專利名稱：查看對象的方法
查看對象的方法發(fā)明的領域本發(fā)明的領域涉及視覺動力學，且更具體地涉及對象的視覺感知。發(fā)明的背景本申請是于2008年4月14號提交的第61/044，768號美國臨時專利申請(未決) 的部分繼續(xù)。在過去，亮度感知的心理研究集中在空間對比錯覺的感知上，其中每個同時出現(xiàn) 的刺激影響其他刺激的亮度跨越空間。理解了亮度感知，這些研究以及后來的研究構成 了很多當前研究的基礎，其中對亮度有貢獻的兩個主要刺激參數(shù)是物理強度和刺激持續(xù)時 間。例如，考慮物理強度對亮度感知的作用。在目標和其背景之間的亮度的最小可辨 差異(ΔΙ)是刺激的物理光度(I)的函數(shù)。由G.T. Fechner在1860年首次正式推導出的這 個原理Δ I/I = k，最初由Μ. P. Bouguer在1760年發(fā)現(xiàn)并隨后由Ε. H. Weber在1843年重新 發(fā)現(xiàn)，且已被作為韋伯定律(Weber's law)(或“韋伯-菲納定律(Weber-Fechner law) ”)。心理物理學幅度可被定義為Ψ = k dogl,其中Ψ是感知強度，而I是物理強度； k是模態(tài)常數(shù)或任務指定常數(shù)。韋伯_菲納定律在20世紀60年代被改寫為斯蒂文斯冪定 律(Stevens' Power Law)，其不再像Fechner —樣假定一個最小可辨差異閾值的感知幅度 與任何其他的Ψ =k(I)n相同。這些心理物理學定律描述了對于大多數(shù)環(huán)境的物理強度 和感知強度之間的關系。還可考慮刺激持續(xù)時間對亮度感知的作用。在這方面，被感知的刺激強度還作 為持續(xù)時間的函數(shù)而變化。A.M. Bloch(布洛赫定律)主張高物理強度的短持續(xù)時間的 視覺刺激或較低強度的較長持續(xù)時間的目標可出現(xiàn)同等的亮度。實際上，由A. Brock和 D. Sulzer(Broca-Sulzer)進行的研究闡明了當閃光的目標的持續(xù)時間增加時，目標的被感 知的亮度先增加，但然后減少。上世紀的很多人已討論過布洛赫定律或Broca-Sulzer效 應，但是其中沒有一個明確地討論這兩個原理之間的差別。由于視覺在人類進取行為中的 重要性，存在對這些原理的益處進行開發(fā)利用的方法的需要。概述提供了用于查看對象的方法和設備。該方法包括提供對象的圖像細節(jié)之間的預先 確定的視覺對比以及在少于100毫秒的預先確定的時間段內保持視覺對比的步驟。附圖的簡要描述

圖1是依照本發(fā)明的例示的實施方式的接收至少一些視覺刺激的麻醉了的猴子 的神經(jīng)元的電記錄；圖2是作為圖2的猴子的刺激持續(xù)時間的函數(shù)的細胞內電壓的電記錄；圖3A-C是依照本發(fā)明的例示實施方式的示出了視覺刺激的益處的對象的測試結 果；圖4是依照本發(fā)明的例示的實施方式的用于視覺上刺激對象的系統(tǒng)；以及圖5是描繪了由圖4的系統(tǒng)生成的視覺刺激的計時圖。
例示的實施方式的詳細描述已發(fā)現(xiàn)刺激的持續(xù)時間影響其被感知的亮度。布洛赫定律，也稱為時間倒易性定律(time-reciprocity law)，其主張當視覺刺激的持續(xù)時間增加時，其檢測閾值減小(不 增加刺激的實際亮度)。布洛赫定律對達到30-130毫秒(msec)(取決于查看條件)的時間 持續(xù)起作用，根據(jù)文獻，在該持續(xù)時間條件下效果達到平穩(wěn)狀態(tài)(即，持續(xù)時間的進一步增 加既不使刺激亮度增加也不使其減小)。據(jù)推測，布洛赫定律由于視覺系統(tǒng)的某種綜合行為 而起作用，雖然神經(jīng)相關性還未知。由A. Broca和D. Sulzer在1902年以及W. Mcdougall在 1903年作出的報告認為，當超閾值之上的刺激持續(xù)時間增加時，其隨著刺激持續(xù)時間的增 加先變得較亮然后較暗。有趣的是，未報告出如人們可能從與布洛赫定律相關的文獻中預 期到的當刺激持續(xù)時間增加時刺激亮度處于平穩(wěn)狀態(tài)的情況。另外，對亮度感知的時間動 力學的很多研究檢驗了閃爍亮度，其混淆了刺激持續(xù)時間、閃爍之間的間隔(稱為內部刺 激間隔)和重復的影響。通過這些研究，人們可能不知道所感知的亮度是取決于刺激持續(xù) 時間還是這些其他的因素中的一個因素。E. Brucke在1863年和S. H. Bartley在1947-1948 年報告了個體的閃光的亮度作為閃光持續(xù)時間的函數(shù)而變化(其現(xiàn)在稱為“布-巴二氏效 應(Brucke-Bartley Effect)”)。但是，他們通過測量閃爍光的亮度和計算閃爍速率的倒 數(shù)(inverse)以確定刺激的持續(xù)時間的方式、而不是通過直接測量單個刺激的亮度作為持 續(xù)時間的函數(shù)的方式，來確定這個效應。也就是說，因為他們使用了閃爍刺激，他們過于混 淆了持續(xù)時間、內部刺激間隔以及可能影響亮度的各種其他的與閃爍相關的因素。閃爍相關的響應的心理物理學測量已在視覺皮層中進行。結果顯示看上去最亮的 閃爍所在的點的活動增加。但是，這些測量僅提供了作為閃爍速率的函數(shù)的平均激發(fā)率。光源的被感知的亮度的一個因素是刺激的時間動力學光閃爍的亮度可作為其發(fā) 光度和其持續(xù)時間兩者的函數(shù)。(出于描述的目的，本文中所使用的術語“亮度”還用于 指“對比”和/或“突顯”。)可使用若干傳統(tǒng)標準中的任何標準測量對比(例如，邁克爾遜 (Michelson)對比、韋伯(weber)對比、RMS對比)，雖然韋伯對比是優(yōu)選的方法。為了進一步的解釋(且如本文所使用的)，輻亮度用于指由發(fā)光物體(例如燈泡) 產生的光的量，發(fā)光度為由發(fā)光物體(例如燈泡)產生的光的量(在人類可見光譜范圍 內)。相反地，反射率是在給定的光譜范圍內表面(即，白色物體與黑色物體相比)反射的 光的量。相似地，光度是反射率和輻亮度(或發(fā)光度)的組合。這與意思是照射到表面上 給定光的量的詞的通俗用法相反。本文中所產生的中心假設是，用戶可通過將刺激的持續(xù)時間降低到最優(yōu)范圍的方 式來降低光源的功率輸出而不降低亮度。但是，以作為刺激持續(xù)時間的函數(shù)的亮度感知為 基礎的精確的神經(jīng)機制還是未知的。這一知識的空白妨礙了對被感知亮度的刺激功率的優(yōu) 化。本發(fā)明的基本原理是通過理解刺激持續(xù)時間和亮度感知的時間動力學態(tài)，用戶將理解 為人類感知而最優(yōu)化光源功率輸出所必要的參數(shù)，從而最優(yōu)化功率效率。本發(fā)明是創(chuàng)新的， 因為其首次將對光的單次閃光的亮度的感知直接與人類和靈長類動物的基礎神經(jīng)元過程 關聯(lián)起來。本文所考慮的第一個問題是作為持續(xù)時間的函數(shù)的刺激亮度中是否有峰值或平 穩(wěn)狀態(tài)。先前的研究不認同亮度峰值或平穩(wěn)狀態(tài)是刺激持續(xù)時間的函數(shù)。但是，先前沒有研究檢驗自然的對象中的單次閃爍的、隨機呈現(xiàn)的、超閾值之上的刺激的亮度。本文所考慮的第二個問題是神經(jīng)響應的哪些部分調節(jié)持續(xù)時間對亮度感知的影 響。一個假設是神經(jīng)開始響應的幅度和放電后的幅度之間的相互影響調節(jié)作為持續(xù)時間的 函數(shù)的亮度感知的峰值。為了回答這個問題，清醒的猴子的原代皮層單個神經(jīng)元的神經(jīng)響 應被記錄，同時評定不同的持續(xù)時間的刺激的被感知的亮度。第三個問題是大腦活動是否與刺激持續(xù)時間相關聯(lián)并是否與刺激功率無關。在 這方面，假設人類視網(wǎng)膜的視覺皮層區(qū)域在其活動中變化(例如，如使用血氧水平依賴性 (BOLD)信號測量的)，與感知相關但與刺激發(fā)光度無關。先前已示出當發(fā)光度增加時BOLD 信號也增加。但是，先前沒有功能性磁共振成像(fMRI)研究以不同方式改變刺激功率作為 刺激持續(xù)時間和發(fā)光度兩者的函數(shù)。接下來可考慮刺激持續(xù)時間對神經(jīng)響應的作用。在這方面，圖1示出了來自麻醉 的猴子的皮層區(qū)域Vi的單個神經(jīng)元對具有最佳大小和變化的持續(xù)時間的刺激的響應的演 變。如所示出的，當目標持續(xù)時間從17毫秒(ms)增加到443毫秒時放電后響應的幅度增 加。已發(fā)現(xiàn)增加持續(xù)時間導致開始響應的增加的幅度和放電后響應達到大約83毫秒 的持續(xù)時間，在其之后只有放電后響應增加，然后在幅度上減小。來自麻醉的貓測試對象的 在區(qū)域Vl中的細胞內部神經(jīng)數(shù)據(jù)在圖2中示出。如所示出的，對于短持續(xù)時間(例如，少 于84毫秒)，作為持續(xù)時間的函數(shù)的開始響應的幅度增加，然后放電后響應作為持續(xù)時間 的函數(shù)先增加然后縮小。這些發(fā)現(xiàn)揭示了為什么優(yōu)化的刺激源盡管具有較低能量卻顯得更 亮其發(fā)起了更強的開始和放電后響應。關于上述第一個問題，如果亮度作為持續(xù)時間的函數(shù)顯示出平穩(wěn)狀態(tài)，那么可預 期心理計量曲線可能有較短的持續(xù)時間的變化然后在長的持續(xù)時間內停止變化。如果亮度 達到峰值，那么曲線將有較短時間的變化，然后在較長的持續(xù)時間內(至少部分地)變化回去。圖3A-C示出了將刺激的亮度和持續(xù)時間相比較的一組測試結果。圖3A(左側) 示出了亮度在持續(xù)時間內處于平穩(wěn)狀態(tài)，圖3A(右側)示出了亮度在持續(xù)時間內出現(xiàn)峰值。 圖3B比較了在30%對比處(左側)與60%對比處(右側)的亮度。圖3C(左側)示出了面板3B(50%交叉點)的作為時間的函數(shù)的等效的感知到的 對比。圖3C(右側)示出了不同持續(xù)時間的刺激與不同發(fā)光度的刺激的對比的作為功率 (輸出能量/秒)的函數(shù)的感知到的對比。深藍色曲線表示與具有不同發(fā)光度的300毫秒 的持續(xù)時間的刺激的淺藍色曲線相比較，作為持續(xù)時間的函數(shù)的60%對比刺激的感知到的 對比。圖3C(右側)中的箭頭指向具有作為刺激功率的函數(shù)的最佳亮度的刺激。箭頭示出 了 60%對比的84毫秒刺激具有與70%對比的300毫秒刺激相同的亮度。圖3C (右側)中 的紅色曲線將具有不同持續(xù)時間的30%對比刺激與具有不同發(fā)光度的300毫秒刺激相比 較?，F(xiàn)轉到本發(fā)明的使用，能量消耗的主要部分被用于幫助視覺感知的發(fā)光設備的供 電。地面、空中和海上交通工具上的燈泡、視頻監(jiān)控器、警示燈等都必須將電力轉換為具有 足夠發(fā)光度的光子能量以維持不同條件下 的能見度和檢測。圖3C說明了人眼具有檢測與檢測70%對比的300毫秒刺激相同的60%對比的84毫秒刺激的能力。但是，60%對比的84毫秒刺激消耗70%對比的300毫秒刺激的六分之一 的功率。另外，圖3C的左側(在84毫秒的最佳時間的相對的側)的曲線的相對緩的斜度 示出了可利用與最佳值的嚴重偏離來實現(xiàn)獲益。因為緩的斜度，認為可通過操作燈光設備 以給出視覺刺激在一定范圍的值內的持續(xù)時間的方式來獲得實質性的益處。在一個優(yōu)選的 實施方式中，范圍是從80毫秒到88毫秒。在另一個實施方式中，范圍可以是從75毫秒到 100毫秒間的任意值。另外，30%對比值和60%對比值的比較示出了 83毫秒的最佳時間值 比對比更加重要。圖4示出了可用于說明本發(fā)明的各個方面的視覺刺激系統(tǒng)10。在這方面，系統(tǒng)10 包括處理單元12，其可用于通過一個或多個發(fā)光設備20、26呈現(xiàn)視覺刺激或用于在顯示器 14上顯示對測試對象16的刺激18。

為了利用人眼的這個能力，圖4的系統(tǒng)10可根據(jù)要呈現(xiàn)的刺激在若干不同模式下 操作。例如，在警示燈的例子中，刺激可使用發(fā)光設備26被簡單地呈現(xiàn)，其以大約84毫秒 的啟動或工作時間(tl)和停止或關閉時間(t2)(如圖5中所示)以及適當?shù)闹貜退俾什?作。重復速率可被選擇為吸引注意力的任何值或處于消除閃爍的任何被選的速率。在該環(huán)境中的對象(即燈26)的視覺對比可由觀察者與警示燈和燈的背景的距離 來確定。例如，離警示燈100英尺的觀察者可能需要比離警示燈10英尺的觀察者更高的發(fā) 光度水平以實現(xiàn)某個最佳對比。類似地，如果燈26工作在日光天空的背景下，那么對比可 能比在夜晚時間的天空下小得多。一般地，圖5中示出的光脈沖30可被選為具有84毫秒 長度且可適用于在日光或夜晚時間天空下供電以實現(xiàn)所期望的60%對比。時間t2可在必要時按照警示燈的需要被調整。在這方面，警示燈可需要閃爍的時 間t2以便吸引注意力。等于500毫秒到1秒的t2的值就足以實現(xiàn)這個目的。應注意到現(xiàn)有技術中的成像設備由于閃爍的緣故不能在低于30Hz的重復速率下 操作。但是，由于84毫秒的脈沖產生的視覺掩蔽，系統(tǒng)10可在大大低于30Hz的情況下工 作。本發(fā)明還可被擴展為其他類型的發(fā)光和/或成像設備。例如，系統(tǒng)10可用于房間 照明或工作照明。在個人讀書22的例子中，可容易地計算離光源20某個距離(例如3英 尺)實現(xiàn)60%對比的光照水平24。當計算出所需要的光照水平后，在計時器28的控制下 操作的電源12可激活光源20使之在84毫秒的工作時間之后有適當?shù)年P閉時間。為了方 便，電源12可與發(fā)電設施同步以提供每秒60周期的幾分之一的重復速率(例如20Hz)。在個人16讀書22的例子中，可提供光照水平控制32，用戶16通過該光照水平控 制可增加由84毫秒脈沖產生的照明，以改進如果發(fā)生視覺問題時的對比。類似地，可提供 重復速率控制34，以調整時間值t2以便防止閃爍。 系統(tǒng)10還可用于計算機、電視監(jiān)控器或顯示器14，以用于以圖像18的形式顯示刺 激。在這種情況下，電源12可以是計算機系統(tǒng)10的中央處理單元?？苫谟脩?6與顯示 器13的距離計算對比，且可由CPU12控制對比。 以上討論的最佳打開時間的使用可產生由多個有效材料構成的顯示器。例如，在 過去，顯示器14需要具有可以連續(xù)維持光柵掃描之間的圖像的像素。但是，如以上所說明 的，像素只需要將圖像在目標對比水平和以適當?shù)闹貜退俾时３执蠹s84毫秒。這可能產生 能夠以小得多的工作周期操作的顯示設備，從而減小對驅動電路的冷卻問題的擔心并減小驅動電路的尺寸。最佳工作時間還可用于在恒定光源下操作的顯示設備中。例如，液晶顯示器(IXD) 使用電信號產生在恒定光源下變得可見的顯示。但是，代替需要有恒定圖像信號到LCD ，圖 像信號可被減小到工作時間，其只需要產生具有可接受的重復速率的84毫秒的圖像。這還 具有減小由LCD顯示器消耗的功率的能力。為了說明本發(fā)明被制作和使用的方式，描述了用于查看對象的方法和設備的具體 的實施方式。應理解本發(fā)明及其各個方面的其他的變型和修改的實現(xiàn)對于本領域技術人員 是明顯的，且本發(fā)明不限于所描述的具體實施方式
。因此，意圖覆蓋本發(fā)明及其落入本文所 公開和要求保護范圍的基本構成原理的真實精神和范圍內的任何的和所有的修改、變型或 等效形式。
權利要求
1.一種查看對象的方法，包括提供所述對象的圖像細節(jié)之間的預先確定的視覺對比；以及在少于100毫秒的預先確定的時間段內保持所述視覺對比。
2.如權利要求1所述的用于查看對象的方法，其中所述時間段還包括大約83毫秒。
3.如權利要求1所述的用于查看對象的方法，其中提供所述視覺對比的步驟還包括照 明所述對象。
4.如權利要求1所述的用于查看對象的方法，其中提供所述視覺對比的步驟還包括激 活光源。
5.如權利要求1所述的用于查看對象的方法，還包括以預先確定的重復速率來重復提 供視覺對比的步驟和保持所述視覺對比的步驟。
6.如權利要求1所述的用于查看對象的方法，還包括基于所述對象的視覺內容來確定 用于所述對象的對比度。
7.如權利要求6所述的用于查看對象的方法，還包括調整所述對象的照明水平以實現(xiàn) 所確定的對比度。
8.一種用于查看對象的設備，包括用于提供所述對象的圖像細節(jié)之間的視覺對比的裝置；以及用于在少于100毫秒的預先確定的時間段內保持所述視覺對比的裝置。
9.如權利要求8所述的用于查看對象的設備，其中所述時間段還包括大約83毫秒。
10.如權利要求8所述的用于查看對象的設備，其中用于提供所述視覺對比的所述裝 置還包括用于照明對象以查看所述對象的裝置。
11.如權利要求8所述的用于查看對象的設備，其中用于提供所述視覺對比的所述裝 置還包括用于激活光源的裝置。
12.如權利要求8所述的用于查看對象的設備，還包括用于以預先確定的重復速率來 重復提供視覺對比的步驟和保持所述視覺對比的步驟的裝置。
13.如權利要求8所述的用于查看對象的設備，還包括用于基于所述對象的視覺內容 確定用于所述對象的對比度的裝置。
14.如權利要求14所述的用于查看對象的設備，還包括用于調整所述對象的照明水平 以實現(xiàn)所確定的對比度的裝置。
15. 一種用于查看對象的設備，包括所述對象的圖像細節(jié)之間的視覺對比；以及控制器，該控制器在少于100毫秒的預先確定的時間段內保持所述視覺對比。
16.如權利要求13所述的用于查看對象的設備，其中所述時間段還包括大約83毫秒。
17.如權利要求13所述的用于查看對象的設備，其中所述視覺對比還包括用于照明對 象以查看所述對象的光源。
18.如權利要求13所述的用于查看對象的設備，其中用于提供所述視覺對比的裝置還 包括激活所述光源的控制器。
19.如權利要求13所述的用于查看對象的設備，還包括以預先確定的重復速率重復所 提供的視覺對比的計時器。
20.如權利要求13所述的用于查看對象的設備，還包括用于基于所述對象的視覺內容確定用于所述對象的對比度的裝置。
21.如權利要求14所述的用于查看對象的設備，還包括燈控制，該燈控制調整所述對 象的照明水平以實現(xiàn)所確定的對比度。
全文摘要
提供了用于查看對象的方法和設備。該方法包括提供對象的圖像細節(jié)之間的預先確定的視覺對比以及在少于100毫秒的預先確定的時間段內保持視覺對比的步驟。
文檔編號G06F19/00GK102007496SQ200980113007
公開日2011年4月6日 申請日期2009年4月14日 優(yōu)先權日2008年4月14日
發(fā)明者斯蒂芬·L·麥克尼克, 蘇珊娜·馬丁內斯-康德 申請人:威斯特天主教保健中心