第二章 人眼的视觉特性
第一节_人眼的视觉特性-总结
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
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
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2.1.2 人眼的视觉特性
4. 人眼的光谱灵敏度
人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度(响应)，并且不同人的眼 睛对各波长的灵敏度也常有差异。
① 在较明亮的环境中，人眼视觉对波长0.555μm左右的绿色光最敏感； ② 在较暗条件下，人眼对波长0.512μm的光最敏感。
图2-5给出由人眼峰值灵敏度归一化的相对光谱灵敏度——光谱光视效 率曲线，曲线表明在不同的视场亮度下，人眼对同一波长的响应是有差 异的。
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2.1.2 人眼的视觉特性
高斯型是空间频率f的单参数模型； 指数型、Barten模型是空间频率和目标亮度的双参数模型； 复合模型是多参数模型，与空间频率、目标亮度、视场角、显示器尺
寸、波长等多种因素有关。
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返回2.1
§2.2 图像探测理论与图像探测方程
光电成像可突破人眼视见灵敏阈的限制。 可用光电成像系统刚好能探测到景物细节下述三项指标表示其极限 ① 景物细节的辐射亮度(或单位面积的辐射强度)； ② ③
(2) 人眼的MTF 按信息传递的顺序，特别是按其功能，视觉过程大致可分为以下几
① ② 视细胞检测光，并进行光电转换，视网膜进行图像信息处理；
③ 大脑枕叶视皮层的信号处理与大脑中枢的辨识。 当然，每一个阶段并不是完全独立的，彼此有相互作用，有反馈回
路等复杂地交错在一起对视觉过程的功能正在用电生理学及其他先 进方法进行研究。
1.人眼的构造： ① 由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统； ② 作为敏感和信号处理部分的带有盲点和黄斑的视网膜，是构成人
眼视觉的关键部分； ③
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
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色彩学第二章(人眼视觉成像原理)
如图中的a。同一物体，离人越近， 视角越大，离人越远，视角越小。
视觉功能——视角 视觉功能
由 tan(a/2) = A/2D ， tan(a/2 A/2 得 出 a = A/D 不同物体在跟人眼相 同距离时，物体越大， 则视角越大，物体在 视网膜上成的像越大。
视觉功能——视觉敏锐度 视觉功能
二．视觉敏锐度 1．视觉敏锐度：人们使用视觉器官辩认外界物体的敏锐程度。 表示视觉辩认物体细节的能力，在医学上称为“视力” 2．视觉辩认物体细节的能力与观察距离有很大关系 视觉敏锐度（V）以视角进行计算，是视觉所能分辨的视角的倒数。 V=1/α（α单位为分） 平时我们说的视力1.0，就是说，在规定的距离下，人的眼睛能 够分辩角度为1/60度（1')的物体的细节。因为人眼的视锥细胞间的 距离为6微米，所以，我们的眼睛的分辩能力并不怎样强的。这一点 和主观感觉上有不小差异。
人眼的构造——视网膜 人眼的构造
人眼的构造——视网膜 人眼的构造
视觉器官的两重功能:明视觉与暗视觉 1．视锥细胞与明视觉 a．视锥细胞特性：包含感红，感绿，感蓝细胞主要感受颜色的差 别，而对明暗的感觉比较低，对光的敏感性小，只有达到一定照 度的情况下，视锥细胞才起作用。 b．明视觉：指在光亮的条件下，由锥体细胞起作用的辩认物体细 节和颜色的视觉。 2． 视杆细胞与暗视觉 a. 视杆细胞特性：感受物体的明暗，对光的敏感程度高，不能感 受物体颜色的差别。 b. 暗视觉：指视杆细胞的活动特性，可以在光线很暗的情况下工 作，不能反映色光的差异。
视觉的特性——光谱光效率函数 视觉的特性
在明光条件下，眼睛对波长555nm的黄绿 在明光条件下，眼睛对波长555nm的黄绿 555nm 光部分感受性最高， 光部分感受性最高，即这个波长的光只需要 较小的能量就能与标准光的明度相匹配。 较小的能量就能与标准光的明度相匹配。也 就是说明是绝对光谱的黄绿色光部委最敏感。 就是说明是绝对光谱的黄绿色光部委最敏感。 而暗视觉对光谱的蓝绿色部位即510nm 510nm最 而暗视觉对光谱的蓝绿色部位即510nm最 敏感。 敏感。 相应敏感程度见左图。 相应敏感程度见左图。
人眼的视觉特性
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.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。
人眼视觉特性
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
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。
第二章 视觉特性与彩色视频信号
（基带）电视信号的带宽计算
如果播送一幅左右相邻像素为黑白交替
的脉冲信号画面，显然这是一幅变化最
快的图像，每两个像素为一个脉冲信号
变化周期，而我国电视规定一秒钟传送
25帧画面，因此该图像的最高频率为 :
（基带）电视信号的带宽计算
黑白交替的脉冲信号画面示意图
2.2.4彩色空间的处理
2.2.4.1 由RGB值转换成彩色电视制式信号
W Kk1 2 计算公式： f Z Байду номын сангаасff max H 2k 2
K:凯尔系数，取0.7； k1：场正程扫描时间与场周期之比； k2：行正程扫描时间与行周期之比； Z：每帧图像的总扫描行数； ff：帧率，隔行扫描取25Hz，逐行扫描取50Hz ；
•电视图像信号的上限频率，在数值上等于视频信号的带宽；
彩色摄像信号的形成： 1、图像传感器（CCD）：是数码摄像机、照相机或扫描 仪中，用于摄取图像的半导体器件，由二维的感光单元阵 列构成。
•将感光单元阵列的电信号读出后，通过ADC转换成RGB 阵列数字值，就可以得到一幅图像或一帧视频数据；
由CCD获取彩色图像的原理
2.2.3（基带）电视信号的带宽
第2章 视觉特性与彩色视频信号
2.1 人的视觉特性
2.2 彩色电视信号
2.3 彩色电视信号的数字化
2.1 人的视觉特性
人眼的视觉特性
和人的视觉特性有关的一些概念：
•图像的对比度； •临界对比度（视觉阈值）； •对比度灵敏度； •韦伯定律； •视觉的掩蔽效应； •空间频率； •视觉惰性； •临界闪烁频率； •运动的连续性； •时间域的掩蔽效应；
RGB→ YUV模型 在PAL彩色电视制式中采用YUV模型来表示彩色图像。 其是Y表示亮度，U，V用来表示色差，是构成彩色的 两个分量。 U，V的比值决定色调，UV的模代表彩色 的饱和度； RGB→ YIQ模型 在NTSC彩色电视制式中使用YIQ模型，其中的Y表示 亮度，I，Q是两个彩色分量。
第2章 人眼视觉原理ok
后房，玻璃体， 透明胶状物质
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视网膜视部的神经层主要由3层神经细胞组成： • 外层为是感光细胞，视锥和视杆细胞，紧邻色素上皮层。 • 中层为双极细胞，将来自感光细胞的神经冲动传导至内层的节细胞。 • 内层为节细胞，其轴突向视神经盘处汇集，穿过脉络膜和巩膜后构成视 神经。 节细胞
视锥细胞
主要分布在视网膜黄 斑区，有辨色作用， 能感受强光，控制明 视觉，有精细辨别力， 形成中心视力。
视觉惰性 当一定强度的光突然作用于视网膜时，人眼并不 能产生稳定的亮度感觉，而是需要经过一个短暂过程才 会形成稳定的亮度感觉。另外，当作用于人眼的光突然 消失后，亮度感觉并不立即消失，也需要经过一段时间 的过渡过程（视觉残留现象，白天约为0.02秒，夜晚 约为0.2秒）。 一般将人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化，以 及视觉暂留特性，总称为视觉惰性。 视觉惰性是人眼的重要特性之一，它描述了主观亮 度与光作用时间的关系。
25
2.4 人眼视觉特性
②亮度感觉
韦伯定律
Bmin / B 常数
在均匀亮度背景下，
说明人眼的亮度 感觉不仅与物体自 身亮度有关，还与 周围环境亮度有关。 一般地，背景 越亮，越不易分辨。
（韦伯－费赫涅尔系数， 0.005-0.02，当背景亮度 很高和很低时，可达 0.05）。其中，B 是背景 Bmin 亮度，∆Bmin 是人眼可觉 察的最小亮度差。）
相对视敏度曲线（光谱响应曲线）
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2.4 人眼视觉特性
谱尔金效应 不同亮度下，人眼的视敏度曲线会发生变化。弱光条件下，人眼的 视觉过程主要由柱状细胞完成，而柱状细胞对不同波长光的敏感程度不 同于视觉灵敏度，表现为对波长短的光敏程度有所增大，而视敏度曲线 会向左移（下图）。并且弱光条件下，柱状细胞只有明暗感觉，没有彩 源于视网膜 色感觉。 内锥状细胞 和 柱状细胞的不 白 晚 同工作特点 天 上 不 看 懂 花 夜 花 的 不 黑 同 明视觉与暗视觉的视敏度曲线
精选安防系统规范与技术3视频监控系统基本知识
（2）光源的色温色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。绝对黑体被加热时的电磁波辐射波谱仅由温度决定。为了区分各种光源的不同光谱分布与颜色，可以用绝对黑体的温度来表征。当绝对黑体在某一特定绝对温度下，所辐射的光谱与某光源的光谱具有相同的特性时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温。例如，温度保持在2800 K时的钨丝灯泡所发的白光，与温度保持在2854K的绝对黑体所辐射光的功率波谱基本一致，于是既称该白光的色温即为2854K。可见、色温并非光源本身的实际温度，而是表征光源波谱持性的参量。色温与光源的实际温度无关，彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，而其白场色温是6500K。
一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性
（3）人眼分辨力的特性①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，θ为1～1.5′。②分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度，当亮度很低时，视力很差，这是因为亮度低时锥状细胞不起作用。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。③分辨力在很大程度上取决于景物细节的对比度，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。④人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低，黑白相间的等宽条子，相隔一定距离观看时，刚能分辨出黑白差别，用红绿相间的同等宽度条子替换，人眼分辨不出红绿之差，而是一片黄色。
一、彩色与视觉特性 （一）光的性质
4．光的度量单位（1）光通量按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号φ表示。单位为流明（lm）。当λ＝555nm的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683 lm，或称1光瓦。其他波长时，相对视敏度V（λ）下降，相同辐射功率所产生的光通量随之下降。 40 W的钨丝灯泡输出的光通量为468 lm，发光效率为11.7 lm/W；40 W的日光灯可输出2100lm的光通量，发光效率为52.5 lm/W；电视演播室卤钨灯发光效率可达80～100 lm/W。 （2）光照度衡量单位面积上光通量的大小的量，用符号E表示，单位为勒（克斯lux）。1勒（克斯）等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度。 为了对光照度单位勒有个大概的印象，下列数据可供参考： 室外晴天光照度约为10000勒，多云约为500勒，傍晚约为50勒，月光约为10-1勒，黄昏约为10-2勒，星光约为10-4勒。 。
2-第二章人类视觉与色度学知识
对比度C定义为：C＝Bmax／Bmin。
Bmax和Bmin是重现图象或景物时的最大和最小亮度。
只要保持该C常数，就可实现人眼亮度分辨的重现。
二、人眼的分辨力 1.分辨角和分辨力 人眼的分辨角：指刚能看出两黑点时，两黑点对人眼的张角。 在量值上，分辨角用 表示，有分辨角计算原理图可知：
2.2.2相对视敏函数
人眼对波长为380~780nm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，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，不同波长光辐射功率 P ( ) 的 倒数用来衡量人眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。称：
K ( ) 1 P( ) 为视敏函数。
2.3.3 视觉适应性
1.人眼适应性 （1） 暗适应：亮→暗：慢（10～30秒左右） （2） 亮适应：暗→亮：快（1～2秒左右）
2 .同时对比效应 由于人眼对亮度有很强的适应性，因此很难精确判断刺激 的绝对亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同， 人眼所感受的主观亮度是不一样的。图2.9可用来证明同时对 比的刺激，图中小方块实际上有着相同的物理亮度，但因为 与它们的背景亮度不同，故它们的主观亮度显得大不一样。 这种效应就叫同时对比效应。
图2.4相对视敏函数曲线
2.2.3光学的术语和计量单位
光通量：每秒钟内光流量的度量。单位：流明（lm）。 发光强度：光源在单位立体角内发出的光通量，用符号 表示 。单位：坎德拉（cd)。 亮度：用来描述物体表面发光的量度，光源单位面积上 I 在法线方向上的发光强度来表示，记为B，单位是：单位 面积上的坎德拉，cd / m2 。是客观亮度。 照度：受照面上某点的照度是通过包含该点单位面积的 光通量。
人眼的视觉特性
人眼的视觉特性
电视机图像的评价来源于人眼，所以，有必要讨论人眼对彩色图像观看的特点，并以此为基础理解电视系统中对图像信号的各种处理。
1. 相对视敏曲线
图1 相对视敏曲线
横坐标是电磁波的波长，纵坐标是相对视敏度，，对于不同波长的光在相同的辐射功率下，人眼感觉黄绿光最亮，波长自555 nm 起向左和向右渐渐减小或增大时，亮度感觉均渐渐下降。
也就是说三基色中人眼对绿光最敏感，红光次之，蓝光最不敏感。
2. 人眼的亮度感觉：
人眼可以感觉到的亮度范围虽然相当宽,，从暗视觉门限到眩目极限之间的范围在1010 量级。
但它并不能同时感受到如此之大的亮度范围全体。
当平均亮度适中时，人眼能感觉的亮度上、下限之比可达到近1000 ：1 ，而平均亮度过高或过低时，只有10 ：1 。
通常人眼能感觉的亮度上、下限亮度比为100 ：1 。
在不同的环境亮度下,同样的亮度,给人的主观亮度感觉却完全不同。
当人眼适应于不同的平均亮度后,可辨别的亮度范围也不相同。
重现图像的亮度无需与实际景物的亮度相同，二者只需保持最大亮度和最小亮度的比值即对比度相等，在重现景物时可不予精确复制亮度，只保持重现图像的对比度，就会有非常逼真的感觉。
3.人的彩色感觉：
4.人眼彩色细节的辨别力
人眼对亮度细节和色度细节的辨别力不一样，人眼的彩色辨别角比黑白辨别角大3～5倍。
由此，可以得到，对于彩色图像，用较宽的频带传送亮度信号，用较窄的频带传送色度信号。
第二章 人眼视觉原理
2.5 颜色视觉
亮度公式
在色度学中，通常把由配色方程配出的彩色光F 的亮度用光通量来表示： Y=0.30R＋0.59G+0.11B
（2-2）
26
思考
1. 在交通路口，为什么选择黄、绿、红作为交通指示灯的 颜色？ 提示：观察视敏度曲线。 2. 在电影院看电影时，为什么要把照明灯都关掉？ 提示：理解韦伯定律和视觉惰性。
20
2.5 颜色视觉
三基色原理
指自然界中常见的大部分彩色都可由三种相互独立 的基色按照一定比例混合得到。 所谓独立，是指其中任
何一种基色都不能由另外两种基色合成。
1931年，国际照明委员会（CIE）规 定 水 银 光 谱 中 R ～ 700nm ； G ～ 546.1nm； B～ 435.8nm为红、绿、蓝 基色光。当红、绿、蓝三束光比例合 适时，就可以合成自然界中常见的大 多数彩色。
视觉残留现象，白天约为0.02秒，晚上约为0.2秒。
17
2.5 颜色视觉
彩色
颜色
非彩色
18
2.5 颜色视觉
颜色感觉
射入眼内的是含有不同颜色成分单色光的复合光。
视网膜上锥细胞内含感受红、绿、 蓝三种基色的感色成分。
注：视网膜上的细胞按照形状可以分为锥细胞和柱细胞。柱 细胞的数量比锥细胞大得多，在视网膜上大约有 7500 万～ 15000万个柱细胞。柱细胞的分辨率比较低，主要提供视野 的整体视像，它们不感受颜色，但是对低照度比较敏感（适 暗视觉）。每个眼内约有600～700万个锥细胞。它们对颜色 很敏感。每个这样的细胞都连到自己的神经末梢，锥细胞视 觉称为适亮视觉。
光通量（流明lm）：反映一束光引起光亮感觉的能力，指的 是单位时间里通过一个面积的能量流，可以描述光源或接收面。 发光强度（坎德拉cd ）：指定方向上的发光强弱。1坎德拉 ＝1流明/1球面度（立体角元）。 光照度（lx）：接收面的照明程度。1勒克斯＝1流明/1米2。 亮度(cd/m2，也称尼特nt)：指光作用于人眼时所引起的明亮 程度的感觉，与色光所含能量有关。 7
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S (B1 B2 )r 2 2Q
N
(B1 B2)
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
光学中常采用对比度C和平均亮度Bm来表示输入 图像。它们的定义分别为
C
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B1 B1
B2 B2
,
Bm
1 2
(B1
B2 )
可以得到信噪比为：
S N
2Bmr 2 2QC 2
S n1 n2
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
辐射的量子噪声可近似表示为： D(n) n
其差值的涨落方差可表示为
D(n1-n2)=D(n1)-2cov(n1,n2)+D(n2) 式中，cov(n1，n2)是n1和n2的协方差。由于亮暗两 个像元的辐射量子数彼此不相关，所以协方差为零。
Bm 2C 2
2
D2Q
(S N
)
2 min
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
这一关系式定量描述了图像探测特性。它表明了由 关系式左边的参量Bm、α、C所描述的图像细节可以 被关系式右边的参量D、η、τ所确定的理想光电成 像系统探测到。当这一关系式呈等式时，即为临界 状况，表明了理想光电成像的极限探测灵敏阈。该 公式通常称之为理想条件下光电成像的图像探测方 程(夏根（P.Schagen）方程)。
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
光电成像系统刚好能探测到景物细节的上述三项 指标表示其极限性能。通常是用可探测到图像细 节的最小张角与最低辐射亮度两者关系曲线来表 示。这一曲线是在选定某一确定的辐射对比度情 况下测定的，选定各种不同的辐射对比度可得到 一族曲线，这族曲线定量地表明了该光电成像系 统的图像探测灵敏度，称之为图像探测特性曲线， 其解析表达式称为图像探测方程。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
2 光电成像所输出的图像噪声表达式
N n1 n2 (B1 B2 )r 2 2Q
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
3 光电成像的输出图像信噪比
由光电成像的输出图像信号与噪声的表 达式，可得到输出图像信噪比为
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 §2.2 图像探测理论与图像探测方程 §2.3 目标的探测与识别
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 2.1.1 人眼的构造 2.1.2 人眼的视觉特性
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
上式中包括两类参数。第一类参数是表征图像的 参数，包括：图像的平均亮度Bm；图像的对比度C； 图像的视角α。第二类参数是表征光电成像系统 的参数，包括：光电成像系统的接收孔径D＝2r； 光电成像的光电转换量子效率η；光电成像的有 效积分时间τ。
将两类参数分别置于关系式的两边，则得到如下 关系式
2.1.2 人眼的视觉特性
4. 人眼的光谱灵敏度 人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度，并 且不同人的眼睛对各波长的灵敏度也常有差异。
对大量具有正常视力的观察者所做的实验表明： ① 在较明亮的环境中，人眼视觉对波长0.555μm左
右的绿色光最敏感； ② 在较暗条件下，人眼对波长0.512μm的光最敏感。
到视网膜边缘就几乎全是杆状细胞了。
锥状细胞具有高分辨力和颜色分辨能力；杆状细
胞的视觉灵敏度比锥状细胞高数千倍，但不能辨
别颜色。
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
2.1.2 人眼的视觉特性 1 视觉的适应 2 人眼的绝对视觉阈 3 人眼的阈值对比度 4 人眼的光谱灵敏度 5 人眼的分辨力 6 视觉系统的调制传递函数(MTF)
因此，图像噪声值可表示为：
N D(n1) D(n2)
图像信噪比为：
S n1 n2 N n1 n2
n1 n2
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
2.2.2 光电成像系统的图像探测方程 1 光电成像所输出的图像信号表达式 2 光电成像所输出的图像噪声表达式 3 光电成像的输出图像信噪比 4 光电成像的图像探测方程 5 图像探测灵敏阈
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人眼(右眼)的分辨力与视角的关系
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
光电成像可突破人眼视见灵敏阈的限制。 光电成像存在着图像探测的极限，称为图像探测 灵敏阈。 景物细节能否被光电成像系统所探测到，与下述 三项因素有关： ① 景物细节的辐射亮度(或单位面积的辐射强 度)； ② 景物细节对光电成像系统接收孔径的张角； ③ 景物细节与背景之间的辐射对比度。
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2.1.2 人眼的视觉特性
2.人眼的绝对视觉阈 在充分暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感
觉到的最小光刺激值，称为人眼的绝对视觉阈。 以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示时，人眼 的绝对视觉阈值在10-9lx数量级。以量子阈值表 示时，最小可探测的视觉刺激是58～145个蓝绿 光。对于点光源，天文学家认为正常视力的眼 睛能看到六等星，六等星在眼睛上形成的照度 近似为8.5×10-9lx。在实验室内用“人工星点” 测定的视觉阈值要小些，为2.44×10-9lx。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
5 图像探测灵敏阈 理论极限值是由理想条件下的图像探测方程来 确定。所能探测的极限值就是光电成像对视见 灵敏阈扩展的极限。这一极限是由被探测图像 的三项参数来表示，即图像平均亮度Bm；图像 的视角α；图像的对比度C。
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
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2.1.2 人眼的视觉特性
3.人眼的阈值对比度 人眼的视觉探测都是在一定背景中把目标鉴别
出来。 目标在背景中的衬度以对比度C来表示：
C Lt Lb Lb
在给定的视场亮度，给定的目标大小等条件下， 人眼能够将目标从背景中分辨出来的最小对比 度，称为人眼的阈值对比度。
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
两个相邻的像元具有不同的辐射亮度构成一个图 像细节。设光电成像系统在有效积分时间内接收 到来自两个像元的辐射量子数分别为n1 和n2 ， 此时光电成像系统能否分辨出这两个像元，取决 于n1与n2的差异，这一差异代表了图像细节的信 号，其图像信号值可表示为
视网膜是结构复杂的多层网格结构:
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
视网膜中有锥状细胞和杆状细胞两类含有光敏物 质的感光细胞 。
在视神经进入眼内腔的盲斑部分，既无锥状细胞， 也无杆状细胞，是不感光的盲区。
在黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，是具有最高 的视觉分辨力的区域。
从黄斑向视网膜边缘移动，锥状细胞和杆状细胞 混合在一起，杆状细胞比锥状细胞小得多，而且 没有独立地与视神经联系，而是合成一簇(多数 达500条一簇)，这对于产生高灵敏视觉至关重要。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
4 光电成像的图像探测方程
如果信噪比大于接收器(通常是人眼)所需的阈
值信噪比(S/N)min时，表明理想的光电成像可探 测到这一图像。故可写出关系式
2Bmr 2 2QC 2
(
S N
)min
当以上关系式成立时，表明图像可探测到，反 之将不能探测。
2.2.3 图象探测方程的其他表达方式
1 罗斯(A.Rose)方程 2 戴维斯(H.L.DeVrice)方程 3 考特曼(J.H.Coltoman)方程 4 帕塞普(E.C.Pathep)方程 5 理查德(E.A.Richards)方程
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2.1.2 人眼的视觉特性
1.视觉的适应 人眼能在一个相当大(约10个数量级)的范围
内适应视场亮度。随着外界视场亮度的变化， 人眼视觉响应可分为三类。 ①明视觉响应：当人眼适应大于或等于3cd/m2 的视场亮度后，视觉由锥状细胞起作用。 ②暗视觉响应：当人眼适应小于或等于 3×10-5cd/m2视场亮度之后，视觉只由杆状细 胞起作用。由于杆状细胞没有颜色分辨能力， 故夜间人眼观察景物呈灰白色。 ③中介视觉响应：随着视场亮度从3cd/m2降至 3×10-5cd/m2，人眼逐渐由锥状细胞的明视觉 响应转向杆状细胞的暗视觉响应。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
1 光电成像所输出的图像信号表达式 取被探测的图像细节为相邻的两个有亮暗差异 的像元。每一像元是边长为h的正方形，其亮 度分别为B1和B2,且B1 ＞ B2 。 在亮像元上的亮度B1可表示为
d 2 B1 dds cos
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
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2.1.2 人眼的视觉特性
5. 人眼的分辨力
人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限 分辨角θ，其倒数则为眼睛的分辨力。集中于 人眼视网膜中央凹的锥状细胞具有较小的直径， 并且每一个圆锥细胞都具有单独向大脑传递信 号的能力。杆状细胞的分布密度较稀，并且是 成群地联系于公共神经的末梢，所以人眼中央 凹处的分辨本领比视网膜边缘处高。
光电成像系统在有效积分时间内接受亮像元的 平均光子数为：
n1
B1h2
sin
2
•
Q
B1r
2
(
h L
)2
Q