第二章 人眼的视觉特性

第一节人眼的视觉特性1、在一般情况下，如有两种光谱成分不同的光，只要三种光敏细胞对它们的感觉相同，则主观彩色感觉（包括亮度和色度）就相同。

2、格拉斯曼定律—复合光的亮度等于各光分量的亮度之和。

3、人眼的视觉范围有一定的限度，明暗感觉是相对的。

4、韦伯-费赫涅尔定律—亮度感觉与亮度L的对数成线性关系。

5、一方面，重现景物的亮度无需等于实际景物的亮度，而只需保持二者的最大亮度与最小亮度的比值不变；另一方面，人眼不能察觉的亮度差别，在重现景物时也无需精确复制出来。

6、人眼分辨景物细节有一极限值，对彩色细节的分辨能力远比对亮度细节分辨力低。

7、视觉的空间频率响应具有低通滤波器性质。

8、人眼存在视觉惰性—电影、电视放映的生理基础。

临界闪烁频率取决于亮度、亮度变化幅度、观看距离等。

一、人眼的亮度感觉1．人眼的光亮感觉光也是一种电磁辐射，人眼对780～380纳米之间电磁波的刺激有光亮的感觉，故波长在这个范围内的电磁波称为可见光。

2．人眼的彩色感觉人眼对780～380纳米之间的光还有彩色感觉，具体如图1-1所示。

3．人眼的视敏特性人眼对380～780纳米内不同波长的光具有不同的敏感程度，称为人眼的视敏特性。

衡量描述人眼视敏特性的物理量为视敏函数和相对视敏函数。

1）视敏函数在相同亮度感觉的条件下，不同波长上光辐射功率的倒数可以用来衡量人眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。

称为视敏函数。

2）相对视敏函数实验表明，人眼对波长为555纳米的光最敏感，因此把任意波长的光的视敏函数与最大视敏函数值K(555)相比的比值称为相对视敏函数，记为：如图1－2所示，左边的曲线是暗视觉曲线，右边的是明视觉曲线。

二、人眼亮度感觉的特性（描述人眼对光亮差别的感觉特性）1．亮度：光源或反射面的明亮程度，亮度的单位为（坎德拉/平方米）。

2．亮度视觉的范围：人眼总的感光范围极其宽广，明视觉的亮度感觉范围为到量级，而暗视觉的感觉范围为千分之几到几个。

人眼的视觉特性及其缺陷如何矫正关键信息项：1、人眼视觉特性的描述及分类颜色感知特性空间分辨率特性时间分辨率特性对比度敏感度特性2、人眼视觉缺陷的类型近视远视散光老花色盲其他视觉缺陷3、矫正视觉缺陷的方法眼镜矫正隐形眼镜矫正手术矫正视觉训练矫正4、矫正方法的适用范围及优缺点每种矫正方法针对的具体视觉缺陷类型效果的持久性可能的副作用和风险11 人眼视觉特性的详细描述111 颜色感知特性人眼对颜色的感知是基于视网膜中的三种视锥细胞，分别对长波（红）、中波（绿）和短波（蓝）光线敏感。

这三种视锥细胞的响应组合使我们能够分辨出各种颜色。

然而，人眼在颜色感知方面存在一定的局限性，例如对某些颜色的区分能力较弱，以及在不同光照条件下颜色的表现可能会发生变化。

112 空间分辨率特性人眼的空间分辨率决定了我们能够清晰分辨的最小细节。

在中央凹区域，空间分辨率最高，但随着视网膜远离中央凹，分辨率逐渐降低。

此外，人眼对于不同对比度的物体，其空间分辨率也会有所不同。

113 时间分辨率特性人眼对于快速变化的视觉信息的感知能力有限。

例如，对于闪烁的光源，当闪烁频率超过一定阈值时，人眼会将其视为连续的光。

114 对比度敏感度特性人眼对不同对比度的物体的敏感度不同，在低对比度情况下，人眼的分辨能力会下降。

12 人眼视觉缺陷的类型及成因121 近视近视是指眼睛在放松状态下，平行光线经过眼球屈光系统后聚焦在视网膜之前。

主要成因包括遗传因素、长时间近距离用眼、不良的用眼习惯等。

122 远视远视则是平行光线聚焦在视网膜之后，通常是由于眼球前后径过短或屈光力较弱导致。

123 散光散光是由于眼球在不同子午线上的屈光力不同，导致光线不能聚焦在一个点上，形成多个焦点。

124 老花老花是随着年龄增长，晶状体逐渐硬化，弹性减弱，睫状肌功能减退，导致眼睛调节能力下降，难以看清近处物体。

125 色盲色盲是由于视网膜中的视锥细胞缺失或功能异常，导致无法正常分辨某些颜色或颜色组合。

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。

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。

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。

光电成像原理与技术第二章人眼的视觉特性与图像探测下午9时21分各种光电成像系统或器件都是人类用以改善和扩展视觉性能的辅助工具，人类的眼睛借助这些辅助工具获得人眼不能直接得到的图像信息。

下午9时21分2第二章人眼的视觉特性与图像探测§2.1人眼的视觉特性与模型1.人眼的构造下午9时21分3第二章人眼的视觉特性与图像探测人眼的主要组成部分：①由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统；②构成人眼视觉关键部分的视网膜—敏感和信号处理部分，带有盲点和黄斑；③信号传输和显示系统的视神经和大脑。

复杂多层网格结构的视网膜：与玻璃体相接触的部分，是神经细胞层，神经的末端是神经细胞(细胞元)。

光线经光学系统进入视网膜，视网膜中的感光细胞吸收光并发生化学分解作用引起视觉刺激，视觉刺激以电信号形式传输至大脑产生视觉。

下午9时21分光电成像原理第二章人眼的视觉特性与图像探测视网膜的神经细胞：①锥状细胞，具有高分辨力和颜色分辨能力；②杆状细胞：视觉灵敏度比锥状细胞高几千倍，但不能分辨颜色。

盲点和黄斑：①盲点部分没有感光细胞，是不感光的盲区，盲区是视网膜上不起视觉作用的区域；②黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，具有最高的视觉分辨力，黄斑有问题，则视力也有问题。

2.人眼的视觉特性(a)视觉的适应人眼视觉响应随着外界视场亮度的变化可分三类:下午9时21分5第二章人眼的视觉特性与图像探测明视觉响应：人眼适应大于或等于3cd/m2的视场亮度时，视觉由锥状细胞起作用。

暗视觉响应：人眼适应小于或等于3某10-5cd/m2的视场亮度时，视觉由杆状细胞起作用。

(夜间的灰白)中介视觉响应：视场亮度介于明、暗视觉响应之间时,视觉响应逐渐由锥状细胞转向杆状细胞起作用。

当视场亮度发生突变时，人眼的适应主要包括明暗适应和色彩适应。

下午9时21分6第二章人眼的视觉特性与图像探测适应过程的调节分两方面：①人眼的明暗视觉适应：在2~8mm之间自动调节瞳孔的大小，改变进入人眼的光通量。