【对比敏感度】stelaCSF 一个统一的模型，描述对比敏感度作为时空频率、偏心度、亮度和区域研究附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、模型核心定位：填补多维度描述空白

对比敏感度函数（CSF）是量化人眼对不同对比度图案可见性的视觉模型基石，但传统模型存在显著局限 —— 或仅适用于静态内容，或仅覆盖中央凹视觉区域，无法兼顾多刺激维度的综合影响。由 Rafał K. Mantiuk 等研究者提出的stelaCSF 模型，通过整合空间频率、时间频率、偏心度、亮度、区域五大核心维度，构建了首个能全面描述人类视觉系统响应特性的统一框架，彻底打破了传统模型的应用边界。其名称 “stela” 即源于五大维度的英文首字母组合（Spatio-temporal frequency, Eccentricity, Luminance, Area），直观体现了模型的整合性特征。

二、五维影响因素的量化解析

stelaCSF 模型通过精准刻画各维度与对比敏感度的关联规律，实现了对视觉感知机制的深度还原：

1. 时空频率：视觉响应的基础维度

• 空间频率：以 “周 / 度（cpd）” 为单位，描述单位视角内亮度变化周期。人眼对 3-6 周 / 度的中等频率最敏感，过高或过低频率均会导致敏感度下降，这与视网膜神经节细胞的频率选择性响应直接相关。

• 时间频率：以 “赫兹（Hz）” 为单位，反映刺激的动态变化速率。低于 20Hz 时人眼可分辨闪烁，超过 60Hz 则产生融合感知，模型通过整合实验数据，精准捕捉了不同时空频率组合下的视觉响应差异。

2. 偏心度：视野位置的敏感度梯度

偏心度指刺激偏离中央凹的视角距离，直接决定视觉敏锐度。中央凹处视锥细胞密度最高，敏感度峰值出现在 0° 偏心度；随偏离距离增加，视锥细胞密度下降、视杆细胞占比升高，敏感度呈规律性衰减。stelaCSF 通过量化这一梯度关系，实现了对全视野范围内视觉特性的覆盖。

3. 亮度：视觉功能的环境适配性

亮度以 “坎德拉 / 平方米（cd/m²）” 衡量，其对敏感度的影响呈 “倒 U 型” 曲线：中等亮度（如 100 cd/m²）下敏感度最高；暗视觉条件下（视杆细胞主导）与过亮饱和状态下，敏感度均显著下降。模型通过拟合多亮度水平的实验数据，建立了动态适配的函数关系。

4. 区域：刺激规模的神经激活效应

刺激区域以 “平方视角” 为单位，其大小与敏感度呈正相关 —— 较大区域可激活更多视觉神经元，增强信号强度从而提升可察觉性。stelaCSF 将该维度与其他因素耦合建模，避免了单一维度分析的局限性。

三、模型构建：数据整合与参数优化逻辑

stelaCSF 的核心创新在于跨研究数据的统一拟合，具体流程如下：

1. 数据基础：整合 11 篇独立研究的实验数据，覆盖五大维度的不同子集（如部分研究聚焦空间频率与亮度交互，部分专注偏心度与区域影响）。

1. 参数设计：突破传统模型 “单数据集拟合” 的局限，采用同一组参数对所有数据源进行预测，实现了五维空间的全局适配。

1. 理论支撑：以心理物理学模型为框架（如视觉神经元频率选择性理论），结合千余次人类观察者实验数据，确保参数的科学性与准确性。

四、核心优势：多维度与高精度的双重突破

1. 全维度覆盖：相比仅能处理 2-3 个维度的传统模型（如 Barten CSF 仅关注空间频率与亮度），stelaCSF 实现了五大关键维度的协同描述，更贴近真实视觉场景。

1. 全域高精度：在低频区域（传统模型预测难点）仍保持优异准确性，其预测误差显著低于单一维度模型。

1. 可复现性强：研究者公开了 Matlab 实现代码与数据集，支持通过调整参数（如s_frequency空间频率、eccentricity偏心度）生成定制化敏感度曲线与 3D 可视化结果。

五、典型应用：从理论到工程实践

1. 闪烁检测与显示优化

利用模型对时空频率与亮度交互效应的精准预测，可构建显示设备的闪烁阈值指标。例如，通过调整视频帧率（时间频率）与亮度波动幅度，确保闪烁强度低于视觉感知阈值，降低观看疲劳。

2. 中央凹渲染技术

结合偏心度维度的敏感度梯度，在 VR/AR 渲染中实现资源优化：对中央凹区域（高敏感度）采用高分辨率渲染，对周边区域（低敏感度）降低分辨率，在不损失视觉体验的前提下减少计算负荷。

3. 视觉质量评估

可作为图像 / 视频压缩的感知基准 —— 根据不同区域的敏感度差异（如边缘区域空间频率高、偏心度大），动态调整压缩率，实现 “感知无损” 的高效编码。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 车元元,方春庭,金成鹏.42例弱视眼时空对比敏感度分析[J].中国斜视与小儿眼科杂志, 1996, 4(1):4.DOI:CNKI:SUN:ZGXS.0.1996-01-001.

[2] 李元元,方春庭,金成鹏.42例弱视眼时空对比敏感度分析[J].中国斜视与小儿眼科杂志, 1996(1).

[3] 周炜,陈式苏,缪天荣.测量全视系统空间调制传递函数和时空调制传递函数的简易装置[J].温州医学院学报, 1987(01):55-61.DOI:CNKI:SUN:WZYX.0.1987-01-016.

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