人眼的视觉特性

⼈眼视觉特性（HVS）⼈眼视觉特性(⼀)2248671769qq.⼈眼类似于⼀个光学系统，但它不是普通意义上的光学系统，还受到神经系统的调节。

⼈眼观察图像时可以⽤以下⼏个⽅⾯的反应及特性：(1)从空间频率域来看，⼈眼是⼀个低通型线性系统，分辨景物的能⼒是有限的。

由于瞳孔有⼀定的⼏何尺⼨和⼀定的光学像差，视觉细胞有⼀定的⼤⼩，所以⼈眼的分辨率不可能是⽆穷的，HVS对太⾼的频率不敏感。

(2)⼈眼对亮度的响应具有对数⾮线性性质，以达到其亮度的动态围。

由于⼈眼对亮度响应的这种⾮线性，在平均亮度⼤的区域，⼈眼对灰度误差不敏感。

(3)⼈眼对亮度信号的空间分辨率⼤于对⾊度信号的空间分辨率。

(4)由于⼈眼受神经系统的调节，从空间频率的⾓度来说，⼈眼⼜具有带通性线性系统的特性。

由信号分析的理论可知，⼈眼视觉系统对信号进⾏加权求和运算，相当于使信号通过⼀个带通滤波器，结果会使⼈眼产⽣⼀种边缘增强感觉⼀⼀侧抑制效应。

(5)图像的边缘信息对视觉很重要，特别是边缘的位置信息。

⼈眼容易感觉到边缘的位置变化，⽽对于边缘的灰度误差，⼈眼并不敏感。

(6)⼈眼的视觉掩盖效应是⼀种局部效应，受背景照度、纹理复杂性和信号频率的影响。

具有不同局部特性的区域，在保证不被⼈眼察觉的前提下，允许改变的信号强度不同。

⼈眼的视觉特性是⼀个多信道(Multichannel)模型。

或者说，它具有多频信道分解特性(Mutifrequency channel decompositon )。

例如，对⼈眼给定⼀个较长时间的光刺激后，其刺激灵敏度对同样的刺激就降低，但对其它不同频率段的刺激灵敏变却不受影响(此实验可以让⼈眼去观察不同空间频率的正弦光栅来证实)。

视觉模型有多种，例如神经元模型，⿊⽩模型以及彩⾊视觉模型等等，分别反应了⼈眼视觉的不同特性。

Campbell和Robosn由此假设⼈眼的视⽹膜上存在许多独⽴的线性带通滤波器，使图像分解成不同频率段，⽽且不同频率段的带宽很窄。

人眼视觉特性(一).com人眼类似于一个光学系统，但它不是普通意义上的光学系统，还受到神经系统的调节。

人眼观察图像时可以用以下几个方面的反应及特性：(1)从空间频率域来看，人眼是一个低通型线性系统，分辨景物的能力是有限的。

由于瞳孔有一定的几何尺寸和一定的光学像差，视觉细胞有一定的大小，所以人眼的分辨率不可能是无穷的，HVS对太高的频率不敏感。

(2)(4)(5)(6)段，一幅当人眼睛的视网膜受到光的刺激时，所引起的色觉经验具有三种心理性向度，即色彩亮度和饱和度。

色彩之不同，取决于光的波长，而亮度的高低则与光的波幅成正比，但也与光的波长有关。

在白天，波长550nm左右的光最亮，而在夜晚，波长510nm左右的光最亮饱和度是指颜色的纯度。

其饱和度越大，其色彩越鲜艳，反之，越灰暗。

1.2人眼对光谱的灵敏度在人眼的视网膜上有两种视觉细胞，即锥状细胞和杆状细胞。

锥状细胞不但可以接受色彩的刺激，还可以感受亮度的刺激。

所以，在白天书画光下，人眼可以同时识别彩色与非彩色的物体，但到了夜间或暗处，锥状细胞即失去感光作用,视觉功能由杆状细胞取代.此时，人眼便无法感觉彩色，仅能辨别白色和灰色。

1.3明视觉暗视觉与中介视觉明视觉在环境亮度大于10cd.m2时,视觉完全由锥状细胞起作用,最的的视觉响应在光谱蓝绿区间的555nm处,在这样亮度的环境中的视觉特性称为明视觉。

暗视觉在环境亮度低于10-2cd.m-2时,锥状细胞失去感光作用,视觉功能由杆状细胞取代,人眼失去感觉彩色的能力，仅能辨别白色和灰色.在这样亮度的环境中的视觉特性称为暗视觉.中介视觉当景物的亮度增加到10-2cd.m-2以上时,除明亮度增加外,还可以发现三个效应。

首先，中心凹的察觉开始变得和边缘部分的察觉一样容易。

其次，可以感觉到颜色，开始时弱，其后增强。

第三，随着亮度的变化，锥状细胞和杆状细胞对视觉的作用也随之发生变化。

1.4明适应暗适应和比视感度480nm较差。

人眼的视觉特性0序言由于liuhonghui和王绪军先生提醒，评定金属丝像质计灵敏度时，应遮蔽粗丝，采用由细到粗逐根观察评定的方法。

为什么不能采用由粗到细的观察方法呢？大概与人眼的某些视觉特性有关。

为此，笔者根据资料〔1〕和自学笔记，编写了这篇短文，希望从中能找出些理论依据来。

由于我水平所限，加上成文仓促，如有不当，望指正。

人眼的视觉特性，是因人而异的，我们在这里讨论的是正常人的统计平均状况。

1视觉范围1.1人眼的光谱灵敏度(1)人眼可识别的电磁波长大约为400-800nm。

波长由长至短，光色分别为红橙黄绿青蓝紫。

同时含有400-800nm各色电磁波的光，称为白光。

(2)人眼对不同的颜色的可见光灵敏程度不同，对黄绿色最灵敏(在较亮环境中对黄光最灵敏，在较暗环境中对绿光最灵敏)，对白光较灵敏。

但无论在任何情况下，人眼对红光和蓝紫光都不灵敏，假如，将人眼对黄绿色的比视感度(灵敏度)设为100%，则蓝色光和红色光的比视感度(灵敏度)就只有10%左右了。

(3)在很暗的环境中(亮度低于10-2cd/m2时)，如无灯光照射的夜间，人眼的锥状细胞失去感光作用,视觉功能由杆状细胞取代,人眼失去感觉彩色的能力，仅能辨别白色和灰色.。

1.2人眼能感受的亮度范围人眼能感受的亮度范围约为10-3—106cd/m2。

当平均亮度适中时(亮度范围约为10—104cd/m2)，能分辨的最大和最小亮度比为1000:1(当亮度为1000 cd/m2时，识别能力最高，有资料称:最小可识别黑度差ΔDmin≈0.08); 当平均亮度很低时，能分辨的最大和最小亮度比不到10:1。

1.3人眼视觉的空间特性(1)空间分辨率为≤12LP/mm;(2)灰度分辨能力为64级。

1.4人眼的时间特性(1)活动图像的帧率至少为15fps时，人眼才有图像连续的感觉;(2) 活动图像的帧率在25fps时，人眼才感受不到闪烁。

笔者注:;监控视频15fps，电视25fps，电脑屏幕60fps。

人眼的立体视觉特性立体显示技术是以人眼的立体视觉原理为依据的。

因而，研究人眼的立体视觉机理，掌握立体视觉规律，对研究和设计新的立体显示系统是十分必要的。

人之所以能够产生立体视觉是因为人有两只眼睛，当左右两只眼睛从不同的角度去看某一个物体时，在左右眼视网膜上所成的图像是有差异的，人的大脑可以根据这种图像差异来判断物体的空间位置关系，从而使人产生立体视觉。

这一原理称为双目视差原理。

一、双眼立体信息用双眼观看空间景物时，形成立体视觉的因素称为双眼立体信息。

双眼立体信息是人眼立体视觉的主要因素。

人的两眼相距约58～72mm。

因此，用双眼同时观看同一物体时，左、右两眼视线方位不同，物体在左、右两眼视网膜上所成的像亦稍有差异。

称这种差异为双眼视差。

如图所示：当用双眼观看一个立方体时，如果左眼只看到立方体的前平面和上平面，而右眼除了能看到这两个平面外，还能看到立方体的右侧平面。

此外，即使是左、右两眼都能看到的前平面和上平面，在左、右眼视网膜上所成的像也稍有差异。

双眼视差的大小与空间物体的位置有决定性的关系。

因而，检测双眼视差的大小即可辨别物体的深度。

如上图可以定义双眼视差：图中L、R分别为左、右眼，P为两眼瞳孔间的距离，D为视距，△D为深度距离，F1和F2为两个物体或同一物体上的两个点。

由上式可知，视差与深度距离△D成正比，而与视距的平方成反比。

二、分时显示与立体视觉以上讨论的双眼视差是在左、右两眼同时接受图像刺激的情况即同时立体视觉，如果进入左、右眼的视差图像信息在时间上不是同时显示而存在某种程度的滞后的话，这时立体视觉的规律将不同于同时视觉。

视差图像滞后显示也称为分时显示。

分时显示所形成的立体视觉既与滞后时间有关，也与先行显示的视差图像的显示时间有关．下图给出一分时显示滞后时间对立体视觉的影响的实验曲线。

图中曲线是在先行显示图像的显示时间为18ms条件下，立体规觉与分时显示滞后时间的关系。

曲线表明，滞后时间小于20ms时，分时显示的双眼视差图像所产生的立体视觉与同时视觉产生的立体视觉基本相同；分时显示滞后时间大于20ms时，分时显示的立体视觉减弱；当滞后时间超过100ms时，立体视觉将不能形成。

人眼视觉特性(一)人眼类似于一个光学系统，但它不是普通意义上的光学系统，还受到神经系统的调节。

人眼观察图像时可以用以下几个方面的反应及特性：(1)从空间频率域来看，人眼是一个低通型线性系统，分辨景物的能力是有限的。

由于瞳孔有一定的几何尺寸和一定的光学像差，视觉细胞有一定的大小，所以人眼的分辨率不可能是无穷的，HVS对太高的频率不敏感。

(2)人眼对亮度的响应具有对数非线性性质，以达到其亮度的动态范围。

由于人眼对亮度响应的这种非线性，在平均亮度大的区域，人眼对灰度误差不敏感。

(3)人眼对亮度信号的空间分辨率大于对色度信号的空间分辨率。

(4)由于人眼受神经系统的调节，从空间频率的角度来说，人眼又具有带通性线性系统的特性。

由信号分析的理论可知，人眼视觉系统对信号进行加权求和运算，相当于使信号通过一个带通滤波器，结果会使人眼产生一种边缘增强感觉一一侧抑制效应。

(5)图像的边缘信息对视觉很重要，特别是边缘的位置信息。

人眼容易感觉到边缘的位置变化，而对于边缘的灰度误差，人眼并不敏感。

(6)人眼的视觉掩盖效应是一种局部效应，受背景照度、纹理复杂性和信号频率的影响。

具有不同局部特性的区域，在保证不被人眼察觉的前提下，允许改变的信号强度不同。

人眼的视觉特性是一个多信道(Multichannel)模型。

或者说，它具有多频信道分解特性(Mutifrequency channel decompositon )。

例如，对人眼给定一个较长时间的光刺激后，其刺激灵敏度对同样的刺激就降低，但对其它不同频率段的刺激灵敏变却不受影响(此实验可以让人眼去观察不同空间频率的正弦光栅来证实)。

视觉模型有多种，例如神经元模型，黑白模型以及彩色视觉模型等等，分别反应了人眼视觉的不同特性。

Campbell和Robosn由此假设人眼的视网膜上存在许多独立的线性带通滤波器，使图像分解成不同频率段，而且不同频率段的带宽很窄。

视觉生理学的进一步研究还发现，这些滤波器的频带宽度是倍频递增的，换句话说，视网膜中的图像分解成某些频率段，它们在对数尺度上是等宽度的。

二、人眼的视觉特性.二、人眼的视觉特性任何重现的彩色图像都要由人的眼睛作出评价，所以人眼的特性和局限性决定了彩色电视系统的主要性能。

所以在介绍主要内容之前有必要先了解人眼的视觉特性，以便合理的选择电视系统的基本参数量。

1．人眼的视敏特性与视敏函数视敏特性人眼的视敏特性是指人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度的特性叫视敏特性。

视敏特性常用视敏函数来表示。

⑴视敏函数为确定人眼对不同波长光的敏感程度可作如下实验：用不同光谱的单色光源发光，由“标准观察者”的眼睛观看，当观察者对所有单色光源发出的光获得相同的亮度感觉时，测量此时各不同的单色光源的辐射功率P（λ），显然P（λ）越大，说明人眼对该波长的光越不敏感。

相反，P（λ）越小，说明人眼对该波长的光越敏感。

通常我们用辐射功率的倒数来衡量人眼对波长λ光的敏感程度。

我们把辐射功率的倒数称为视敏函数，即：K（λ）=1/ P（λ）式中：P（λ）为辐射功率K（λ）越大说明人眼对该波长的光越敏感。

⑵相对视敏函数7 通常把任意波长光的视敏函数与最大视敏函数的比值称为相对视敏函数。

在明亮条件下，人眼对555nm黄绿光有最高的灵敏度，故：V（λ）= K（λ）/K（555）=P（555）/ P（λ）在暗视觉条件下，V（λ）= K’（λ）/K’(507)=P’(507)/ P’（λ）⑶相对视敏函数曲线相对视敏函数曲线是根据正常视力的观察者实验统计的结果得到的曲线。

如图1-26 所示。

图1-26 相对视敏曲线由图可知：对于明视觉，当λ=555nm 时（为黄绿光），亮度感觉最大。

对于暗视觉，当λ=507nm 时（为青偏绿），亮度感觉最大。

在电视技术中都是采用明视觉曲线的。

8 明暗视觉曲线为何不重合？这是因为在明、暗两种情况下，是由不同的光敏细胞作用的结果。

在人眼的视网膜上有两种光敏细胞：其一是杆状细胞，其灵敏度高，但只能辨别明亮，不能辨别颜色。

在暗视觉条件下主要是由杆状细胞起作用。

人类的视觉生理特点主要包括以下几个方面：1.分辨率高：人类视觉系统能够分辨非常小的物体和细节，这是因为眼睛中的视网膜上有大量的感光细胞，能够识别非常微小的光线变化。

2.宽动态范围：人类视觉系统能够适应不同亮度的环境，从非常明亮的阳光下到非常暗淡的夜晚都能够看清物体。

3.颜色感知：人类视觉系统能够感知物体的颜色，这是因为眼睛中的视锥细胞能够感知不同波长的光线，从而产生不同的颜色感知。

4.快速适应：人类视觉系统能够非常快速地适应不同环境下的光线和颜色，例如从室内到室外，从白天到夜晚。

5.空间感知：人类视觉系统能够感知物体的三维空间位置和形状，这是因为眼睛中的两个视网膜能够产生不同的图像，从而产生立体感知。

6.运动感知：人类视觉系统能够感知物体的运动和速度，这是因为眼睛中的视网膜能够感知光线的变化，从而产生运动感知。

7.光谱灵敏度：人眼可识别的电磁波长大约为400-800nm，同时含有400-800nm各色电磁波的光，称为白光。

人眼对不同的颜色的可见光灵敏程度不同，对黄绿色最灵敏，对白光较灵敏。

8.亮度和对比度感知：人眼能感受的亮度范围非常宽泛，可以感知从黑暗到明亮的亮度变化。

对比度感知则是指人眼对不同亮度之间的差异的感知能力。

9.立体视觉：人类的两只眼睛可以协同工作，提供深度感和立体感。

通过两只眼睛接收到的略微不同的视角信息，大脑可以分析出物体的距离和深度。

10.适应性：人眼具有一定的适应性，可以在长时间的相同光照条件下逐渐适应，例如从暗处到亮处或从亮处到暗处。

11.瞳孔调节：瞳孔可以根据光线强度的变化自动调节孔径大小，从而控制进入眼睛的光线量。

12.视觉疲劳：长时间注视同一物体或保持同一姿势会导致视觉疲劳。

适当休息和改变视线可以缓解视觉疲劳。

13.双眼视觉：人类的两只眼睛可以协同工作，提高视觉的分辨率和深度感。

14.眼睛运动：人类的眼睛可以进行快速而精细的运动，如扫视、追踪和聚焦等，以跟踪和理解动态的视觉场景。

人眼视觉特性 Prepared on 22 November 2020人眼视觉特性1.各种视觉范围光谱范围：我们知道，光线可以分为两类，也就是我们常说的可见光与不可见光。

“可见”与“不可见”是以人眼能否直接观察到为衡量标准的。

那么，人眼可以观察到的光谱范围，到底是多少呢研究发现，人眼可以识别的光线波长范围为400nm—800nm，而光波在390—455nm 内呈紫色，在455—492呈蓝靛色，在492—577nm呈绿色，577—597nm呈黄色，597—622nm呈橙色，770～622nm呈红色。

而人眼能分辨色彩的原因为，在人眼的视网膜上有两种视觉细胞，即锥状细胞和杆状细胞。

锥状细胞分为三种，分别对红、绿、蓝三种色光最敏感，称为红感细胞、绿感细胞、蓝感细胞。

当一束光射入人眼时，三种锥状细胞就会产生不同的反应，不同颜色的光对三种锥状细胞的刺激量是不同的，产生的颜色视觉各异，使人能够分辨出各种颜色。

锥状细胞不但可以接受色彩的刺激，还可以感受亮度的刺激。

所以，在白光下，人眼可以同时识别彩色与非彩色的物体，但到了夜间或暗处，锥状细胞即失去感光作用，视觉功能由杆状细胞取代。

此时，人眼便无法感觉彩色，仅能辨别白色和灰色。

既然人眼可看到的光线具有不同的颜色，那么自然人眼对不同的颜色有不同的灵敏度。

在较亮的环境中人眼对黄光最为敏感，而在较暗的环境中对绿光最为敏感。

无论在何种明暗条件中，对白光都较敏感，对红光和蓝紫光都不敏感。

如果用一个尺度来衡量，那就相当于，人眼对黄绿色敏感度为10，对蓝红色敏感度为1。

亮度范围：人眼能感受的亮度范围约为10−3—106cd/m2（坎德拉每平方米，1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量），当平均亮度适中时（亮度范围约为10—104cd/m2），能分辨的最大和最小亮度比为1000:1(当亮度为1000 cd/m2时，识别能力最高，有资料称:最小可识别黑度差ΔDmin≈; 当平均亮度很低时，能分辨的最大和最小亮度比不到10:1。

三、人眼的视觉特性（一）、人眼的视觉生理构造与机理1、人眼的视觉生理构造人眼近似为一个球形，假如从前向后切开，就会得到一个人眼的切面图。

最前面的是充满水晶体的前房。

前房后面是后房，里面装满了后方液。

最后面是视网膜。

在视网膜上分布有大量的感光细胞。

感光细胞分为杆状细胞和锥状细胞，两者功能不一样。

2、人眼的视觉机理视网膜是眼睛感受光辐射能量刺激的机体。

外界的光辐射能量进入眼内，在视网膜上，由杆状细胞和锥状细胞综合成像后，由视神经传递到大脑中枢形成视觉。

（二）、空间环境与人眼的视觉状态人眼所处的空间环境，有明亮的、有黑暗的、有介于明亮与黑暗之间的。

一般定义为：明视觉状态、暗视觉状态和中间视觉状态。

明视觉状态：人眼所处的空间环境，亮度大于3cd，为明视觉状态。

暗视觉状态：人眼所处的空间环境，亮度小于0.001cd，为暗视觉状态。

中间视觉状态：人眼所处的空间环境，介于明视觉和暗视觉之间的，为中间视觉状态。

电光源将电能转换成光辐射能用于照明，其运行环境的空间环境为人眼的明视觉状态。

（三）、人眼的视觉特性1、人眼视网膜上的杆状细胞和锥状细胞，两者对光辐射能量刺激的响应灵敏度不同，功能不一样。

杆状细胞：对光辐射能量刺激的响应灵敏度高，能够感受极微弱的光能量辐射。

但是，不能很好地区分颜色和分辨物体的细节。

锥状细胞：对光辐射能量刺激的响应灵敏度低，不能够感受极微弱的光能量辐射。

但是，对颜色的响应灵敏度高，能够很好地区分颜色，分辨物体的细节。

2、在不同的视觉状态下，人眼的视觉，是由杆状细胞和锥状细胞综合成像后产生的。

因此，对不同光谱的光辐射能量，对应于不同的响应灵敏度。

3、在不同的视觉状态下，对光辐射能量刺激的响应，起主导作用的感光细胞不同。

对不同光谱的光辐射能量，响应灵敏度的对应关系也是不同的。

4、人眼视网膜上的锥状细胞，又细分为三种感光细胞。

在明视觉状态下，分别对可见光辐射能量中的，红、绿、蓝三个可见光谱带的辐射能量，对应于高响应灵敏度。