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1、1,第二章 视觉和电视显示基本原理,2,显示器显示的信息是供人眼观看的，人的眼睛是人类视觉系统的重要组成部分，它是很复杂的器官。人眼的生理特性对制订显示规范有很大的影响。,3,视觉信息的产生 图像处理的许多目标，最终要通过人眼来判断所处理的结果。有必要研究人类视觉系统的特点，并研究它的等效数学物理模型。,中央凹,4,一.人类视觉构造,人眼的外形接近于球形，是一个直径为24mm的球状体，眼球壁由巩膜、脉络膜和视网膜组成。 角膜、巩膜；(在眼球壁最外一层，呈白色，是眼球的保护层。巩膜前面1/6的透明部分叫角，光线从角膜射入眼内。) 脉络膜（有丰富血管和色素，起输送养料作用）、睫状肌）、虹膜（脉络膜
2、最前面的环形部分） 视网膜(第三层为视网膜,约占眼球内表面的2/3 )黄斑中央凹 锥体细胞明视觉细胞 杆体细胞暗视觉细胞,5,人 眼,1.巩膜：白色坚韧,厚0.40.8mm,2.角膜：透明，R:8mm,14.视神经,3.脉络膜：黑色不透光,8.前房液水状体:淡盐溶液,折射率1.337,9.后房液玻璃体:含大量水份胶状物,折射率1.336,4.虹膜：带色的彩带,5.瞳孔：直径：1.48mm,6.水晶体眼珠,折射率为1.42的胶状物,前后曲面半径:10mm,6mm,7.睫状肌,10.视网膜:视神经网,11.盲点:不引起视觉,12.黄斑点直径:2mm,13.中央窝:最敏感直径0.25mm,6,视觉特
3、性 人眼的视网膜上有大量的光敏细胞，按其形状可分为杆状细胞和锥状细胞。这两种细胞在视觉特性上有着不同的性能和作用，两者给出的视觉效应是不一样的。 杆状细胞的感光灵敏度很高，在低照度时，主要靠它分辨明暗，但对彩色不敏感。杆状细胞从中央凹开始向四周慢慢减少，体积大，约有75,000,000150,000,000个，分布面大且几个到几十个柱细胞连到同一个神经末梢，使得分辨率比较低；主要提供视野的整体视象，不感受颜色并对低照度较敏感，形成具有高灵敏度的无色觉功能的暗视觉。例如在日光下鲜艳的彩色物体在月光下变得像无色的，就是由于只有柱细胞在工作。 锥状细胞感光灵敏度较低，在微弱的光线下不起作用，但在光线
4、较为明亮时既能感知各种明暗层次又能辨别出光的颜色。锥状细胞主要分布在视网膜的中央凹，体积小，排列密度很高，每个眼内约有6,000,000,000,000个锥细胞，一个锥状细胞就连接一个神经末梢,感光灵敏度低，对颜色很敏感。锥细胞视觉称为明视觉或亮光视觉。 (动物有些只有一种感光细胞) 电视画面都是在有一定亮度的环境下拍摄的，屏幕上呈现的图像也有相当的亮度。所以，在电视系统中只需考虑锥状细胞的视觉特性即可。,7,明适应与暗适应 暗适应：人眼从光亮中进入到暗室时，在最初的瞬间什么都看不见，逐渐地才适应了黑暗，从而区分出周围物体的轮廓,在最初的5-10min内杆状细胞和锥状细胞一起暗适应,但后者更快
5、适应 。前者的感受度增加的更高，杆状细胞感受度增加可达几十万倍。 明适应：由暗环境到亮环境的过程,眼的感受度降低; 包括两种基本过程：瞳孔大小的变化和视网膜感光化学物质的变化。主要机制是视觉的双重作用，即在黑暗中由中央视网膜转化为边缘视网膜的作用。视觉的暗适应程度是与视紫红质的合成程度相对应。视紫红质是杆状细胞内的一种化学物质，在爆光时便被破坏褪色；,8,二、视觉灵敏度 同一波长的光，当其强度不同时，给人的亮度感觉是不同的，相同强度而波长不同的光，给人的亮度感觉也是不同的,即不同的色光具有不同的感受性。 人眼的灵敏度因人而异，通过对大量视力正常者的实验统计，可得到如 图1-3 相对视敏函数曲线
6、所示的相对视敏函数曲线。由图可见，在亮视觉下，当辐射功率相同时，人眼感觉555nm的草绿光最亮，波长自555nm起向左和向右逐渐减小和增大时，亮度感觉逐渐下降。,图1-3 相对视敏函数曲线,9,三、人眼的色度视觉 视觉三色原理的假设：锥状细胞分为三类, 分别称为红敏细胞、绿敏细胞和蓝敏细胞，它们分别只对红色、绿色和蓝色光谱能量的刺激产生视觉反映。三种细胞对可见光的反应灵敏度曲线如下图三种锥状细胞的相对视敏函数曲线所示。 图中的峰值分别出现在580nm，540nm和440nm处。 不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。电视技术利用这一原理，在
7、图像复现过程中，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用3种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性的3种光源进行配色，在色感上得到相同的效果。,10,四、人眼的分辨力,人眼在感知外界景物时，并非景物的所有信息都能被看到，在一定距离之外，景物中一些过小、过细的内容就无法被觉察。这说明人眼分辨景物细节的能力是有限的。人眼分辨景物细节的能力称为分辨力，用分辨角的倒数来定义。 分辨角，是指在被观察物体上，人眼能分辨出的最近两个相邻点对眼睛形成的张角。测试方法如 图1-4 人眼的分辨力 所示，图中设人眼刚能分辨出白色屏幕上的两个黑点a和b，这时a和b之间的距离为d，a和b对眼睛形成的张角为 ，则 就是分辨角。分辨角越
8、小，说明人眼的分辨力越高，也即视力越好。,图1-4 人眼的分辨力,11,（1）分辨力很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度（最大亮度和最小亮度的比值）。亮度过低或过高，视力下降；细节对比度越小，也越不易分辨。 （2）人眼对彩色细节的分辨力要远低于对黑白细节的分辨力。根据这一特性，在彩色电视中只传送黑白图像细节，而不传送彩色细节，以减少色信号的带宽，这就是大面积着色原理的依据。,12,视敏度和细节视觉,视角：对象与眼睛所形成的张角。,V=1/,视敏度V: 指分辨物体细节和轮廓的能力，通常以找出两条线间的最小间隔来说明。,通常以分（）表示,观察距离 亮度 对比度 V,V,V,13,五、视觉惰性与闪
9、烁感觉,1.视觉惰性 人的视觉对外界光刺激的响应有一定的延时。当一定强度的光突然作用于人眼时，需要经过一定的时间才能形成一个稳定的主观亮度感觉；当光消失以后，亮度感觉也不是瞬间消失，而是要经过一段时间之后才能消失，对于中等亮度的光刺激，视觉暂留时间约为0.05至0.2秒。也就是说，视觉的建立和消失都有一定的惰性，我们称之为视觉惰性，如 图1-6 视觉惰性 所示。,图1-6 视觉惰性,14,视觉惰性，是现代电影和电视的基础。电影和电视都是将一幅幅静止的画面以一定的频率在银幕或屏幕上轮流显现出来，只要静止画面在显现时每两幅之间的时间间隔小于视觉暂留时间（约0.1s)，这时人眼观看的虽然是一连串的静
10、止画面，但前一幅画面的印象尚未消失，后一幅画面的印象又开始建立，前后画面在视觉上融合衔接在一起，因此人眼感觉到画面不是断续出现而是连续出现的。 视觉残留受如下因素影响： 1，发光物体的光强；2，刺激光的作用时间；3，不同色光的刺激。其中黄 光的后像消失得最快。,15,2. 闪烁感觉 对于周期性的脉冲光源，人眼还有一个称之为闪烁感觉的特性。也就是说，当脉冲光源的重复频率不太高时，人眼会跟随光源的变化产生一明一暗的感觉，即闪烁感觉。脉冲光源的重复频率提高时，这种闪烁感觉会随之减轻(是有视觉残留引起)。当重复频率提高到一定值后，闪烁感觉可完全消失，这时人眼感觉到的不是一闪一闪的脉冲光源，而是亮度恒定
11、的不闪烁光源。不引起视觉闪烁感的光源最低重复频率通常称为临界闪烁频率（CFF）。由经验公式得到，人眼的临界闪烁频率约为46Hz。（但这与光强度有关，光暗时，临界闪烁频率也会低很多） 电视机屏幕在显示画面时相当于脉冲光源，因此其重复频率必须大于临界闪烁频率才能使观众不产生闪烁感。不过，电视系统的换帧（幅）频率只有25(30)Hz，为了克服闪烁感，电视系统采用了隔行扫描的方式，将一帧（幅）画面分成两场。这样一来，在不改变换帧频率的情况下，屏幕上画面的呈现频率提高了一倍，变为50(60)Hz，大于46Hz的临界闪烁频率。现代电视技术通常在电视机中采用特殊技术，如场频加倍技术等，将屏幕闪烁频率提高到1
12、00Hz，这时基本上可完全克服闪烁感。,16,当周期光信号的频率高于CFF时,其视亮度I为:,L(t)为周期变化光的实际亮度,眼睛感觉到的是周期性变化光亮度的平均值。,CFF和光强的关系：,n:临界频率，I:光强，a，b是两个参数,17,CFF受许多因素影响,现分别介绍如下：,1.刺激的强度，微光时低于10Hz，高亮度（1000cd/m2)可高达4560Hz渐进值。,2.刺激的面积，小面积的CFF比大面积的CFF低，两者也是对数关系。,A代表面积，c，d为两个参数,18,3.视网膜的不同部位，中凹处的CFF较高。,4.不同背景光及不同的刺激色光 。,白光的最大CFF值大于其他色光的相应数值；绿
13、光的CFF值大于红，蓝光的相应数值。白光在蓝光背景上CFF最高，红光背景上中等，绿光背景上最低。,5. CFF还与年龄、疲劳、缺氧和其他感官剌激有关。,19,六.光度学基础,光通量,发光强度,照度,亮度等是光度学的主要参量, 最早由朗伯建立; 并提出它们之间的数学关系,形成光度学的主要定律,20,（1）光通量 一般的通量指在单位时间内通过一定面积的能量流，在光度学中,光通量被定义为能够被人的视觉神经所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量(可见,只指可见光部分), 显然，光通量将不可见光（红外线，紫外线）排除在外，而且在数量上也并不等于看得见的那部分光辐射功率值。光通量符号为，单位为流明（lm）
14、。根据光辐射通量()单位波长间隔内光的实际功率，由下式可确定光通量： 式中V()为光谱光视光效函数(明视觉函数)， Km为一个转换常数, 也称为光功当量, 它是辐射的光谱光视效能的最大值，其值为6381lm/W(m=555nm)。这是一个国际协议值;它表示在人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)上,每瓦光功率相应的流明(lm)数,也称此数为1光瓦;,21,由此可见，光通量的大小反映了一个光源所发出的光辐射能所引起的人眼光亮感觉的能力。,40W钨丝灯泡所输出的光通量468 lm，40W日光灯可达2100 lm,我们用每瓦流明数来表达一个光源或一个显示器的光效率。单位lm/w,日光灯的光效率就比钨
15、丝灯泡的光效率高; PDP比CRT的低很多;,22,2）发光强度： 光源在给定方向上的一个很小的立体角元d内所包含的光通量d除以该立体角之商，即为光源在此方向上的发光强度 I=d/d 单位为坎德拉（cd），1cd=1lm/sr。 一般光源在各个方向上的发光强度不是均匀分布的，按发光强度的实际分布以及坐标画出分布曲线。,23,某一方向上的发光强度,24,3）亮度： 光源发光表面上某一点处的亮度是该面元dS在给定观察方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之商，即， 单位为坎德拉每平方米（cd/m2），可见，它是单位面积上的发光强度。为这个面的法线方向与观察方向所成之角；,2
16、5,亮度还可用来描述光路的任一截面 如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的亮度为L，则它在这个方向上的发光强度I应为： I LA cos 是该发光面的法线与所指定方向的夹角;,26,如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等,则L=L=常数。这时上式可变为:,I LA cos,令 I0LA 表示该面光源法线方向上的发光强度,则 I I0cos 朗伯定律,它表示一个亮度在各个方向上都相等的发光面，在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度I0乘以方向角的余弦。这样的发光面称为朗伯发射面，也叫均匀漫射面。,27,4）照度： 表面上一点的照度是入射在包括该点面元上的光通量d除以该面元面积dA之商。即： E= d/dA 单位为勒克斯（lx），1lx=1lm/m2。 曝光量 H=Et （勒克斯秒） 对于点光源，若在某一方向上的发光强度为I，那么在该方向上离开光源的距离为r处的照度E=I/r2。照度与离开光源的距
