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1、视觉和与显示相关的视觉特性华北电力大学谭占鳌内容提要 1.视觉生理 2.与显示相关的视觉特性 3.光度学 4.色度学1.视觉生理任何图像通信系统的最终接收者基本上都是人的视觉系 统。传递到眼睛的信息，通过眼球视网膜上的视觉细胞变换成 为电信号，传递到大脑。大脑把这些信息进行处理，结果 就是可以感知到显示器所表现的明暗、色彩、形状、动 作、纵深等。而且还能产生更高层次的情感性认识如美 感、震撼和临场感等。因此，视觉系统做出的图像质量的评价是显示器质量的重 要指标。电视图像体制的建立、彩色的重现、彩色图像信号的传 输，以及图像编码和图像处理技术中都充分利用了人眼的 视觉特性。因此深入了解人类的视觉
2、系统构造和特性是十分重要的。人的视觉系统右视野左视野右视野左视野处理文字的能力较强处理数字的能力较强处理文字的能力较强处理数字的能力较强数字文字数字文字外界信息以可见光的形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。视网 膜内的视觉细胞把光信号转变成电信号传递给视神经。由左右眼引出的视神经在 视交叉处把两眼传来的信号进行处理后，传像外侧膝状体，再经视放射性神经连 接到左右大脑视觉区域。视网膜上各点和大脑视觉区域的各点保持拓扑对应关 系。眼球的构造眼球是一个直径为24mm的球状体。光线经过瞳孔射入眼球内，通过晶状体成像于眼球后 部内侧的视网膜上。角膜的作用类似照相机的第一组镜片，是眼睛的玻璃窗
3、户，光线从角膜射入眼内。瞳孔起着照相机中光圈的作用，可以随着光线的强弱而缩小或扩展，变化范围2-8mm。晶状体的作用类似于相机的透镜，通过睫状肌来调节焦距，范围是18.9-22.7mm。视网膜约占眼球内表面的2/3，处于眼睛后部的内侧面，外界光信息在此成像。在视网膜 中心附近有一个向下凹陷部，成为中央凹，该处是视觉最灵敏处。人眼总是把想要看清的 图像部分成像于此处。视网膜的 构造视网膜是眼睛中最重要的一部分，分为视细胞层、双极细胞层、神 经细胞层等，各层对视觉信息的产生、加工、传递起着不同的作 用。视细胞层内有锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞总数约为7000万 个，主要分布在视网膜的中央凹处。锥体
4、细胞在感知颜色方面发挥 主要作用，是明视觉器官，只有在光亮条件下发挥作用，能分辨颜 色，并具有高的空间分辨力。杆体细胞总数约为1.2亿个，无色 感，往往几十个杆体细胞连接一个双极细胞，是暗视觉器官。耳侧鼻侧视细胞外层含有成千上万个小圆盘，这些小圆盘中含 有大量的视色素。不同颜色，不同波长的光照使不同数 量，不同类型的视色素分解，当无光照时，在酶的作用下 又重新合成。这种分解和合成的过程，在细胞内引起热能 变化，也引起电能变化，这就是视觉信息形成的实质。光线通过视细胞转换成电信号，通过双极细胞传递到神经 节细胞，在经过许多细长的视神经集中到视神经结处，由 此处从眼球引出，向大脑延伸。而各个细胞的
5、横向联系由 水平细胞和无长突细胞来承担。视觉可感知的光谱范围光是电磁波，入射到眼 睛会引起视觉反应的光 波波长范围在380- 780nm之间，称为可见 光。具有单一波长的光 波称为单色光。人眼可 感觉到的单色光按波长 由短到长的顺序为蓝、 青、绿、黄、橙、红。 对于太阳光这种覆盖宽 广的波长范围，且能量 几乎均以分布的光线， 对人眼不能给予色彩感 觉，成为白光，根据强 度不一可以形成明暗轮 廓。2. 与显示相关的视觉特性亮度的感觉亮度是显示器件的最重要质量指 标之一。眼睛对光线强弱产生的 明暗感觉与光线的波长有关，不 同波长的可见光具有不同的视觉 灵敏度。由于视网膜含有两种不同的感光 细胞，在
6、不同照明水平时视觉函 数会发生变化。当亮度大于 3cd/m2时，为明视觉，锥体细胞 起主要作用，峰值对应的波长为 555nm；当亮度小于0.03cd/m2 时，为暗视觉，杆体细胞起主要 作用，峰值对应的波长为 507nm。明视觉与暗视觉曲线 目标与背景有一定的对比 度时，人眼才能看清其形 状。这种对比可以用颜色 （背景与物体具有不同的 颜色），也可以用亮度 （背景与物体在亮度上有 一定的差别）。 人眼刚刚能看辨别到物体 时，背景与物体之间的最 小亮度差称为临界亮度 差。临界亮度差与背景亮 度之比称为临界对比度； 临界对比的倒数称为对比 感度。boppp pLLLLLC=对比感度对比感度对比感度
7、对比感度pcCS1=式中式中：CP临界对比度 Lp临界亮度差 Lp背景亮度 Lo物体的亮度 SC对比感度视觉的图像分辨能力分辨力Ld人眼的视觉分辨能力包括空间分辨力和时间分辨力。空间分辨力就 是视力；时间分辨力指人眼对随时间而变化的目标的分辨能力。 分辨力的定义是： 眼睛对被观察物上相邻 两点之间能分辨的最小距离所对应的视角 的倒数，分辨力= 1 2 360603438( )dLd L = 人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的 距离。 对于正常视力的人， 在中等亮度情况下 观看静止图像时，为11.5。 分辨力在很 大程度上取决于景物细节的亮度和对比度， 当 亮度很低时， 视力很差， 这是
8、因为亮度低时锥 状细胞不起作用。 但是亮度过大时， 视力不再 增加， 甚至由于眩目现象， 视力反而有所降 低。 此外， 细节对比度愈小， 也愈不易分辨， 会造成分辨力降低。 在观看运动物体时， 分辨 力更低。视觉的图像分辨能力视野在垂直面内，标准视线为水 平视线，最大固定视野为 115，标准视线上方50， 下方70，扩大的视野为 150，站立时的自然视线低 于水平线10，坐着时自然 视线代于水平视线15；人 在很低松驰的状态中，站着 和坐着时的自然视线偏离标 准视线分别是30和38。 因此，人在轻松的时刻观看 展览时，展示物的位置在低 于标准视线30的区域里。在垂直面内，标准视线为水 平视线，
9、最大固定视野为 115，标准视线上方50， 下方70，扩大的视野为 150，站立时的自然视线低 于水平线10，坐着时自然 视线代于水平视线15；人 在很低松驰的状态中，站着 和坐着时的自然视线偏离标 准视线分别是30和38。 因此，人在轻松的时刻观看 展览时，展示物的位置在低 于标准视线30的区域里。人眼的垂直视野在水平面内最大 固 定 双 眼 视 野 为 180，扩大的视野 为190，在标准视 线 左 右 各 10 20视野内可以辨 别字。在标准视线 左右各530视 野 内 可 以 辨 别 字 母，在标准视线右 3060范围是 颜色视野，人最敏 锐的视力是在标准 视线两侧各10的 视野内。在
10、水平面内最大 固 定 双 眼 视 野 为 180，扩大的视野 为190，在标准视 线 左 右 各 10 20视野内可以辨 别字。在标准视线 左右各530视 野 内 可 以 辨 别 字 母，在标准视线右 3060范围是 颜色视野，人最敏 锐的视力是在标准 视线两侧各10的 视野内。人眼的水平视野视觉惰性人眼的主观亮度感觉与客观光 的亮度是不同步的。 当一定 强度的光突然作用于视网膜 时， 不能在瞬间形成稳定的 主观亮度感觉， 而是按近似 指数规律上升； 当亮度突然 消失后， 人眼的亮度感觉并 不立即消失， 而是按近似指 数规律下降。 人眼的亮度感 觉总是滞后于实际亮度的， 这一特性称为视觉惰性或
11、视觉 暂留。图 1-5 人眼的视觉惰 t光脉冲亮度(a)t1视觉亮度(b) t2t主观亮度感觉作用于人眼的光脉冲亮度人眼受到频率较低的周期性的光脉冲刺激时, 会感到一亮 一暗的闪烁现象， 如果将重复频率提高到某个定值以 上， 由于视觉惰性， 眼睛就感觉不到闪烁了。 不引起闪 烁感觉的最低重复频率， 称为临界闪烁频率。 临界闪烁 频率与很多因素有关， 其中最重要的是光脉冲亮度， 随 着光脉冲亮度的提高， 临界闪烁频率也会提高。 临界闪 烁频率还与亮度变化幅度有关 亮度变化幅度越大， 临界 闪烁频率越高。 人眼的临界闪烁频率约为46 Hz。 对于重 复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲， 人眼不再感觉
12、到 闪烁， 这时主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。3.光度学光度学是1760年由朗伯建立的，主要定义了光通量、发光强度、照 度等主要光学参量，并用数学阐明了它们之间的关系和光度学的几 个重要定律，如照度的叠加性定律、距离平方比定律、照度的余弦 定律和光发射的余弦定律。Johann Heinrich Lambert（德国） Pierre Bouguer （法国）光通量光通量表示光源表面的客观辐射通量对人眼所引起 的视觉强度，它正比于辐射通量和视觉函数。 在某一波长附近对于波长间隔为d的单色光来讲， 其光通量为： 式中。 称为光谱光视效能 ，为最大光视效能，也称最 大光效率。 光通量的单位是流
13、明（lumen），简称流，符号：lm。dd)(dekdevkdvkdmm)()()()()(=)()(vkkm= )(kmk 另外： 波长为的辐射的功光当量。 即：波长为的1w辐射通量（=1w）相当于 （lm）的光通量。 波长为5550的功光当量，即最大功光当 量。在SI制中： 单色光光通量的表示式为 复色光光通量的表示式为： 电光源的遍计发光效率=电光源发出的总光通 量与电光源的耗电功率P之比，即：是衡量电光源工作性能的重要指标，表示电光源 每耗电1W所发出光通量的流明数。d ddk=)()(kmkwlm683=mkd )(683vd=0)()(683devdPdev P =0)()(683
14、发光强度I发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光 通量的空间分布的物理量，在数值上等于点光源在 单位立体角中发出的光通量，即： 式中d是点光源在某一方向上所张的立体角元。 在球坐标系中， 即： 由点光源所发出的总光通量为： 对于均匀发光体，I 不随而变化，则： 。 总光通量 表征光源的特性，对于指定的发光 体，光具组不能增加光通量，而只起把光通量重新 分配的作用。=ddIdddsin= ddIdIdsin,=0,20sindIdd 、 IIddI422sin020=发光强度I在国际单位制中,发光强度的单位是坎德拉（candela）, 代号是坎（cd）. 1979年第16届国际计量大会规定坎
15、德拉的定义为： “坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出辐射强度为”。 Sr球面度 坎德拉是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中 其它单位都是导出单位。长度 质量 时间 电流强度 热力学温度 物质的量发光强度 m kg sAKmol cd (蜡光标准蜡烛标准火焰灯标准电灯1948(9)1967(13)1979(16)14频率为的单色辐射，而且在此方向上的Hz1040. 56831 srw亮度 B 1.朗伯定律： 在立体角中发射出的光通量正比于 和发光体表观面积的大小，即： 或 即：dddcosds cosdsdd=dBdsdcos=ddsdBcos亮度 B光源的亮度B： 是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有 关的物理量，在数值上它等于单位面积的光源表 面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量。 亮度的单位为： 尼特（nit），代号：nt ； 熙提（silb）,代号：sb 。 1sb=104nt(1m2=104cm2)(m1lm1nt2sr=)(cm1lm1sb2sr=亮度 B 余弦发射体： 一般情况下，扩展光源上每一面元的亮度B随 方向而变. 如果：，那
