与显示技术有关的视觉特性.ppt

2.2 与显示技术有关的视觉特性 2.2.1 视觉适应能力 2.2.2 视觉的图像分辨特性 2.2.3 视觉的时间特性 2.2.1 视觉适应能力 人眼能够适应的亮度范围大约为108:1 能够感觉到可见的最小亮度约为10-410-3cd/m2 数量级。 在没有造成永久损害的情况下，能够感觉的最大亮度为105cd/m2数量级 1.视觉的动态范围与适应机能 图：视觉系统活动的明亮度范围 人眼睛看物体感到亮或不亮，这就是主观亮度。这个主观亮度与 观察者的生理和心理特性直接相关。此外，在客观上也决定于眼睛视 网膜上所接收到的光的照度。 2.2.1 视觉适应能力 1.视觉的动态范围与适应机能 视网膜上所接收到的光的照度： 式中，EV视网膜上的照度（lx）； B 被观察物体的亮度（cd/m2）； T眼睛的透射率，约0.550.75； A瞳孔的面积（m2）； 光线的入射角； K常数=视网膜成像面积（m2）/视角场立体角（Sr）。 图：瞳孔直径随亮度变化的曲线 图：视觉的暗适应过程 人眼能够适应的亮度范围大约为108:1，之所以有这样大的适应性，除了 瞳孔的调节作用之外，主要是视觉细胞的调节作用。 1.视觉的动态范围与适应机能 在日常生活中，当我们从明亮的地方进入黑暗环境，或突然关掉电灯， 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，这就是暗适应。 把这样从明亮处向昏暗处移动时，视觉系统敏感度的逐渐变化称为暗适 应性。 暗适应包括两种基本过程：瞳孔大小的变化和视网膜上感光化学物质的 变化。 前面已经指出，当人从明亮的环境进入到黑暗的环境时，瞳孔的直径可 由2mm扩大到8mm，使进入眼球的光线增加1020倍。这个适应范围是很有 限的，因此瞳孔的变化并不是暗适应的主要生理机制。 暗适应 暗适应的主要生理机制是视觉的双重功能的作用，是在黑暗中由中央 视觉转变为边缘视觉的结果。在黑暗中，视网膜边缘部分的杆状细胞内有 一种紫红色的感光化学物质，叫做视紫红质。在明亮环境下，视紫红质因 被曝光而破坏褪色。使杆状细胞失去对亮度的感受能力。当进入黑暗环境 时，视紫红质又重新合成而恢复其紫红色，是杆状细胞恢复其对亮度的感 受能力，故所谓视觉的暗适应过程是和视紫红质的合成过程相对应的。一 般暗适应在最初的10min内大约完成60%，30min内基本完成。 暗适应 另外，红光对杆状细胞的视紫红质不起破坏作用，所以红光不阻碍 杆状细胞的暗适应过程。在黑暗环境下工作的人们，在进入光亮环境 之前带上红色眼镜，再回到黑暗环境时，他的视觉感受性仍然保持原 来的水平不需要重新暗适应。所以重要的信号灯、车辆的尾灯等采用 红光也是有利于暗适应的。夜航飞机驾驶舱的仪表采用红光照明既能 保证飞行员看清仪表，又能保持视觉暗适应的水平，以利于黑夜观察 机舱外部的情况。 暗适应 人们从黑暗处走到强光下，开始觉得炫目，睁不开眼睛，大约需 要经过1min后才能看清楚周围的物体。眼睛这种从昏暗状态到明亮状 态变化的适应过程叫做明适应，在这过程中眼的感受度降低。 明适应时，一方面瞳孔收缩可使落在视网膜上的光线量减少，这 个过程可在34s内迅速完成。但主要是靠由暗适应时的杆体细胞的作 用转到锥体细胞的作用，它在暴露于光线1min之后便完成了。 明适应 前面已经提到过人眼的亮度适应范围达到8个数量级，如果要求显 示系统也要这样大的亮度范围实际上是办不到的，也是没有必要的。考 虑到眼睛的亮度适应性，问题就简单得多。因为眼睛已适应某一平均亮 度的条件下，能分辨景象中各种亮度的感觉范围就小得多。在任何给定 的平均亮度下，人眼的亮度辨别范围是有限的。在适当的平均亮度下， 人眼的最大亮度辨别范围可达1000:1。当平均亮度很低时，人眼的亮度 辨别范围仅为10:1。 亮度适应性 亮度适应性 人眼的亮暗感觉是相对的。人眼可以在相当宽的一个亮度范围内工 作，但是却不能同时感受到所有的亮度。利用这一点，我们不需要恢复 景物的真实亮度，也能给人同样的亮度感觉。这一结论首先应用在电视 系统中，在晴朗的白天用摄像机拍摄室外景物时，可分辨的亮度范围约 为20020000cd/m2，低于200cd/m2 的亮度都引起黑色的感觉。利用眼 睛的视觉适应性，把摄制的景物在一个具有2200cd/m2亮度范围的电视 接收机屏幕上重现出来，在平均亮度较低的室内观看，那么人的主观感 觉与实际景象基本上是相同的。因此主观亮度感觉主要由对比度和亮度 层次决定，而不是由绝对亮度决定。 亮度适应性 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。 Photopic (亮适应) (暗适应) (炫目极限) Brightness adaptation level 亮度适应级 Brightness adaptation level 亮度适应级 Brightness adaptation(亮度适应) 2.亮度的感觉 1）明暗感觉与亮度之间的关系 明暗度的分辨阈值与韦伯-费希纳法则 光强分辨力的典型韦伯比 你能看出亮度变化量I? 越小越好 E.H. Weber, 1834 韦伯率越小，亮度区分能力越强 柱状细胞 (暗视觉) 锥状细胞 (亮视觉) Brightness discrimination (亮度区分) 斯蒂文斯（Stevens）的指数法则 同时对比度现象 2.亮度的感觉 2）对比度的感觉 明亮的对比 明亮的恒定性 同时对比度现象 人类感知现象的其他例子，光学上的错觉，此时眼中充满不存在的 资讯或对物体的几何性质感受错误。如图 2.2.2 视觉的图像分辨特性 单色LED显示屏中的像素 双色LED显示屏中的像素 视角 通常所说的视力就是指眼睛分辨物体细节的能力，其大小是以被观察 对象的大小对眼睛形成的张角来表示的，这个张角又叫做视角。 视角的大小决定了被观察物体在视网膜上成像的大小。 视角的大小既决定于物体本身的大小，也决定于物体与眼睛的距离。 眼睛能分辨被看目标物最近两点的视角，称为临界视角。 2.2.2 视觉的图像分辨特性 1.图像分辨能力与视力 显示屏A、B两点之间的距离为d，观察者眼睛角膜到显示 屏的距离为D，眼睛观察A、B两点所形成的张角为， 由图中的几何关系有 视角图解 当很微小时， ，上式近似成 上式中的单位为rad（弧度），若以度或分为单位，则可以表示成 视角 视觉锐度 人通过视觉器官辨认外界物体的敏锐程度称为视觉锐度，亦即用视觉锐 度来表示视觉器官辨认外界物体细节的能力，通常情况下就叫做分辨力。 一个人能辨认物体细节的尺寸愈小，其视觉锐度就越高；反之，视觉锐 度就愈差。眼睛对物体细节的辨认主要是锥状细胞起作用，只有在较高亮度 条件下才能得到较高的视觉锐度。 视觉锐度（V）在数量上是以视觉器官所能分辨的、以角度分为单位的 视角的倒数来计算的，即 将 代入，可得 视觉锐度 视觉锐度在医学上叫做视力。医学上常用兰道尔环或“ E ”型视标检验 人的视力。我国是在以5米远的标准距离处，在正常照明条件200100lx）下， 观察视力表的视标来确定视力的。若只能看清第一行视标（10视角），则视 力为0.1；看清第二行视标（5视角），则视力为0.2；看清第十行视标（1视角 ），则视力为1.0等等。 检验视力用的视标 视觉锐度 视觉锐度的决定因素： 1）与观察距离有很大的关系。 2）与物体在视网膜上成像的位置有关。 3）和照明强度也有关系。 4）与景物和背景亮度的相对对比度有关。 5）被观察物体的运动速度。 视觉锐度 影响人眼分辨力的因素很多，眼睛的横向抑制效应是影响人眼 对 图像亮度细节分辨力的一个决定性因素。 2.边缘强调效果与侧抑制 横向抑制效应有效地解释了很多以前不能解释的有关人眼分辨 力的现象。 解释了为什么当空间频率低到某一数值后，分辨力反而下降。 解释了为什么人眼的分辨力实际上要比计算值低。 解释了马赫光带效应。 马赫带：指人们在明暗变化的边界，常常在亮区看到一条更 亮的 光带，而在暗区看到一条更暗的线条。 著名的马赫带效应，Ernst Mach, 1865年 人们在观察一条有均匀黑的区域和 均匀白的区域形成的边界时，人们感觉 到的是在亮度变化部位附近的暗区和亮 区中分别存在一条更黑和更亮的条带， 这就是所谓的“Mach带”，马赫效应。 Mach在1865年观察并讨论了这种现 象。输入图像是阶梯边缘模式，并且每 级阶跃的灰度差相同、在同级条带内灰 度均匀的情形下，人们在观察时却感到 每个条带内灰度是不均匀的，每级阶梯 的右边比左边更暗，这是因为对阶跃边 界处主观的反差显著地增强了。 3.视觉的空间频率响应特性 1）空间频率的概念： 物理量（亮度等）在单位距离内周期性变化的次数。 即 （周/米） 其中， 表示亮度信号在x方向的空间频率； x 是空间变量； 代表亮度信号在x方向上的相位变化。 注意：自变量是空间距离。 波长与空间频率的关系是： （米/周） 注意： 这里的波长与时间频率中的周期T相对应，它与光波中的 波长是不同的。 以一明一暗的黑白条纹为例，如果黑白条纹的亮度在 1cm内变化了10次，那么它的空间频率为 周/米。 将空间频率用每度多少周来表示。这里的度是几何角度单位。 这样表示的空间频率可以理解为从某一观察点来看，信号在单位 角度内周期性变化的次数， 即 （周/度） 其中， 为角度； 代表亮度在角度方向上的相位变化。 空间频率的单位：周/米 、周/度 两种单位之间的转换： 假设 ，则： 式中， 的单位为弧度。 因为信号在s长度内变化的周期数等于 在角度 内变化的周期数，故： 式中的下标m和d分别用来区别自变量为 长度单位的米和角度单位的度。 将 代入上式，可得 （周/度） r 2）人眼分辨力的空间频率响应 纵坐标：调制传输函数(MTF)，代表空间频率域的传输特性。 实线：表示人眼对亮度细节的分辨能力 虚线：表示人眼对彩色细节的分辨能力 人眼对于510周/度的空间频率分布最高。 人眼能够辨别的最高空间频率约为50周/度。 2.2.3 视觉的时间特性 1.时间的叠加效果（时间积分效果） 2.时间频率特性 3.视觉惰性与闪烁 眼睛的另一重要特性是视觉惰性，也就是眼睛对亮度的主观感觉与 外界光的作用时间有关。这一现象可以通过光化理论得到解释。因为视 觉细胞在外界光的作用下其视敏物质经过曝光染色是需要时间的，因此 极短的光脉冲给我们的感觉不如亮度相同的恒定光那么亮；另一方面， 当外界光消失之后，我们的亮度感觉还会残留一段时间，这个现象称为 视觉惰性。视觉惰性能够被加以利用的关键原因在于在外界光脉冲的作 用之下，亮度在眼睛里建立得快、消失得慢，这个现象叫做视觉残留。 在中等亮度的光刺激下，视力正常的人视觉残留时间约为0.1 s。 人眼的视觉惰性 图 (a)表示作用于人眼的光脉冲， 图 (b)表示该光脉冲造成的主观亮度感觉 。 当光脉冲作用于视网膜上时，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；当光脉冲消失后，亮度 感觉并不立即消失，而是按近似指数规律 下降。图 (b)中t3t4就是视觉残留时间。 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。 临界闪烁频率（Critical Fusion Frequency，CFF ） 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。不引起闪烁感觉的光脉冲最低重复频率，称为临界闪烁频率 。 在CRT显示系统中，荧光粉本身也有一定的惰性。其表现为：当受到 电子束轰击时，其光输出按指数规律较快地增长到最大值；当电子束停止 轰击时，其光输出并不立即停止，而是按指数规律慢慢地衰减。这种现象 叫荧光粉的余辉。因此临界闪烁频率不但与人的视觉惰性有关，也与荧光 粉的特性有关。 临界闪烁频率与平均亮度水平有关。 在正常亮度范围内，临界闪烁频率与亮度的对数之间有着线性关系。 式中，fc临界闪烁频率（Hz/s，赫兹每秒）； a，b与环境亮度和在视网膜上成像的位置有关的修正系数； 对于暗适应： ， 对于亮适应： ， Ba被检测画面的平均亮度（熙提，sb，1sb=104cd/m2） Ferry-Porter定律： 临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关，亮度变化幅