏移し、長い期間にわたり逆に偏移する（少なくとも部分的に）。

図３Ａ〜図３Ｃは、明るさと刺激の継続期間とを比較した一組の試験結果を示す。図３Ａ（左側）は、継続期間による明るさの横ばい状態を示し、図３Ａ（右側）は、継続期間による明るさのピークを示す。図３Ｂは、３０％コントラスト（左側）と６０％コントラスト（右側）との明るさを比較する。

図３Ｃの左側は、時間の関数としてのパネル３Ｂ（５０％通過点）の等価知覚コントラストを示す。３Ｃ図の右側は、様々な継続期間対様々な輝度の刺激に対するパワー（出力エネルギー／秒）の関数としての知覚されたコントラストを示す。ダーク・ブルーの曲線は、様々な輝度により３００ｍｓの継続期間刺激のライト・ブルーの曲線と比較した、継続期間の関数としての６０％コントラスト刺激の知覚されたコントラストを表す。図３Ｃの右側の矢印は、刺激パワーの関数として最適の明るさを有する刺激を指す。矢印は、６０％コントラストの８４ｍｓの刺激が、７０％コントラストの３００ｍｓの刺激と同じ明るさを有することを示す。図３Ｃの右側の赤い曲線は、様々な継続期間の３０％コントラスト刺激と様々な輝度の３００ｍｓの刺激とを比較する。

さて、本発明の使用に戻ると、エネルギー消費の主要部分は、視覚認識を援助する発光装置の給電に向けられる。電球、ビデオモニタ、地上警戒灯、航空および海洋の乗り物等は、全て、電気パワーを様々な条件下で可視性および検知性を支える十分な輝度の光エネルギーに変換しなければならない。

図３Ｃは、人間の目は、６０％コントラストで８４ｍｓの刺激を検知する能力が７０％コントラストで３００ｍｓの刺激を検知する能力と同等であることを実証する。しかし、６０％コントラストの８４ｍｓの刺激は、７０％コントラストの３００ｍｓの刺激のパワーの６分の１を消費する。更に、図３Ｃの左側（８４ｍｓの最適時間とは反対側）の曲線の比較的ゆるやかな傾斜は、利点が、最適値からの大幅なずれをもって達成できることを示す。ゆるやかな傾斜のため、重要な利点が、ある値の範囲内の継続期間を伴う視覚刺激を与えるように照明器具を動作することから得られると確信する。好ましい一実施形態において、その範囲は８０〜８８ｍｓである。別の実施形態において、その範囲は、７５から１００ｍｓの任意部分とすることができる。更に、３０％および６０％のコントラスト値の比較は、８３ｍｓの最適化された時間値が、コントラストよりも重要であることを示す。

図４は、本発明の態様を実証するために使用できる視覚刺激システム１０を示す。この点に関して、システム１０は、１つまたは複数の発光装置２０、２６を介して視覚刺激を提示する、またはディスプレイ１４上に試験対象１６に対する刺激１８を表示するために使用できる処理ユニット１２を含む。

人間の目のこの能力を利用するために、図４のシステム１０は、提示された刺激に応じていくつかの異なるモードで動作することができる。例えば、警戒灯の場合、刺激は、適切な反復率で、（図５に示されたように）約８４ｍｓの起動すなわちオンの時間（ｔ１）、および未起動すなわちオフの時間（ｔ２）で動作する発光装置２６を使用して簡単に提示することができる。反復率は、注目を引く任意の値、または明滅を無くす何らかの選ばれた率に選択することができる。

この状況における対象（すなわち、光２６）の視覚コントラストは、観測者から警戒灯までの距離および光の背景によって決定される。例えば、警戒灯から１００フィートの観測者は、何らかの最適コントラストを達成するために、警戒灯から１０フィートの観測者よりも高い輝度レベルを必要とする。同様に、光２６が昼間の空に対して動作する場合、コントラストは夜間の空よりずっと小さい。一般に、図５に示された光パルス３０は、８４ｍｓ長を有するように選択され、所望の６０％コントラストを達成するために、パワーが昼間または夜間の空に適合される。

時間ｔ２は、警戒灯の必要性に応じて調整される。この点に関して、警戒灯は注目を引くために明滅する時間ｔ２を必要とする可能性がある。この目的のために、５００ｍｓから１秒に等しいｔ２の値を十分とすることができる。

従来技術の画像装置は、明滅のために３０Ｈｚ未満の反復率で動作することができなかったことに留意されたい。しかし、システム１０は、８４ｍｓのパルスによってもたらされる視覚マスキングのために、大幅に３０Ｈｚ未満で動作することができる。

本発明は、他の種類の照明および／または画像装置にも拡張することができる。例えば、システム１０は、部屋または作業照明のために使用することができる。人が本２２を読む場合、光源２０からいくらかの距離（例えば、３フィート）で６０％コントラストを達成する光２４のレベルを容易に計算することができる。一旦、必要とされる光レベルが計算されると、タイマー２８の制御下で動作する電源１２は、光源２０を８４ｍｓのオン時間、続いて適切なオフ時間で起動させることができる。利便性のため、電源１２は、６０サイクル毎秒の何分の１（例えば、２０Ｈｚ）かの反復率を与えるようにパワー・ユーティリティと同期することができる。

人１６が本２２を読む場合、光レベル制御器３２を備え、これを用いてユーザ１６は、視力の問題が発生したらコントラストを改善するために８４ｍｓのパルスによってもたらされる照明を増大させることができる。同様に、反復率制御器３４を、明滅を避けるために時間値ｔ２を調整すべく設けることができる。

システム１０は、コンピュータ、テレビ・モニタ、または画像１８の形で刺激を表示するためのディスプレイ１４用にも使用することができる。この場合、電源１２は、コンピュータ・システム１０の中央処理装置とすることができる。コントラストは、ディスプレイ１３からユーザ１６の距離に基づいて計算され、ＣＰＵ１２によって制御することができる。

上で論じた最適化されたオン時間を使用して、より効率的な材料で組み立てられたディスプレイにすることができる。例えば、過去において、ディスプレイ１４は、ラスター・スキャン間で画像を連続的に維持できるピクセル画素を有する必要があった。しかし、上で実証されたように、ピクセルは、ターゲットのコントラスト・レベルおよび適切な反復率で約８４ｍｓ間、画像を保持する必要があるだけである。これは、ずっと低いデューティ・サイクルで動作できる表示装置をもたらすことができ、これにより、冷却の懸念および駆動回路のサイズを低減する。

最適化されたオン時間は、一定の照明源のもとで動作する表示装置で使用することもできる。例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、一定の光源のもとで可視となる表示を作成するために電気信号を使用する。しかし、ＬＣＤに対して一定の画像信号を必要とするのではなく、画像信号は、許容可能な反復率で８４ｍｓ間、画像を作成する必要があるだけのオン時間に低減することができる。これはまた、ＬＣＤディスプレイによって消費されるパワーを低減する機能を有する。

本発明が、なされ使用される様式を例示する目的で、対象を見るための方法および装置の特定の実施形態が説明された。本発明の他の変形形態および改変形態、ならびにその様々な態様の実施は、当業者にとって明らかであり、本発明は、説明された特定の実施形態によって限定されないことを理解されたい。したがって、本発明、ならびに本明細書に開示され、請求された基本的根底原理の真の趣旨および範囲内に収まるあらゆる変更、変種または等価物を含むことが企図される。

Claims (21)

1. 対象の画像細部間に所定の視覚コントラストを準備することと、
   前記視覚コントラストを１００ミリ秒未満の所定時間にわたり維持することとを含む対象を見る方法。
2. 前記時間が、約８３ミリ秒を更に含む、請求項１に記載の対象を見るための方法。
3. 前記視覚コントラストを準備するステップが、前記対象を照明するステップを更に含む、請求項１に記載の対象を見るための方法。
4. 前記視覚コントラストを準備するステップが、光源を起動させるステップを更に含む、請求項１に記載の対象を見るための方法。
5. 前記視覚コントラストを準備するステップおよび前記視覚コントラストを維持するステップを所定の反復率で反復するステップを更に含む、請求項１に記載の対象を見るための方法。
6. 前記対象の視覚内容に基づいて前記対象に対するコントラスト比を決定することを更に含む、請求項１に記載の対象を見るための方法。
7. 前記決定されたコントラスト比を達成するために、前記対象の照明レベルを調整することを更に含む、請求項６に記載の対象を見るための方法。
8. 前記対象の画像細部間に視覚コントラストを準備するための手段と、
   前記視覚コントラストを１００ミリ秒未満の所定時間にわたり維持するための手段とを備えた、対象を見るための装置。
9. 前記時間が約８３ミリ秒を更に含む、請求項８に記載の対象を見るための装置。
10. 前記視覚コントラストを準備するための前記手段が、前記対象を照明する対象を見るための手段を更に備えた、請求項８に記載の対象を見るための装置。
11. 前記視覚コントラストを準備するための前記手段が、光源を起動させるための手段を更に備えた、請求項８に記載の対象を見るための装置。
12. 前記視覚コントラストを準備するステップおよび前記視覚コントラストを維持するステップを所定の反復率で反復するための手段を更に備えた、請求項８に記載の対象を見るための装置。
13. 前記対象の視覚内容に基づいて前記対象に対するコントラスト比を決定するための手段を更に備えた、請求項８に記載の対象を見るための装置。
14. 前記決定されたコントラスト比を達成するために、前記対象の照明レベルを調整するための手段を更に備えた、請求項１３に記載の対象を見るための装置。
15. 前記対象の画像細部間の視覚コントラストと、
    前記視覚コントラストを１００ミリ秒未満の所定時間にわたり維持する制御器とを備えた、対象を見るための装置。
16. 前記時間が約８３ミリ秒を更に含む、請求項１４に記載の対象を見るための装置。
17. 前記視覚コントラストが、前記対象を照明する対象を見るための光源を更に備えた、請求項１５に記載の対象を見るための装置。
18. 前記視覚コントラストを準備するための前記手段が、前記光源を起動させる制御器を更に備えた、請求項１５に記載の対象を見るための装置。
19. 前記準備された視覚コントラストを所定の反復率で反復するタイマーを更に備えた、請求項１５に記載の対象を見るための装置。
20. 前記対象の視覚内容に基づいて前記対象に対するコントラスト比を決定するための手段を更に備えた、請求項１５に記載の対象を見るための装置。
21. 前記決定されたコントラスト比を達成するために、前記対象の照明レベルを調整する光制御を更に備えた、請求項１３に記載の対象を見るための装置。

Images