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59年毕业任18中美术教师,书法家、画家。,有50多年的业余青年丶少年书法丶美术教学经验,荣获1979丶1999两届省青少年宫书法教师论文一等奖,书法论文丶点评常发表在全国书法月刊,创办墨林书画学校20'多年··启蒙多名学生成为学院教授丶艺校教师丶职业画象.他们己成为全国省市画家丶书法家.

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谈谈人的视觉特性与电视的关系  

2017-08-06 09:49:29|  分类: v视觉生理机制 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2013-12-17 18:14 3750人阅读 评论(0) 收藏 举报
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多媒体编程(158) 谈谈人的视觉特性与电视的关系 - 中国传统榜书网 - 中国传统榜书网

谈谈人的视觉特性与电视的关系 - 中国传统榜书网 - 中国传统榜书网转自:http://blog.sina.com.cn/s/blog_03e27cc8010183mb.html

2006-11

 

文/中国电子科技集团公司南京电子工程研究

 

所  蒋庆全

 在人的诸种感觉器官中,视觉在接受外界信息性能上最强。而人的视觉特性与电视早就有了内在的联系。电视画面上所显示的图像和影像信息,就是传给人眼的信息。传至人眼的信息,通过眼球视网膜上的视觉神经细胞变换成电信号,传至大脑。大脑将这些信息进行综合处理,结果便可感觉认识到电视画面上所显示出的明暗、色彩、形状、动作及纵深立体感等。而且还能产生出更高层次的诸如美感、震撼力及临场感等情感性认识。因此,充分而深入地研究、探讨并了解人的视觉特性,将会对电视工业的发展有着重要的意义。

 一、视觉机理
 下面先介绍一下人眼的眼球、视网膜及来去大脑的神经路径等视觉构造,然后再介绍可
 对视觉产生刺激作用的诸如可见光、适应机能及眼球运动等最基本的视觉特性。
 视觉信息是通过人眼眼球传至大脑视觉区域的传递路径实现的。首先,外界信息以光波的方式映入眼帘,借助人眼的光学系统成像在视网膜上。视网膜内的视神经细胞,将光信息变换成电信号,传至视神经。由左、右两眼各自引出的视神经,在视觉交叉处将左、右两眼分别获取的右眼视觉信息与左眼视觉信息进行综合处理后,传向外侧膝状体。外界右半部分的视觉信息传入左侧的外侧膝状体,而外界左部分的视觉信息则传入右侧的外侧膝状体。各个外侧膝状体经视放射线神经连接于左、右后头部的大脑视觉区域。
 1、人眼眼球的构造
 人眼的眼球是最先接受到外界光信号信息的部位,图1示出人眼眼球的剖视图。该剖视
 图是将右眼沿水平方向剖视后,从顶部向下观看的构造。眼球为直径约24㎜的球状体,光线通过瞳孔映入眼球内,再经晶状体成像在位于眼球后部内侧的视网膜上。 
 图1  人眼眼球的构造(右眼水平剖视后从顶部向下观看的剖视图)
 人眼的主要部分是眼球,眼球的构造与视觉有关的部分如图1所示。
 ●角膜:呈横椭圆状,向前呈半球状凸出,屈光指数为1.37。角膜的作用类似于照相机内的第一组镜片,其形状与凸透镜相类似。角膜担负着为能在视网膜上成像所需大部分的眼球折射作用,它的表面状况影响着成像的特性。
 ●睫状体:主要由睫状肌(共有纵形、环形及放射状3种)及丰富的血管组成,可调节晶状体的凸度。
 ●晶状体:俗称“眼珠”。为富有弹性的无色透明体,形如双凸透镜,屈光指数为1.42。晶状体的作用,与照相机内的透镜相类似。当需与近处的焦点相吻合时,晶状体四周的睫状肌便收缩,松缓了使晶状体张弛的睫状小带肌,睫状体利用自身的弹力膨胀,提高了折射力,从而缩短了焦距。反之,当需与远处的焦点相吻合时,晶状体四周的睫状肌则松开,利用睫状小带肌的张力,从外侧调节晶状体,使其厚度变薄,折射力变小,将这种可调节焦距大小的能力称为调节力。
 ●房水:充满眼球内前房和后房的透明液体,屈光指数为1.33。
 ●玻璃体:为透明的胶质体,屈光指数为1.33。
 ●虹膜:虹膜的中心有一个直径2.5~4.0㎜的圆孔,称为瞳孔。瞳孔的作用类似于照相机内的光圈,对准明亮位置时直径变小,对准昏暗位置时直径变大,以此来调节入射的光线。瞳孔的直径约2~8㎜,可随外界的亮暗程度作相应的变化。虹膜有环形的瞳孔括约肌及菲薄的瞳孔开大肌,调节瞳孔的大小,便可调节进入眼内的光线,以确保成像在视网膜上的物像清晰度。
 ●脉络膜:拥有丰富的血管及色素细胞,起遮光作用,使眼球形成暗房,确保视网膜成像清晰。
 ●视网膜:广泛分布于眼球后部的内侧面,它是外界景物在此聚焦成像之处。视网膜共分两层,内层为感光层,外层为色素层。视网膜里面正对视轴处周围一小块为黄斑区,黄斑区中心拥有一小凹称为中央凹(fovea),是视力及色感等视觉功能最敏感之处。感光层内含有两种感光细胞,一种是锥状(cone)细胞,主要集中在黄斑区、司明视觉(感强光)及色视觉。另一种则是杆状(rod)细胞,主要分布在黄斑区外的视网膜周围部分,它对光的灵敏度约为锥状细胞的1万倍,司暗视觉(感弱光),仅能产生黑白感。锥状细胞共有4~7百万个,杆状细胞达1亿个以上。人眼的视觉功能如同照相机的构造及成像机理。眼球瞳孔类似于照相机的光圈,用于调节光通量;人眼中由角膜、房水、晶状体、玻璃体及睫状肌组成的凸透镜系统类似于照相机的镜头;脉络膜类似于照相机的暗盒;视网膜类似于照相底片。
 由于视网膜与晶状体间的距离固定不变,为使远近不同的物体经眼球凸透镜系统所形成的光像都能落在视网膜上,必须调节凸透镜的焦距,此种调节作用由睫状肌来完成。当人眼观看远处景物时,睫状肌放松,使具有弹性的晶状体变得较扁,焦距变长。当观看近距离景物时,靠睫状肌收缩来挤压晶状体,使晶状体变凸,焦距缩短。鉴于这些视觉生理特性,长时间、过近地观看电视,尤其是观看小屏幕电视时,人眼的调节作用需不断增强,使其处于极度紧张的状态,不仅人眼易于疲劳,而且长久下去,人眼的调节作用便不那么灵敏了,以至于睫状肌完全放松时,眼珠无法恢复到正常眼那样扁平了,结果造成视力减退或变成近视眼。这便是观看电视时,必须选取适中的观看距离及注意中间休息之缘故。
 2、视觉的生理模式
 视觉的生理模式如图2所示。当视网膜上的视觉细胞感受到物体光像的刺激后,便发生一系列光化学及电位变化,形成神经兴奋,产生出视觉的脉冲信息,通过各级神经细胞系统的识别、分辨及传递,最后传至大脑枕叶高级视觉神经中枢,此时便感觉到影像的存在。再从这里传至大脑的各有关部分,并按各自的功能进行进一步的信息处理。大脑在信息处理的过程中,用大脑的左半球处理逻辑和语言等,用大脑的右半球处理印象和音乐等。左半球与右半球间通过脑粱联系,来保持一个人的思维风格。图像信息中的文字和图形由大脑左半球负责处理,风景人物等则靠大脑右半球负责处理,再传至大脑皮层的海马区,进行记忆。大脑中的海马、颞叶区是保持记忆或是唤起回忆的部位。
 图2  视觉的生理模式
 3、视觉的心理模式
 视觉接受图像信息后,便在心理上依次按阶段进行信息处理,基于这种设想的模式便是视觉心理的阶段结构模式,如图3所示。
 图3  视觉的心理模式
 (1)感觉与知觉
 视觉的感觉与知觉可这样来区分,处理亮暗程度及颜色等基本信息的阶段属于感觉阶段。处理空间或时间上亮暗分布及颜色的变化的阶段则属于知觉阶段。两者结合在一起便是感觉与知觉阶段,它是图像信息检测的基本阶段。在该阶段,信息的含义与由信息引起的情绪和印象等并无关系。
 (2)认识
 认识阶段是对图像信息所具有含义的处理阶段,此时需与以往的经验和学习知识等所积累的记忆信息进行对照比较。图形的形状、文字及符号等都是认识的对象。例如,在普遍的风景图像中,需抽取出其中的树木种类等所规定的含义时,认识阶段便显得十分重要。
 (3)感情
 感情阶段是处理由图像信息引起的情绪和印象的阶段,通常也是以记忆信息为参考,对图像在心理上会出现好坏程度、舒适悦目程度及疲劳不愉快程度等变化。认识阶段与感情阶段结合在一起便形成对图像信息有意识的评估。因此,图像信息的终端接受系统是视觉,图像质量的最终评估也取决于视觉。
 (4)刺激量与感情
 图4示出人眼接受的刺激量大小与反应的感觉大小及舒适程度的关系。正常情况下,总存在着某一刺激量,在这一刺激量的作用下,人的视觉感情阶段的舒适程度最佳。刺激量过大,反而感到不舒适。众所周知,对电视图像过量的补偿,反而导致图像质量变差。收看电视节目时,其亮度、对比度、色饱和度等刺激量,既不能太小,也不宜过大,要将其调至适中程度,以达到最佳观视状态。 
 图4  感觉、舒适程度与刺激量的关系
 4、视觉功能的范畴
 视觉功能主要包括形觉、色觉及光觉等。

 二、 视觉功能
 1、光与可见光
 光属于一种电磁波,射入人眼便会产生视觉反应。电磁波具有颇为宽阔的波长范围,可引起视觉反应的光波约在380~780nm的范围内,通常将其称为可见光。
 利用棱镜或分光器可将可见光分成仅具有单一波长分量的光波,将其称为单色光。人眼可感觉到的单色光按波长从短至长的顺序为蓝、绿、黄、橙及红等颜色。而对于象太阳那样覆盖宽阔的波长范围且能量几乎均匀分布的光线,对人眼无法给予色彩的感觉,称为无色彩光线,俗称白光,只是由于白光的光强不一便能形成亮暗不同的轮廓。
 在外界所看到的可视光线的分布,随场所不同其光强及分光特性也各异,由此也产生了亮暗或色彩的感性认识。为将这种光刺激特性与对光的实际亮暗及色彩感觉进行相互吻合的描述,需定义一些基本的概念,诸如测定光量、色度坐标或色彩空间等。在对电视画面进行测定和评估时,便常用到上述这些概念。
 2、视觉的动态范围与适应机能
 下面介绍一下人眼可响应的光线动态光强的范围。在日常的生活环境中,光线的光强范围颇为广泛,从晴天的直射日光照度105lx至月夜照度10-3lx,人的视觉系统能在这样宽阔的光强范围内进行有效的工作。为能在如此宽阔的光环境中发挥作用,人眼通过改变瞳孔的大小来调节入射光量。但仅靠改变瞳孔直径还不能完全适应实际环境中的光强范围,需由接受光的锥状细胞和杆状细胞共同分担,改变自身的敏感度以适应外界光线刺激的不同光强。
 当人眼从昏暗处移向明亮处时,最初会因眩光作用而看不清物体,随着时间的推移则会对明亮的环境逐渐适应。于是将这种从昏暗状态至明亮状态变化的逐渐习惯的过程称为明适应性。与暗适应性相比,明适应性的时间要快得多,约仅需1min即可完成。光感更优异的杆状细胞在作用范围内比锥状细胞对亮暗的敏感度更高。在明亮处,由于众多的锥状细胞在工作,它们能分辨出颜色,而杆状细胞则无法区分颜色。因此,在非常暗的地方,杆状细胞仅能看清物体的亮暗,却无法分辨出颜色。
 3、眼球的运动与视野
 人眼的视网膜构造并非均匀一致,在中央凹处,由于不存在引起光线散乱因素的其他干扰性细胞,故其结构有利于获得光学上清晰而鲜明的图像。当然,为能在视网膜中央凹处摄入想看到的对象,眼球必须来回动作,将其称为注视性的眼球运动。
 在观看诸如电视画面那样的平面二维图像时,眼球的运动主要与跳跃性运动和随从性运动有关。此时的眼球运动特点为双眼的转动方向相同,称为共同运动,而观看立体三维图像时,还需增加眼球转动方向左右相反的所谓对视和聚散运动。
 此外,眼球还会不断地作微细振动,即称为固视微动。
 (1)跳跃性运动(saccadic movement)
 假如仔细研究一下观看静态景物时眼球的运动状态,便能将其分为在一处停留(固视)状态和正向别处移动(跳跃)两种状态。在一处停留的时间约为300ms,而跳跃时间约为30ms。故人眼在一处会停留300ms去采集信息,再需30ms向别处移动,然后再停留300ms获取信息,如此反复持续动作下去。
 此外,当视觉观看景物的位置发生变化时,还需约160ms的延迟时间,以对应于眼球利用跳跃性运动来适应景物的位置变化。而当需预测观看对象动作的速度和方向时,便会产生出下述的随从性运动,进一步的位置误差则需由跳跃性运动来弥补。
 当人眼跳动的瞬间,视网膜上的成像也会以相当快的速度(最快速度为300゜~700゜/s)移动。但在通常的情况下,人们并不会感到这样的视网膜成像的移动。这是因为当眼球的视线移向其他地方时,存在着所谓信息隔断机制在起作用。它使得当眼球移动时的视网膜成像结果并不传向大脑,故不会感到视网膜成像的快速移动,将其称为跳动抑制(saccadic suppression)。
 (2)随从性运动(smooth pursuit movement)
 随从性运动是指当对缓慢运动的观看景物进行自然追踪时视线的连续运动,此时观看者要能预测其运动的方向和速度等,通常无法控制其意图。而仅靠随从性运动能以连续追踪景物的动作速度是有限的,通常在4゜~5゜/s以内。假如动作速度超过该速度,仅靠随从性运动便无法及时捕捉到观看景物,所产生的位置误差需由跳跃性运动来弥补。但在短时间内产生的随从性运动分量,最快速度会达到约30゜/s。根据研究表明,无论是观看对象动作的实际运动还是视在运动,几乎都会产生同样的眼球随从性运动。这种眼球运动的特点会对光栅扫描式电视画面的隔行扫描产生出视觉误差或对动态图像显示特性产生颇大的影响。
 (3)辐辏运动(vergence movement)
 辐辏运动是指调节前后方向的静态位置,或观看活动对象时所产生出的眼球运动,即双眼向观看对象集中注视的运动,辐辏运动也是下意识进行的运动。
 (4)固视微动(small involuntary movement)
 即使处于固定观看的状态,眼球也会存在着微细的不断振动,又可将其分为如下几类微动。
 ●颤动(tremor):是指眼球振动振幅的视角约15“,频率约30~100Hz,最多分布在50Hz附近的微小运动。
 ●眨眼(flick)  是指偏位角约20‘,在0.03~5s时间范围内的无规则周期产生的微动。
 ●漂眼(drift)  是指在偏位角5‘以下,存在于眨眼之间的延迟运动分量。若固视微动一旦停止,在视网膜上便会形成静态的图像,但却发生了看不见图像的状况,则将这种现象称为静态视网膜图像的消失现象。

 三、与电视技术相关的视觉特性
 下面将介绍在评估或设计电视设备及系统时应了解的视觉基本特性。在电视画面上所显示出的信息,是以亮暗或色彩的方式分布于平面之上的,它们与亮度、对比度、视力、空间分辨力及色感相关联。又因电视画面上的信息随时间而变,故又与视觉的时间特性及运动规律有关。近年来,立体电视系统也正接近实用化。众多所谓立体三维电视,皆采用从平面影像利用视觉系统的立体视景功能产生出立体图像效果的技术。故还需涉及到视觉系统的立体视感机制等问题。
 1、亮度的感觉
 下面主要介绍影响电视画面质量的重要因素之一的亮度及其相关的视觉特性。人眼视网膜上的视觉细胞借助吸收光线及相应的光化学过程,将观看对象的光信号变换成电信号并产生出亮暗感。此时,根据光线的不同波长,在视觉系统中产生的反应强弱也有差异,从而由光引起的亮暗感觉也略有不同。亮暗感觉与亮度大小的关系,并非简单地成正比的关系,也可能是对数或指数型的非线性关系。探讨这样的视觉特性便需应用色度学中的表色体系等理论。
 (1)分光视感度
 分光视感度又可称为分光视觉敏感度,用于表示视觉系统对某种波长光的敏感程度。亮暗环境光滑曲线,其峰值为555nm。人眼对于光的敏感度,无论比峰值(555nm)长还是短皆会下降,对于380nm或780nm光的敏感度均约为555nm光的万分之一以下。
 (2)亮度和亮暗度会随颜色而不同
 亮度是由视觉的标准比视感度所决定的。这似乎让人感觉到亮度大小相等的光应具有相同的亮暗度,但实际情况却不尽相同。原因在于亮度和亮暗度会随颜色而不同。
 (3)亮暗感与亮度间的关系
 与亮度大小变化相应的是亮暗感的变化,亮度不断提高,亮暗感会趋于饱和,若将这种关系用数学式来表示则有对数函数与指数函数表示之分。若用对数函数表示,则亮暗感与亮度的对数成正比。若用指数函数表示,则亮暗感与亮度成指数关系。
 (4)对比度的感觉
 平常所见到的外界景物存在着众多的对象,而重点关注的对象往往是在与其他对象的对比中被感觉到的。关注的对象与其他(背景)对象间常常是由于亮暗度或色彩的不同而从背景中被区分出,其中与视觉的亮暗或对色彩的对比感觉息息相关。
 对比度的感觉存在着空间的相互作用,因背景的不同观看对象的方式也不同。此外即使视野内整体的亮暗发生变化,由于适应性或恒定性,从对象接受到的亮暗感觉也会保持不变。这是与对比度感觉相关的基本特性,将在下面详述。
 ●明亮的对比
 观看对象时受到背景影响的实例有明亮的对比现象。将同样一个灰色的小正方形置于亮暗各异的背景环境中,假如对象的明亮性与其背景无关的话,则所见到的小正方形的明亮度应是一样的。实际上由明亮背景包围着的正方形看上去比昏暗背景包围着的正方形显得暗一些。称这种现象为明亮的对比现象。由于是在空间内共存的区域间进行对比,故也称其为同时对比。
 同样,假如先看到明亮的对象,后见到对象的明亮程度就不同,这种情况称为继时对比。而对比的程度会受到背景与对象亮暗差异、对象的大小及位置关系等因素的影响。
 当背景带有颜色时所产生的对比,称为色彩对比,背景色的补色可在对象内被感知。若背景为红色时,用红色背景包围着中央的灰色,会显出红色的补色为绿色(发绿)。即使有其他的色彩组合,也会产生出同样的现象,背景与对象色差较大时,更易于识别。
 对于这种强调视觉信息差异的对比效果,也与图形的构成有关,假如对象是细致而明亮的图形,则会使背景变得明快,反之图形变暗的话,背景也会显得昏暗,将这种现象称为同化现象。
 ●明亮的恒定性
 明亮的恒定性是指即使整体的亮暗发生变化,由对象所接受的明亮度仍能保持一定的现象。若将观看的上述灰色小正方形拿至户外,置于阳光直射的明亮环境中或将其置于树荫下,比较一下观看对象的小正方形反射的光通量,便可看出,在阳光下时的光通量更高些。但由小正方形所感受到的明亮感,不管是在阳光下还是在树荫下并没有太明显的变化,这就称为明亮的恒定性。值得指出的是,对比现象与恒定性间具有一定的关联性。不管何种对象皆与周围的明亮性息息相关。
 2、视觉的图像分辨特性
 下面将介绍视觉的空间图像分辨特性。这是在评估电视画面所显示图像的清晰度、精细度、鲜艳度及文字信息的视认性以及在图像画面上出现的干扰、空间失真等因素时的重要特性。电视画面是利用按矩阵排列的像素和扫描线来表示平面二维图像的。将这些像素和扫描线融合成均匀的平面二维图像,有赖于更好地利用视觉的图像分辨特性。
 从视觉的图像分辨特性可知,求出图像清晰度、精细度及鲜艳度时视力和空间分辨能力,还与增强轮廓清晰度的机能和空间对比现象有关。此外,视觉的空间频率响应特性作为将视觉特性对应于与光学系统的调制传递函数(MTF)、图像信号传送/变换系统的频率特性的图像分辨特性,在图像系统及图像显示设备的评估中具有重要的意义。
 (1)图像分辨特性与视力
 所谓视力是指视觉的空间分辨能力,也就是对在空间广泛存在的对象形体及场所的分辨能力。通常用视角(单位:分)来表示可能识别出两个对象间的最小距离值(最小分辨阈值),而将其倒数作为视力值。视力值会因图形对象、观看距离及背景亮度等因素不同而有颇大差异,故测试条件也由国际标准来决定。将形如英文字母C测试视力用的缺口环(landol’s ring)置于约500lx照度下,距5m远的距离来测定视力。缺口环上下左右各向仅有1处开口,要由是否看清开口方向来检测视力。视角刚好是1’间隔时,视力为1.0,而0.5’的间隔时,视力为2.0,假如需2’间隔才能辨清,则视力为0.5。
 此外,还有能分辨最小大小的最小视认阈及可区分线间距的微调视力等。最小视认阈的视角约为0.5〃,而微调视力为数秒。
 (2)边缘增强效果与侧抑制
 上面介绍了对二维广域的亮暗信息视觉系统所具有的分辨特性。下面将介绍对亮暗边界视觉系统所具有的边缘增强效果。
 马赫现象(Mach’s phenomenon)属于一种边缘增强效果。在视觉系统中,对亮暗边界也具备对其变化进一步增强的机理。将视野纵向分为亮暗两个区域,从而求出在其两侧追加能感觉小光点的最小增光量(亮度分辨阈)的结果。在邻近亮暗的边界部分,靠近亮暗一侧的分辨阈值较高,而在昏暗一侧的分辨阈值则较低。
 将值得检测的小光点作为背景,借助刺激引起的神经活动假如较为活跃,则检测出的小光点的光线强较高,分辨阈值也较高。反之,对神经活动不太活跃之处,即使光强低的光也能被检测出,分辨阈值较低。靠近亮暗边界处的明亮一侧,会产生出较强的神经活动,而较暗的一侧神经活动则较弱,也就是说,神经活动会受到抑制。随着刺激光强的变化,光刺激较强的一侧相对响应光强较大,而较弱的一侧相对响应光强则较小。
 如上所述,亮暗边界的增强效果,与视觉系统具有侧抑制息息相关。所谓侧抑制是指横向神经细胞相互间抑制对方的活动。假如吸收光,其神经活动反而被抑制,导致神经活动低下。这样,横向关联、相互影响的范围称为接受视野。这种具有侧抑制的接受视野并存于视网膜之上。
 (3)视觉的空间频率响应特性
 本节中介绍视觉的空间频率响应特性。它与在空间中究竟能看清到什么细致程度有关。视觉的空间频率响应特性反映观看具有某种空间频率的条纹状图形时,视觉系统的对比敏感度与条纹图的空间频率间的关系。
 视觉的空间频率响应特性曲线,会因条纹图的平均亮度及观看距离的不同而有不同的形状。此外,除上述的对比分辨阈值外,也可将给予一定对比度感觉的调制对比敏感度的相对值作为纵轴,将其称为阈上值对比敏感度的空间频率响应特性。它们随测试条件的不同也会有各种形状的特性曲线。
 (4)图像分辨特性的方向依存性
 假如在视觉的空间频率响应特性中所介绍的正弦波形状上,改变亮度变化的条纹图的方向性来测试分辨阈对比敏感度,对垂直条纹与水平条纹的特性几乎一样,而斜向条纹的对比敏感度却有降低之趋势。
 3、视觉的时间特性
 在普通的电子式电视图像显示装置中,利用光栅扫描在颇短的时间内将一幅平面二维图像逐行扫描并显示出来。例如,CRT显示装置便是通过光点从电视画面左上角至右下角顺序扫描多条光线,从而将图像显示出来,并非让整幅画面同时曝光。观看者之所以感到图像稳定,是因为视觉对光的刺激从感觉上会有一段残留时间,在该段时间内若有别的光刺激到达视野内的其他地方,从感觉上会产生出与前面的光线同时到达的光线。假如后续的光刺激到达同样的地方,其感觉的光强会被叠加(即被积分)。下面将介绍这样的视觉时间特性。
 (1)时间的叠加效果(时间积分效果)
 先探讨一下时间上有些间隔的两束刺激光到达视觉系统的响应。此时采用调节有短暂时间间隔的两束刺激光强求出所感觉到的刺激光阈值(光感觉阈值或亮度刺激阈值)的方法。称这种方法为时间Ⅱ刺激光法。
 当将刺激光束Ⅰ与刺激光束Ⅱ分别视作各自单独的两束刺激光来考虑时,检测到两束刺激光中任何一束皆可。考虑到概率因素,其求和指数值约为0.1。因此,当求和指数值为0.3时,为两束刺激光完全叠加,具有与一束刺激光等同的效果,而当求和指数值在0.1附近时,则应视为完全没有叠加的两束单独刺激光来考虑。而当求和指数值在0.1与0.3之间时,则表示相互间具有某种的影响,两束刺激光有部分叠加。
 这样,时间上的叠加效果会受到背景光的亮度、光刺激所涉及到视网膜位置、大小及适应程度等因素的影响。此外,还有人指出,当人眼从亮处进入暗处时,所产生的暗适应过程也会随时间而变化。
 (2)时间频率特性
 在视觉的图像分辨特性一节中介绍了有关空间正弦波图形的视觉调制传递函数(MTF)。本节将阐述对时间正弦波图形的视觉系统的响应特性。
 当刺激为明亮光线时,在十几赫处附近出现峰值,呈现出带通型滤波器的形状;当刺激变弱时,其峰值向低频一侧移动,同时对高频的敏感度也随之下降。刺激再变弱时,峰值便消失,变为低通型特性。
 对亮度相同的红-绿或黄-蓝颜色随时间变化时的特性也进行了探讨。其结果与空间频率特性及对同样亮暗的敏感度相比,颜色的时间频率特性中,其峰值移向低时间频率,并且对高时间频率的敏感度较低。
 (3)闪烁
 下面将介绍作为时间频率特性的特殊情况即闪烁(flick)的特性。刺激光束大多采用平均亮度与振幅皆保持恒定的方形波。将该刺激光束在缓慢的时间频率下进行观看,会出现闪烁现象。但再将频率稍微提高便几乎觉察不出闪烁了,视觉变得平稳而均匀。将该闪烁感刚消失时的频率称为临界融合频率(Critical Fusion Frequency-CFF)。此时视野内的明亮度等于亮度的时间平均值,称其为塔鲁伯法则。
 4、色觉机制
 在电视画面上显示的信息大多是彩色图像显示。为实现彩色图像显示,在彩色电视中需借助将红、绿及蓝三基色进行加法混色来实现。由于采用彩色电视会提高信息的显示质量,故在彩色电视中实现彩色图像显示的技术至关重要。
 上述的视觉系统光学机理无需变更,当光线通过看似无色的视觉系统也会产生出色彩感。它们会基于人眼的色觉功能来测定色彩,灵活地表示出应用的色彩。本节将介绍人眼的色觉机制。
 (1)锥状细胞的分光敏感度
 利用视网膜上的视觉细胞,可将光线获取至视觉系统中,再经处理便可感觉到外界的各种信息。如上所述,视觉细胞大致可分为两类:一是在昏暗处起主要作用的杆状细胞;另一是在明亮处起主要作用的锥状细胞。杆状细胞并无分辨颜色的能力,宛如在仅有星光的暗处分不清颜色一样。
 锥状细胞对光线敏感度的最大波长是不同的,可分为如下3种细胞,根据光的波长不同,3种锥状细胞按何种比例吸收的情况也不同。
 由于在视网膜上存在着3种锥状细胞,对亮度相同的光线,3种锥状细胞的响应是等色的,即感觉到相同的颜色。在彩色电视中,利用红、绿及蓝3基色便可显示出各种的色彩。
 3种锥状细胞,除分光敏感度不同外,其特性也各异。尤其是峰值在短波长一侧的蓝色锥状细胞(蓝锥),与另外的锥状细胞(红锥和绿锥)相比,蓝锥在视网膜内的分布密度较低且时间响应特性也较差。分布密度低是与图像分辨能力低息息相关,它对色彩刺激的空间分辨能力在高空间频率区域内也较低,并且对短波长即用蓝色书写的文字视认性等也较差。而时间响应性较差则会导致与通过黑白分辨时间的能力相比,其色彩的时间分辨能力较低。
 (2)反色响应特性
 3种锥状细胞的频率响应特性在色觉机制上发挥着重要的作用,它是等色和表色体系的基础。但辨色能力,仅从锥状细胞自身特性出发,是无法阐述清楚的,故本节将引入反色响应特性这一概念。
 众所周知,橙色可分为红色与黄色,紫色可分为红色与蓝色。将各种色彩进行分解整理并划分成不可再细分的单一颜色,称为单色(unique color),有红、黄、绿及蓝4种颜色。现将这4种单色排列成图5所示的形状便可发现,相邻的颜色是可被同时观看到的,而相对的颜色,即红与绿,黄与蓝是无法同时被观看到的,将这种无法同时观看到的颜色对,称为反色。 
 图5  颜色的反色性
 之所以能感觉出单色和反色,是因为存在着相应的色觉机制,这种机制称为黑林(Heling)反色学说。实际上是由于存在着红色反应与绿色反应相互对抗制约的组织和黄色反应与蓝色反应相互对抗制约的组织之缘故。
 下面探讨一下反色的情况。当然,相互制约的颜色是无法同时被观看到的,因此,红与绿或黄与蓝是无法被同时观看到的。当两种组织同时向外输出时,例如,对波长为600nm的光等,由于红-绿组织为红响应,黄-蓝组织为黄响应,因此,红与黄可同时被观看到。
 (3)色觉模型
 下面将所介绍的锥状细胞响应与反色响应纳入统一的模型中进行研究。
 图6所示为色觉模型。图中R、G、B为红、绿、蓝3种锥状细胞,分别在长波长、中波长及短波长处达到峰值敏感度。先将G锥状细胞与R锥状细胞的输出叠加后得到 y,将R锥状细胞与B锥状细胞的输出相叠加得到r。接着,从r中减去G锥状细胞的输出,变成r-g,作为红-绿组织的输出,从y 中减去B锥状细胞的输出,变成y-b,作为黄-蓝组织的输出,将来自上述两个组织的响应Crg,Cyb作为色彩感机构,这相当于上述的反色响应。 
 图6  色觉模型实例
 此外,R锥状细胞与G锥状细胞的输出叠加后便变成V,这便是上述的标准视感度,与亮暗感有关。此处之所以没有从B锥状细胞来的输入,是因为B锥状细胞的时间响应特性非常差,即使象闪变法那样用高时间频率进行测定,也无法捕捉到它的影响。但却不能由此认为,亮暗感与B锥状细胞的输入完全无关。例如,考虑仅有对B锥状细胞产生刺激的短波长光线射入人眼的情况。来自B锥状细胞的输出激活了色觉组织,但假如没有输入到进行亮暗感的机制,便会出现能观看到颜色却感觉不到明亮的奇怪现象。这显然是不可思议的。于是将r-g,y-b也叠加到V上,最后便形成了可观看到明亮的模型。这样,从B锥状细胞的输出也能引起亮暗感了。此外,利用直接比较法也能说明亮暗分光敏感度与标准视感度曲线的不同之处。也就是说,因为在时间上无需要求快速响应的直接比较法中,也可捕捉到来自时间响应较差的色彩机制的响应。
 杆状细胞单独向亮暗的组织V‘输入时,V‘与V相比分光敏感度的峰值向短波长一侧偏移,由此可以说明,当环境变暗时,与长波长的光相比,短波长的光会显得更明亮些,将此称为普尔金耶(Purkinje)现象。
 如图6所示的色觉模型,即使减少了各种色觉现象皆可进行一些定性的说明。通过上述模型实例的处理,可以认为色彩及亮暗感可感知,这会给从事电视技术工作的人员提供有益的信息。但假如仅象模型那样,将从锥状细胞的输出进行简单的线性叠加,有时还不足以对实验结果进行充分的说明。尤其对y-b的信号,需非线性处理的情况比较多。关于色觉模型,确实还需采用更多尚未完成的研究成果,以便进一步得到完善。
 (4)色觉的心理现象
 探讨人眼对色彩的观看与感觉,仅从某单一角度预测往往不够。对有关现象需利用从感觉和知觉的角度到从认知和认识的水平等多种途径去研究。本节主要从感觉和知觉的角度对有关现象作扼要的介绍。
 1.色觉的面积效应(小视野色觉异常)
 随着观看的距离逐渐加大,观看对象的视角也逐渐变小,小型物体的大小会进一步变小,所见到的色彩也会随之变化,直至最后见不到颜色而变成灰色为止。假如仔细研究一下所见物体的色彩变化状态,便会发现,当视角逐渐变小时,先是黄色与蓝色消失,接着红色与绿色也看不见了。
 2.颜色与亮暗度相关联的现象
 人眼所观看到的色彩具有色调、亮度及色度(色彩饱和度或色纯度)3种属性,它们是表示各种色彩的单独要素。但从实际的心理感觉上又是相互关联的。这可归纳为如下3种现象。
 ① 赫尔姆兹-科拉休(Helmhortz-Kohlrausch)现象
 该现象是指在明亮的观看范围内,亮度保持恒定,当色刺激的纯度(色饱和度)增大时,所感觉到的色彩亮暗变化的现象。通常色纯度越高的颜色,看起来越明亮,其亮暗程度向黄色方向变小,而向蓝、紫及紫红的方向变大。这种现象可借助于亮暗感觉是如何影响色彩的明亮度来解释,而在计算亮度的CIE标准视感度曲线中,闪变法正是采用这种亮暗感觉值。
 ②贝祖德-布鲁克(Bezold-Brucke)现象
 该现象是指即使具有同样分光分布的颜色光,当亮暗变化时,所见色调也会发生改变的现象。许多人对这种现象曾进行过定量的研究,根据采用的实验方法等不同,其实验结果也有颇大的差异。例如,当视网膜照度在100~1000td范围内变化时(约是在普通室内的电视画面亮度范围之内),亮度的综合定性可如下所述:
 在相当于单蓝色、单绿色及单黄色波长(分别为480nm、500nm及580nm)附近,因亮度而使所见色调的波长偏为零。
 波长480nm附近以下的彩色光线,随着亮度的增大,所见色调向长波长的一端偏移,而且彩色光的波长越短其偏移则越大。
 对单蓝色与单绿色间波长的彩色光波而言,所见色调向波长稍短的方向移动。
 对单绿色与单黄色间波长的彩色光,所见色调向波长较长一端移动。
 但最近的研究表明,假如在亮度范围更广并且划分更细的实验中,则不存在没有色调偏移的波长,或与单色调不一致。
 ③阿贝尼(Abney)现象
 该现象是指当颜色刺激的主波长及亮度保持一定的同时,色度下降时导致所见色调发生变化的现象。所谓主波长是指在x-y色度图上表示色刺激时,将其色度点与基准白色点相连接直线延长后,与光谱轨迹交点处的波长值。因此,该直线上的色彩是由主波长的单色光与白色光混色后所得,可认为是色调相同仅色度有变化。实际上,除单黄色外,其他色调也都稍微有些变化。
 3.由于颜色不同引起几何角度变化的感觉(前移色、后移色、膨胀色及收缩色)
 在由于色彩的影响而使人感觉到观看对象显得相对接近或远离的现象中,将显得接近的颜色称为前移色,显得远离的颜色称为后移色。前移色属于长波长的颜色,而后移色则为短波长的颜色。
 此外,还有因颜色不同使人感觉到观看对象的大小与实物略有差异的现象。显得观看对象大的颜色称为膨胀色,看起来显得观看对象小的颜色则称为收缩色。在这种效果中,主要是由亮暗度起作用,故称高亮暗度的黄色为膨胀色,亮暗度较低的蓝色为收缩色。
 4.间接色和主观色
 将对本来并未发出彩色光线之处,感到有色彩的现象称为间接色。这种现象也包括见到明亮的物体后,再闭上眼睛时所见的残留影像或梦中所见的色彩等情况。其中最著名的当属本汉姆端面(Benham top),通常将其称为主观色。当将黑白相间的圆弧状条纹图旋转起来时,在某个片断端面也会有淡淡的颜色出现。类似这种运动中的黑白图形能产生出一定程度彩色效果的例子,还可举出若干,如费希纳色(Fechner color)等。
 5.纵深立体感机理
 上述的亮暗感、图像分辨特性、时间特性及色觉机制等,假如从电视技术的角度来看,上述这些皆为对平面图像的视觉特性。当然早期电视技术主要用于平面二维显示信息,故应先对平面二维信息的视觉特性有一个充分的了解。但近年来可显示立体三维图像的各种立体电视系统日渐成熟并陆续投放市场,可观看到立体三维空间的再现影像了。
 能再现立体三维图像的立体三维电视种类繁多,有的采用全息照相技术来再现实际的立体三维图像。但大多立体三维电视是从平面二维图像出发,利用人眼视觉系统的某些功能使人们观看到立体三维图像。人眼的视网膜属于二维的,人们正是基于视网膜上的信息来感知外界的立体三维图像。或者说是借助左右双眼的二维信息及双眼的二维信息去感知外界的立体三维空间。利用这种机理显示立体三维图像的电视称为立体三维电视。下面将对人眼视觉系统是利用何种信息感知外界的立体三维图像等问题作扼要的介绍。
 1)产生立体视觉的主要因素
 为获取具有纵深立体感的必要信息,需调节人眼球晶状体的厚度,以便适应观看对象的焦距变化。还有将双眼的视线射向对象的注视点投射至视网膜的中央凹处,即称为辐辏作用,以便获取生理信息及对象的阴影和重叠等心理和经验上的要素。
 生理因素也可分为由单眼和双眼获取的信息,而心理与经验上的因素则包括诸如物体的重叠状态等空间的几何信息及象阴影一类的光学信息。
 基于上述的分类,为获得纵深立体感所必需的信息,本节先介绍生理上的信息,然后再介绍心理和经验上的信息。
 (2)由单眼观看信息所构成的立体视觉
 在此介绍一下生理因素中,仅由单眼所获取的信息。在立体视觉中起作用的是由单眼获取的信息,其中包括眼球中晶状体的调节与单眼的运动视差。




(接上期)
 1.眼球的调节作用
 为使观看对象在视网膜上形成清晰而鲜明的图像,便必须改变晶状体的厚度。借助睫状肌来调节眼球内晶状体的厚度,当聚焦于近处的物体时,晶状体变厚;当聚焦于远处的景物时,晶状体则变薄。这时中枢神经通过睫状体的收缩-张弛作用的信息,便可感知出离所观看对象的绝对距离。
 这样的调节对检测出离观看对象的绝对距离无疑十分有利,并且对形成纵深立体感也是非常重要的信息。但其检测性能并不很高,精度也达不到期望值。此外,也获取不到远距离的信息,其有效作用范围仅在数米以内。
 2.单眼运动视差
 当观看者移动或活动头部时,视觉空间内的某些对象物的相互位置关系也会随之按某种规律发生变化。将这种伴随着观看者移动所产生的对象物间相互位置关系的变化,称为运动视差。由此可感知出观看者所见对象间的前后关系。假如基本上是由单眼获取的信息,便会产生有效动作的运动视差,称为单眼运动视差。运动视差对双眼皆可有效动作,而且这种运动视差对远处的对象也是有效的。
 (3)由双眼观看信息所构成的立体视觉
 下面介绍生理信息中,由双眼获取信息的动作,重点介绍聚散、辐辏作用及双眼视差。
 1.辐辏作用
 当用双眼观看对象景物时,为将注视点在双眼的中央凹处形成图像,使双眼向内侧回转。回转时,两眼视线所形成的夹角称为辐辏角。该辐辏角与至对象物的距离成反比,故可用于判断至对象物的距离。但在对象物处于较近的情况下,辐辏角的变化量也较大,而当至对象物的距离较远时,辐辏角的变化量也较小,检测性能会明显下降。利用辐辏角可检测的距离约在20m。
 2.双眼视差
 人的双眼瞳孔约相距65㎜。故在视网膜上形成的图像,左右眼是不一样的,会产生细微的差别,将其称为双眼视差,可将其用于观看对象物的前后相对位置关系。这种视差的检测性能具有与最小分辨力同样的精度,直至数十米远仍有效。
 在视觉系统的处理过程中,假如将这种双眼视差变成反映纵深立体向的位置信息,便可检测出所观看景物对象的前后关系。目前众多立体图像显示装置在显示图像时,对应双眼视差分别显示出左右眼的两幅图像,使观看者能直接观看到,从而获得具有纵深立体感的图像。
 (4)由心理和经验因素获得的立体视觉效果
 下面将介绍在有关纵深立体感的信息中,心理和经验上的主要因素。主要有物体的大小和重叠状况、表面规则纹理细节等几何外形尺寸信息,以及阴影、亮暗及对比度等光学信息。
 1.几何因素
 所谓几何因素是指物体的大小和相对位置、重叠性及表面粗细度等。从日常生活经验来看,在已确知对象物体大小的场合,当视网膜上物体的成像较大时,可判断出物体离得较近,成像较小时,则物体离得远些。在这种判断过程中,是否对物体大小具有明确的概念,成为判断之关键。
 对象的相对位置与重叠性是指类似风景图片中的情况,远处的景物在照片的上方,近处的景物则在照片的下方。由此可知,在视野中,处于上方的应当在远处,而下方的景物则在近处。此外,前面的景物会将后面的某些景物遮蔽掉。这种遮蔽与被遮蔽的关系,也是反映出物体前后位置关系的一种信息。
 当物体表面纹理有粗细变化时,表面显得较为细致一定是从远处所见,反之,近处细看定会显得粗糙。将这种表面纹理的粗细变化称为密度阶梯,也是反映出纵深立体感的一种信息。
 2.光学因素
 光学因素主要有阴影。阴影是由于光线被物体遮挡才会产生的。阴影分为物体自身产生的阴影及在其他面上投影所产生的阴影两种。利用这种阴影可判断出景物的立体构造或位置关系。这是属于一种与日常生活经验进行比较并作出心理判断的结果。
 除阴影外,对比度、色度、色调、鲜明度及清晰度等诸因素值都会随观看距离增大而下降,故距观看对象越远,其对比度、色度及清晰度便会越低,反之亦然,由此产生出远近感。
 (5)立体视觉的发展趋势
 立体视觉的基本机理是从两个视点观看同一景物,以获取景物在不同视角下的图像,借助三角测量机理算出图像像素间的位置偏差(即视差)来获得立体三维信息。立体视觉的研究工作始于20世纪60年代中期美国MIT公司的Robert的工作。他将以往的平面二维图像分析扩展至立体三维景物,这标志着立体视觉技术的问世,并在随后30余年迅速发展成为一门新兴学科。立体视觉在电视等众多领域内获得广泛的应用。
 自20世纪70年代立体视觉计算理论出现以来,立体视觉技术得到了迅速的发展。立体视觉理论属于一门涉及面颇广且迄今尚未发展成熟的学科。目前立体视觉的众多应用都是针对解决具体工程问题而提出的。对立体三维场景的恢复基本上局限于景物的可视部分。利用局部信息恢复景物完整的表面信息技术难度较大。目前的研究方向主要有如下几点:
 ①由传统的双目视觉向多目视觉,静态视觉向动态视觉发展。通过增加信息输入降低视觉计算的技术难度。
 ②向智能化方向发展,建立基于知识的、模型的及规则的立体视觉方法。
 算法的并行化,采用并行流水线机制及专用的信号处理器件,增强立体视觉系统的实用性。
 ④随着对人眼立体视觉系统的深入研究,利用视觉梯度对图像匹配的过程进行约束,形成了一系列算法用以提高立体视觉系统的实用性。
 ⑤利用对人眼选取性注视机制的研究及主动视觉的方法解决视觉计算病态结构问题,选取性注视机制将不适定问题转变为适定问题,并在已知摄像机的外部参数情况下,将非线性问题转变为线性问题。
 ⑥强调场景与任务的约束。针对不同的应用用途优化选取各部分,建立有目的和面向多任务的立体视觉系统。
 立体视觉属于一门多学科的交叉综合性学科,正吸引着大批包括生理、心理、物理、数学、控制及计算机视觉等多学科的研究人员应用不同的技术手段对其进行更为深入的研究,它不仅有着重大的理论价值,而且还有广阔的电视工程应用前景。
 6.运动的感觉
 近年来,不仅可通过电视机显示图像信息,而且计算机也可利用终端显示器显示动态图像信息。显示器上的动态图像是由一系列稍有动作差异的静态画面连续播放形成的。当一系列静态画面在一定时间内连续出现时,人的视觉系统便会观看到动态动作,将这种视觉特性称为视在运动,它是很久以来已为人所知的一种视觉特性。与此相对,将因观看对象物的位置随时间连续变化而产生的最基本的运动感觉,称为实际运动。
 有关运动感觉机理的研究是显示非自然动态图像的重要研究课题,本节介绍作为动作感觉基础的视觉机理。
 1.运动视觉信息
 先介绍一下当外界某个对象物动作时,要观看该动作需采集哪些信息。一是对象物和背景在视网膜上的相对变位,二是当注视连续运动的对象物时,所产生的随从性眼球运动的响应。
 下面研究一下当在视野内有正在移动的景物时,该对象物和背景在视网膜上的动作状态。先考虑在注视移动对象物的情况,这时,正在运动着的对象物的成像通常被投影在视网膜上的相同位置上,而背景的图像沿着与物体移动方向相反的方向运动。此外,当注视于背景内的某处时,背景的像在视网膜上呈静止状态,对象物的像沿移动方向运动。通常人眼不光注视着对象物或背景中的某一点,而是到处观看而频频在运动。在这种场合下,视网膜上的像移动受到对象物、背景及眼球运动的影响会产生出各种的变化。但视网膜上对象物与背景成像的相对位置关系,通常是保持恒定不变。假如人的运动感觉常以稳定的状态感知对象物的动作,则可认为视网膜上相对位置信息对运动感觉起着重要的作用。
 下面再探讨一下如何感知在黑暗中移动的小亮点的情况。这时,未必有使人感知背景移动所必需的绝对信息。在这种场合下,可考虑利用与眼球动作有关的信息。但在这样黑暗的背景中,对小亮点动态的感觉是不太稳定的,比如即使小亮点静止而看上去好象在摇动的情况。假如在小亮点的四周用静止的框将其包围起来,则对亮点的动态感觉便会格外稳定,对静止的小亮点也只会感觉到静止了。由此可见,视网膜上的相对位置关系和基准点对运动的感觉至关重要。
 2.对运动速度的感觉与速度分辨阈值
 对于对象物实际的移动速度,能感觉到什么程度呢?实际感觉的运动速度会随运动方向而不同。在人的感觉上,水平方向比垂直方向,远的方向比近的方向动作更快。
 将能分清对象物的速度变化或对象物间的速度差的最小值称为运动分辨阈值。它会受到诸如对象物的大小、形状、亮暗程度、运动方向及观看条件等因素的影响。但假如基准面的运动速度很快,分辨阈值也会变大,在速度差为基准速度的百分之几至百分之十几的范围内,皆可分辨出来。
 当基准对象物静止时,运动分辨阈值约为1‘~2’/s,而当没有基准对象物时,该值约为其10~20倍。
 3.运动残像
 在连续观看沿一定方向运动的对象后,即使其静止下来也会感到它还在运动,这种现象称为残像(即运动残效,motion after effect)。例如,对流落的瀑布水帘注视数分钟后,立刻将目光移至旁边的景物上,会感觉到理应静止的景色也好象在移动。
 研究一下这种运动残像的原因,有人认为是由于大脑皮层内存在着某种细胞的适应性所致。它们对某个方向的运动响应具有一定的选择性。这些选择方向的细胞,对某个方向的运动具有颇大的响应,而对静止或朝不同方向的运动则几乎无响应,假如该类细胞持续长时间活动,当运动突然停止时,产生的自发活动电位便降低,相对而言便好象对反方向的运动产生出活动状态,结果导致感觉到产生反向的运动。
 这种运动残像效应对纵深立体向也会发生作用。通常,假如连续观看远去的或接近的对象后,对静止的物体也会感觉到好象在沿相反向运动似的。
 4.视在运动
 下面将介绍当处于视野内不同位置的对象出现或消失时所观看到的运动(视在运动)现象。所谓视在运动(apparent motion)广义上是指对实际上未动的观看对象感觉上好象在运动的现象。
 在实际的电影或电视中,影像的动作并非用两帧画面便可结束,经常是数十帧画面连续播放,这种连续产生亮灭移动场合的视在运动的条件与上述只有两个对象运动的情况有很大的差别。在专注于背景一个点的固定视觉场合与注视运动对象时眼球产生追踪动作时的随从视觉的场合,无论何种场合,只要是在对象间的距离及出现的时间间隔十分长的条件下,两种图形同时出现时,对其动作的印象与感觉是相同的。由此说明,在时间间隔短一些的条件下,其状况会有很大的差别。因此,在周期约50ms以下获得稳定的运动感觉条件下,与固定视觉比较,追随视觉方面的动态范围更宽阔些,即对象间的偏移更大,动作速度更快,在通常的电影与电视的条件下,可观看到稳定的动作影像。对该领域内与实际运动相同的动感机理也在探讨之中。
 5.视觉的动态分辨率
 当观看运动着的对象物时,视力或图像分辨率通常都会下降。在电视摄像机等图像传感器中,进行场景存储处理时,便会产生出这种模糊的现象。这相当于拍摄对象的动作速度比光学照相机快门速度快时所出现的图像模糊情况。而用CCD摄像机拍摄快速运动的对象时,由于使用电子快门,存储蓄积时间较短,便可防止这种模糊现象的出现。此外,由计算机生成的图像,不会产生出这种问题。
 即使在图像显示中,由于眼球的随从性运动与积分效应,实际效果图像中也会产生出类似的模糊现象。由于随从性运动,眼球会随对象物沿运动方向连续移动,因此,显示的时间较长且视线在表示静止着的对象上移动。这期间,视线以将通过对象的光刺激累积起来的方式作出响应。因此,假如相继出现的画面时间与时间间隔(场影周期)相比并不十分短的话,便会产生与类似空间采样脉冲宽度过宽时等效的模糊现象。这种现象在象LCD等那样,显示时间几乎覆盖了整个时间间隔的保持型显示器中。上述空间采样区间的宽度为一个场景期间视线在电视屏上的移动距离,约等于对象物的变位距离。对象的动作速度越快,其动态图像分辨率的降低便越明显。

 四、形觉特性及其在电视领域中的应用
 1、视野
 视野是指当眼球向正前方注视时,所能观看到的空间范围。图7示出为正常双眼的视野范围。其耳外侧可达104°。当注视点可随意变化时,即眼球运动时的视野(也称动态视野),其外侧还可扩展20~40°。图8示出为正常左单眼的视觉范围,平均上侧为55°、下侧为70°、鼻侧为100°,且颜色不同,其视野范围也有差异,白色的视野范围最宽,蓝、红及绿色的视野范围依次递减,绿色的视野范围最窄。                                                      
 图7  双眼视觉范围 
 图8  正常左单眼的视野范围
 人的视觉范围,10°以内属于视力敏感区,是黄斑区视觉范围,即中心视野,对图像的颜色和细节部分的分辨性能最强。20°以内能正确识别图形等,称为有效的视野范围。20°外侧,虽视力和颜色分辨性能下降,但对活动图像信息较为敏感,30°以外视力便下降至非常低。
 根据人的视野特性,为既能清晰地观看到图像,又无需不停地移动注视点等,故早期的电影银幕和电视屏幕皆选取宽高比为5∶4或4∶3,且置放地点是使屏幕包括在人眼的10°视野(20°视角)内。但人们又发现若观看一幅宽阔的画面时,视角大至一定值后(通常大于30°),观看者会感到和画面同处一空间内,给人一种身临其境的临场感。故宽银幕电影的问世给观众带来了临场感的艺术效果。随着电视技术的迅速发展,大屏幕显示技术的研制开发,考虑使图像给人以较强的临场感,根据人的视野特性,大屏幕图像显示的宽高比应选为5∶3至2∶1。
 2、视力
 视力是指人眼的分辨能力,即黄斑中央凹处的视觉功能。根据人眼的构造,整个人眼屈光系统的光学中心N(称结点)距离视网膜15.7㎜。光线穿过结点不发生屈折,而不经过结点的光线则发生屈折,但与经过结点的光线结成焦点于视网膜上。外界景物上两个点通过结点在眼前所形成的夹角称视角。视角与物体大小成正比,与距离成反比,如图9(a)所示。
 将能分辨出两点最小视角用于表示视力,视力=1/视角(视角以分为单位)。视角为1‘时,视力为1,视角为40“时,视力则为1.5。
 由于中央凹处的锥状细胞直径通常为1~1.5μm,要想分辨出两个点,必须在视网膜上有两个视神经细胞(锥状细胞)兴奋,且这两个锥状细胞至少要被一个不兴奋的锥状细胞隔开,如图9(b)所示。因此,可算出1‘视角在视网膜成像的大小(h)。根据几何关系:
 2π×15.7×103
 h=                        =4.56μm
       360×60
 40“视角时为3.04μm。由此可见,人眼的最小分辨能力通常为40“~1‘视角。而分辨出一个点存在的最小视角约为10“~20“。                   
 图9  视力机理
 前人根据人眼的视力特性及当时的技术水平和经济发展状况,选取了电视各制式的行频和像素。随着电视技术和经济的不断发展,人们对图像质量的需求日趋增高,既要求图像自然逼真清晰,又要求其具有临场感。故既需大屏幕图像显示,观看距离又不宜太远,还需观看到清晰、细腻及自然逼真的图像,便必须增加像素,电视扫描行数也得增加。目前,数字电视(DTV)及高清晰度电视(HDTV),即以增加像素来提高图像的清晰度。
 根据人眼的视力特性可定量地求出人观看电视的合适距离。人观看电视的最佳距离应是:在看不清扫描线的状况下,却要看清电视图像的所有细节,就是说要看清最高分辨率图像的线数。以我国现行电视制式为例,扫描行数625行,帧消隐去掉50行,考虑图像重现率为95%的情况下,则屏幕上扫描线的线数近似为550行。再以14英寸的彩电为例,其屏幕有效面积的高度为210.6㎜,则两条扫描线间的距离为:h=210.6/550≈0.38㎜。在视力为1‘的视角下,临界状态的视距s(参见图9a)为:
 s=360×60×h /2π=360×60×0.38/2π=1307㎜
 此时,视距为屏幕高度的6.2倍。
 同样的情况下,要看清分辨率为400线的图像。此时,因图像最密两点间的距离为0.53㎜,则临界状态的视距为:
 s=360×60×h /2π=360×60×0.53 /2π=1823㎜
 此时,视距为屏幕高度的8.7倍。
 上述计算是在忽略扫描线宽度的条件下进行的,实际上应小于上述的数字,故观看电视的最佳距离应在屏幕高度的5~8倍之间。
 3、边缘视觉特性
 根据视网膜上视觉细胞的分辨状况,黄斑中央凹处是视觉最敏感而又最精确的地方,越靠边缘视力越差,也就是分辨力越低。视力与以视线为中心的偏位角的关系曲线如图10所示。                          
 图10  视野内各部位的视力状况
 4、背景亮度对视力的影响
 随着视标背景亮度与视标亮度的比值变化视力也随之变化。如图11所示,对应于背景亮度L2与视野中心5°的亮度L1的不同比值,其视力的变化情况。不同的背景亮度时,视力也不一样,但变化的规律都是一致的。通常约在L2/L1=1/3时,视力处于最佳的状态。从图11可看出,图像的背景亮度不能过高。
 图11  背景亮度对视力的影响
 5、人眼对不同图形形状的分辨能力
 人眼对图形的分辨能力,随其形状不同也不尽相同。图12示出为在不同的运动速度下,各种常见图形形状的分辨特性,a组为仅能感到有图形的存在,但还不能完全分辨出形状的视距,b组为形状能完全被分辨出的视距。从图12可见,对于只要感到有图形的存在,无需完全分辨出形状时,不同图形形状的视认距离的变化不会太大。但要能完全分辨出其形状时,视认距离差别便较大,且按三角形、矩形、正方形及圆形等顺序,视认距离越来越近,三角形的易辨性比其他常见图形都佳。故可根据不同的场合,选用不同的图形形状。图12中的纵坐标表示为距离(m)。
 图12  常见图形的分辨特性
 6、立体视觉特性
 由于双眼瞳孔间距为6.0~6.5㎝,当双眼同时注视同一景物时,双眼的视轴会聚集至注视点上,景物的形象同时落在双眼视网膜黄斑中央凹处及中央凹处以外的视网膜对应点上,传入大脑皮层的神经中枢,在主觉上融合成一幅图像,这称为双眼单视效果。
 双眼单视功能在观看近物时,会聚程度会加大,观看远物时,会聚程度减少。同时位于空间两点的双眼同时观看同一景物,便在两视网膜上得到两幅对应不同空间距离的景物相互位置略有不同的图像。可以认为,由于双眼进行了适应视轴会聚程度所必须的协调活动,以及使注视目标在左右两眼视网膜上的映像融合成一幅物像所致,该类心理上的活动,便导致产生立体感。即使不是实际的立体景物,假如它在左右两眼视网膜上呈现出一定规律的差异映像时,也会产生出景深感。人们的研究表明,应用人眼的立体视觉特性,研制出众多方式的立体电视,且目前还在进一步发展完善之中。
 单眼视觉也有立体感,这除靠经验外,还要靠眼球的运动。如为适应观看远近景物所作的调节之差异,以及水平向上的视角差。然而,单眼视觉所产生的立体感是不逼真的,只有双眼单视功能完善的人,才能确认空间景物的深度、凹凸程度及两物体间的距离等。对双眼视力和屈光状态不一致的人,便难以获得真实的立体感。通常,双眼的性能差异在5%以内,对立体感还不会造成多大的影响。
 7、错视现象
 视网膜成像的大小取决于视角的大小。而不同高度的物体,由于离眼球远近不同,如在高处的远、低处的近时,在结点处形成的视角相等(如图9所示),故像的大小是一样的。假如用视网膜像的大小来判断物体的大小,往往会容易产生出错误。此外,人眼所观看的、大脑所接受的物像,属于多种图形的组合,是较为复杂的一种物像,这里有许多能凭经验通过对比来正确判断物体间的距离及大小等,但有时也会产生错视现象。几种常见的错视现象如下:
 (1)大小错视(如图13所示)
 图13(a)、(b)中,看起来(a)中的线段比(b)中的长,其实两线段是一样长。图13(c)、 (d)、(e),假如用尺去量一量,都是正方形,而看起来(c)偏窄、(d)偏宽,只有(e)是正方形,图13(f)、(g)内,中间的圆,看上去是(f)内的小、(g)内的大,而实际上是一样大。
 图13  大小错视
 (2)弯曲错视(如图14所示)
 图14(a)中两根粗线看上去是弯曲的,而实际上是两根平行线。图14(b)、(c)中的细线圆弧,看上去图14(b)中的曲率半径比图14(c)中的小,而实际上是一样的。图14(d)中的两圆弧,看上去上面圆弧的曲率半径比下面的小,而实际上上下两圆弧的曲率半径都是一样的。                     
 图14  弯曲错视
 (3)角度错视(如图15所示)
 图15(a)中,看上去直线AB已不是中间可连接起来的一条直线,而是相互错开的线段。图15(b)中,线段AB和CD与两平行线相交,看上去是〈1〉〈2,实际上是〈1=〈2。 
 图15  角度错视
 上述这些错视现象,往往会给人产生错误的判断,这是事物不利的一面。但也可巧妙地利用这些错视现象。在电视方面,可充分利用上述这些错视现象来改善外观造型,给人以美感的享受等。
 8、主观轮廓效应
 在某些图案中,虽实际上并未给出亮暗程度和图案内容,但由于受其周围的线条或图形分量的影响,恰好给人有亮暗差或有某种图案内容之感,这便称为主观轮廓效应,如图16所示。                        
 图16  主观轮廓效应
 如图16(a)中所示,是在线格图形中,将交叉点去掉,这时看上去,去掉的地方类似一个圆形,且比其他地方白。假如在其去掉的部分用一个圆圈起来,再来看这一点,便没有比其他地方白的感觉了。图16(b)示出图案的中央部分给人有一个白色的正三角形之感。这种现象也可给设计师们用来巧妙地设计出美妙的图案等。
 9、对比现象
 将灰色纸块置于白色背景上比置于黑色背景上显得更黑。这种现象称亮暗对比。将中等粗细的条纹图案置于密而细的条纹背景上,比置于粗条纹背景上显得更粗一点,称该现象为空间对比。利用对比现象可突出或改善图案的某些部分。

 五、色觉特性及其在电视领域中的应用
 1、人眼的色彩感
 当太阳光的可见光谱中所有各种频率的光波同时作用到人眼时,视觉将会产生出白光之感。不同波长的可见光波分别作用于人眼时,将会产生出彩色感。例如,波长540nm与580nm的光分别作用于人眼时,将分别产生出绿色与黄色感。但颜色感与波长不仅是单值关系,而且还具有一定的色域,即在一定范围内不同波长的光可产生出相同的颜色视觉,如波长490nm~570nm范围内的光,可产生出同一绿色感。此外,光谱完全不同的光掺合后,也能使人产生与某一波长对应的相同色感。如用波长540nm的绿光与700nm的红光按一定比例掺合后,同时作用于人眼时,可获得580nm的黄色光感。此时,人眼分辨不出是单色黄光,还是由红和绿两种光掺合后而得到的黄色光。
 探讨人眼色觉理论的学说有许多,目前通常被公认的是3原色学说,这种彩色视觉生理的理论目前尚无生理解剖学的依据。这种学说认为,人眼视网膜上的锥状细胞具有感受3种原色即红、绿和蓝的感光色素,通常光是同时作用于两种或三种感光色素上,由此引起兴奋过程的相互关系,产生出各种不同的色感。如在红色光的作用下,感红光色素发生兴奋,感绿光的色素具有弱的兴奋,感蓝光色素的兴奋更弱,从而产生出红色感。在黄色光的作用下,感红光和绿光的两种色素同时兴奋并掺合后,便产生出黄色感。3种感光色素同时兴奋时,则产生出白色感。
 2、人眼的光谱响应
 在可见光谱范围内,人眼的视觉反应是不均匀的,假如用辐射能相等而波长不同的可见光波作用于人眼时,产生的亮度感不相同。图17示出为人眼的光谱响应特性曲线。图17中,实线表示的是明视觉时(白天)人眼对亮度的响应,而虚线则表示的是暗视觉(夜晚)时的响应。从图17中可看出,白天在波长555nm处,夜晚在507nm处,人眼的灵敏度最佳。也就是说,人眼在白天对黄绿色、夜晚对青绿色的亮度最敏感。而在暗视觉时,人眼是无法分辨出颜色的,故在彩色电视技术中的应用,皆属于明视觉范围,因而在拍摄彩色景物时,需在具有一定亮度下进行。
 图17  人眼的光谱响应特性曲线
 根据3原色学说,人眼的明视觉光谱响应是由图18所示的红、绿和蓝3种感光色素对光的响应特性曲线叠加混合后而成。其峰值对应的波长分别为580nm、540nm和440nm。图18中,由于蓝的感光色素响应的相对亮度很小,为表示清楚起见,作图时将其响应特性曲线放大了20倍。用3原色学说的理论可解释人眼对颜色反应的一般规律,同时给复杂的色觉提供了定量计算的方法,也就被电视技术工作者用于作为彩色电视技术理论基础的一部分。  
 图18  3种感光色素的光谱响应特性曲线
 3、人眼对色彩的分辨特性
 使人眼产生出色彩差异所需的最小波长差为色彩的分辨阈值,如图19所示。从图19中可知,人眼对色彩的分辨在黄色(585nm)与青绿色(485nm)处最为敏感,在橙色和紫色处也较为敏感,人眼在光谱内能分辨出的色彩约有165种。 
 图19  人眼对色彩的分辨阈值
 4、人眼对色彩的情绪性和视认性
 人眼的色彩感从生理学上讲,是人眼视网膜锥状细胞上具有感受红、绿和蓝(RGB)3原色的感光色素,根据不同的感光色素兴奋程度的不同,而产生出不同的色彩感。色彩还影响着人们的情绪,波长较长的色彩会使人兴奋,反之,波长较短的色彩会令人冷静。其中间近于绿色的色彩则使人感到最舒适。不同的色彩会给人们带来各种的情绪。在我国的风俗习惯情况下,通常淡黄色和嫩绿色显得温柔、明快并富有朝气。橙色和杏黄色色泽使人感到庄重、兴奋并富有高贵感。红色有喜庆、热情和荣耀之感。紫色和紫红色有幽婉及富丽华贵之感。青色显得深远和沉重。蓝色给人以优雅和平静之感。白色给人以纯洁和朴素等感觉。总之,不同的色彩给人带来远近、冷暖、悲喜、宁静、朴实、含蓄、轻重和强弱等不同程度的感觉。色彩属于一种更为原始纯真的审美方式。色彩的变化,对人的情绪也会产生出微妙的变化。当然,根据具体人的不同性格、爱好、记忆及生活习惯等,每个人对色彩的情绪性也有所差异。
 此外,不同的色彩在其分辨性、视认性、可读性及诱目性等方面也有所差异。如红色小视标的视认性、分辨性及诱目性都较为优异,黄色大视标的视认性佳,分辨性和诱目性也较好。蓝色无论其可读性,还是作为发光色时的分辨性都较好,而绿色虽可读性良好,但诱目性则较差。故在不同的使用场合下,选用合适的色彩是很有必要的。

 六、光觉特性及其在电视领域中的应用
 1、人眼对亮度的适应范围
 人眼观看自然景物时,对亮度的适应范围颇宽,最暗约百分之几尼特,最亮为几百万尼特,动态范围达108~109尼特。但并不是同时能感受到这样宽的亮度范围,在一定的适应状态下,仅能感受出约103尼特的动态范围。
 2、人眼对光的敏感度
 当人眼从强光下进入暗处时,起初是一无所见,随后,随着光敏度的提高,慢慢地能看清暗处的物体,称该过程为暗适应。反之,由暗处到亮处,也必须经过一段时间才能适应亮处,称这过程为亮适应。而产生光觉的最小量光线,称为光刺激阈值。在暗适应过程中测定光刺激阈值的变化,可得到暗适应的特性曲线,如图20所示。图20中纵坐标表示人眼对光的敏感度,以毫勒克司为单位,横坐标则表示时间,以分为单位。光敏感度强弱与光刺激阈值的大小成反比,光敏感度随刺激阈值降低而增强。
 图20  暗适应特性曲线
 3、人眼对亮暗的分辨特性
 人眼能感受出自然景物的亮度差异与环境亮度有关,故无需使实际景物的亮度变化范围在电视荧光屏上如实地再现出来,仅需在电视光栅的亮度变化范围内,反映出景物间的亮度差异便可以了。
 设景物的最大亮度为Bmax,景物的最小亮度为Bmin,则定义对比度K为:
 K= Bmax/Bmin 
 选取适中的环境亮度,可使人眼对亮度的分辨能力达到最佳(K=1000),而在低亮度下,分辨能力则明显下降(约K=10)。对大多数的自然景物,人眼能感觉出的对比度约K=100。故假如使屏幕的亮度范围调至2~200尼特,K=100时,则自然景物的各种亮度范围皆能在电视屏幕上再现,通常当电视图像的对比度K=50以上时,观看效果便较为满意。

 七、视觉的时间频率特性及其在电视领域中的应用
 1、视觉的时间频率特性
 将用作刺激的光束按一定频率规律规则地遮掉,形成亮灭的闪光,使人产生出一闪一闪的闪光感。对应于这种不同频率的闪光,视觉的敏感度也不同,这就是视觉的时间频率特性。由于人眼的视觉暂留效应(亦称视觉惰性)。即图像的光信息刺激人眼时,产生出视觉效应,但当图像的光信息不存在时,人的视觉印象并不会立刻消失,原有的图像仍能保留一段短暂的时间。因而当闪光频率超过一定值后,便感觉不出闪光了,看起来成了融合的连续光。将引起连续光感的最小频率称为临界融合频率(CFF)或称闪光阈值。视觉的时间频率特性也就表示人眼的时间分辨能力。
 2、视觉的过渡响应时间与知觉时间
 改变一定亮度的脉冲光的照射时间,人眼在产生出亮度感时存在着一个过渡过程。在这过程中,人眼对亮度反应的灵敏度是不一样的,当照射光的亮度较强时,在照射时间为50~100ms范围内,灵敏度最大。
 视网膜上从刚接收到光刺激开始,到有知觉为止的时间称为知觉时间。若入射光通量大,则知觉时间缩短。若在一只眼睛上戴上一种特制滤色镜,再观看电视图像时,则活动的图像看起来便有立体感。
 上述这些与电视图像有关的视觉特性,属于人类固有的特性,在某些方面还有待于进一步的研究与发现。对已研究出的视觉特性有的已被广大电视技术工作者所利用,电视就是应用最广的一个领域。今后,作为电视技术工作者,既要继续从这些客观的视觉特性出发,扩展在电视设计、生产及使用过程中的应用,研制出更多更好的电视新品,适应人们的各种需求,满足人们的多种需要。同时也需用一部分力量来进一步研究人的视觉特性,以期在生物电子学范畴内有新的发现,促进电视工业的进一步的发展。

 八、视觉的空间频率特性及其在电视领域中的应用
 在单位空间内将亮暗条纹按一定频率规律规则地变化,人眼将观看到黑白顺序排列的条纹,对应这不同频率的条纹图案,视觉的敏感度也不同,这就是视觉的空间频率特性。由于人眼的视力有个极限值,即人眼的分析能力有限,当空间频率超过一定值后,便感觉不出有亮暗条纹的变化了,而成了融合在一起的连续亮光。因此,空间频率特性的截止频率就相当于视力。空间频率的单位用每度视角多少周(Cycle Per Degree,CPD)来表示。
 1、无论是亮暗还是色度空间频率特性都属于带通型,其截止频率便是视力。且在低亮度范围内,随着亮度的提高,截止频率也相应得到了提高。
 2、对不同的配色,视觉灵敏度的变化也不一样,截止频率亦有差异。如红色-绿色的截止频率便比黄色-青色的高。但色度的截止频率都比亮暗的截止频率低和带宽窄。在一定观看距离下,对图像的细节部分,人眼仅能观看到亮度的差异,而观看不出颜色,故电视图像的色度信息(即图像的大面积部分)可用较窄的频带传送,而图像的细节部分,无论它有颜色还是无颜色,皆只需用黑白信号来传送。故色度信号属于低清晰度的,而黑白信号则属于高清晰的。彩色电视便是应用了上述这些特性,解决了频带压缩、彩色与黑白兼容等问题,简化了技术的难度。(全文完)


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