72人眼视觉特性

人眼视觉特性(HVS)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(Mutifrequencychanneldecompositon)。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。视觉生理学的这些特征，也被我们对事物的观察所证实。一幅分辨率低的风景照，我们可能只能分辨出它的大体轮廓；提高分辨率的结果，使我们有可能分辨出它所包含的房屋、树木、湖泊等内容；进一步提高分辨率，使我们能分辨出树叶的形状。不同分辨率能够刻画出图像细节的不同结构。人眼特性作者：lymex转自：牧夫天文论坛一、导言人眼是人身体中最重要的感觉器官，非常完善、精巧和不可思议，是生命长期进化到高级形式的必然产物。在人感觉的外界信息中，有90%以上是通过眼睛获得的。我们天天在用自己的眼睛，很多与视觉有关的事情习以为常，往往对其特性反而不了解，或者自认为很简单的知识或问题，但实际上存在误解。在天文观测中，了解自己的眼睛，尤其是了解人眼的暗光特性，会更好的进行观测。人眼的特性主要取决于人眼的构造，包括光线如何会聚、如何检测和视觉信号如何传导。另外，神经系统的特性尤其是人脑对视觉信息的处理过程也起着一定的作用。本文多次用到亮度的概念，这在上一期《夜空亮度》一文中有详细的定义和描述，这里再简单介绍一下。亮度是光度学概念，是描述物体表面明暗程度的。亮度概念与照度、发光强度、光通亮是分别不同的光度学概念，单位也不同。亮度的单位是尼特。这个概念就像能量、功率和重力都是不同的概念一样。一个40W的日光灯，照射在距离其下面2米远的白纸上，白纸的亮度大约为25尼特。猎户座大星云M42的中心部分，大约是0.02尼特。满月表面是3000尼特，木星表面是800尼特。满月照射下的白纸为0.05尼特。二、人眼的构造人眼的构造相当于一架摄像机或照相机。前面，是由角膜、晶状体、前房后房、玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合，把物体发出的光线聚焦到后面的相当与胶卷的用于检测光线的视网膜上。角膜，为一直径11mm的透明膜，镶嵌于巩膜前面圆孔内，其中央部的曲率半径为8mm，周边部比较平坦。角膜的屈光指数为1.376，为眼球的主要曲光媒质。晶状体，为一形似双凸透镜的透明组织，由小带纤维悬挂于瞳孔后面，睫状肌收缩时小带松弛，晶状体依靠其本身的弹性而变厚，前后表面的曲度增加，整体屈光度增加，利于看清近处物体，称为调节。在角膜和水晶体之间为虹膜，中间开有一个可以自动控制大小的孔，让适当的光线进来，称为瞳孔。前房、后房。前房为角膜后面、虹膜和晶状体前面的空隙，充满着房水。后房为位于虹膜后面、睫状体、晶状体周边部之间的空隙，也充满着房水。房水的主要功能是维持眼内压，并维持晶状体的代谢。玻璃体，为一透明胶样组织，充填于视网膜内的空间。占眼球4/5的容积。具有保护视网膜、缓冲震动的功能。视网膜是接近黑的深红色，反光很弱，其上面布满感光细胞。正对眼球中心有一个直径约2mm的黄色区域（折合6度视角），称为黄斑。黄斑中心有一小凹，称为中央凹，面积约1平方毫米。视网膜上有两种感光细胞，一种叫做视锥细胞，另一种叫做视杆细胞，均以它们外表的形状命名。一只眼睛里面大约分别有7百万视锥细胞和1亿两千万视杆细胞。视锥细胞是像一个玉米的锥形，尖向外，只对较强的光敏感，至少有分别感觉红、绿、蓝三种颜色的视锥细胞存在，因此能够感知颜色；视杆细胞只有一种，因此没有颜色感觉，但灵敏度非常高，可以看到非常暗的物体。视锥细胞在黄斑里面非常集中，尤其是在中央凹里面最为密集，是产生最清晰视觉的地方。视杆细胞恰好在黄斑里面最少，除此之外分布的比较均匀，距离中心10～20度的范围内相对集中些。人眼前面等效与一个比较理想的镜头，其焦距为17mm（物方）和23mm（像方），相对光圈为f/2.1～f/8.4（对应2mm～8mm的瞳孔大小）。眼球前后直径与像方焦距相同，为23mm，也相当于+43D曲光度。三、人眼的特性1、衡量人眼分辨力的参数：视力与望远镜的分辨力类似，视力表明人眼能够分辨两个距离很近物体的能力。通常采用兰道尔环，如图所示，在5m远处观察直径为7.5mm、环粗和开口均为1.5mm的环，此时该开口形成1角分的角度，如果刚好能够分辨，则视力为1.0。若刚好能够识别比这大一倍的环，则视力为0.5。2、分辨本领通常我们所说的人眼的视力，是指在明亮环境下，注视点的视力，也叫中心视力。注视点对应人眼的黄斑，是人眼视觉细胞最密集的地方，因此也是视力最好的地方。偏离中心2度的角度，则视力下降为1/2，偏离中心10度，则下降为1/10。这是因为，对于明亮物体，主要是视锥细胞在起作用，而视锥细胞主要集中在大约半径为3度的黄斑里面，外边分布比较稀少，因此分辨本领不佳，在偏离中心20度的角度时，视力不还到0.1。右图表明视力是如何随角度而变化的，是在亮度为5尼特时的标准特性。尽管周边视力不佳，但对于运动物体和闪动非常敏感。例如，直接观察日光灯管的一端，不会看到50Hz的闪动，而用余光观察，一般可以看到闪动。在比较黑暗的地点，例如在亮度为0.01尼特的情况下，视锥细胞就不再起作用，只能是分布广而相对稀疏的视杆细胞起作用，因此人眼的分辨能力大为下降，中心黄斑部分视力下降到0.05，反而不如黄斑以外（因为中心黄斑几乎没有视杆细胞），非黄斑区域视力基本不变，最好视力在黄斑边缘附近，大约偏离中心15度左右，为0.1。这时的视力，称为暗视觉。但由于视杆细胞只有一种，因此是分辨不出物体颜色的，因此我们观察星云时（其表面亮度大多在0.01尼特以下），看不出颜色。有关视力与亮度之间的关系，是逐渐变化的，见本文章的第四部分。人眼的这个视觉曲线，是与感觉细胞的密度直接相关的，换句话说，视力曲线上的某一点与视网膜上相应的感觉细胞的密度有换算关系。从另外一个角度来看，由于在5尼特的亮度情况下人的瞳孔直径约为2.5mm，因此，根据瑞利判据，其理论分辨力为140/2.5=56角秒，这与人眼中心的最佳视力是非常匹配的。但是，若光线变暗，瞳孔直径会变大，尽管理论分辨能力也会提高，但人眼光学系统不是理想系统，像差会随光圈的增大而加大，不过恰巧人眼的后部感觉细胞在这个时候分辨能力也随之下降，因此感觉不到这样的像差。这一巧妙的配合，是眼睛在长期进化的过程中适应的。3、视觉角度人的眼同时可以看到前方物体的角度，称为视角。从小到大排列，共有5小类：A、单眼视角。一只眼睛，看正前方，眼球不可转动，头向前方不可动。则（以右眼为例）上面可见50度，下面70度，左边60度，右边100度。B、同上，但头可以动。这样，可以比较完整的表现眼球的视觉范围而把眼框、鼻子的遮挡去掉。其结果是，上面可见55度，下面75度，左边60度，右边100度。奇怪的是，左右角度没有变化。C、同A但为双眼视角。则上下角度一样（共120度），左右分别为100度（共200度）。D、同B但为双眼视角。则上下角度一样（共130度），左右分别为100度（共200度）。E、单眼视角，眼球可以转动，但头不可动。则（以右眼为例）上面可见70度，下面80度，左边65度，右边115度。F、双眼视角。同上但为双眼，则上下一样（共150度），左右分别为115度（共230度）。G、注视视角。双眼，头不可动，眼球可以转动，视觉中心可以到达的范围。上面40度，下面50度，左右各55度在这些视角中，C代表不经意可以见到的最大范围，用于作为动物本能的“防范”；F代表头不动时可以察觉到的最大范围，用于动物本能的“进攻”。4、视觉曲线人眼的视觉曲线是指对于不同波长（不同颜色）的光，主观亮度的相对值曲线。如右图，右边的曲线称为明视觉曲线，是在明亮的环境下（5尼特）的光谱响应。可以看出，人眼最灵敏的点是在555毫微米的黄绿色光。对于475毫微米的蓝色光和650毫微米的橙红色光，需要10倍的强度才能引起与这黄绿色光相同的亮度感觉，而对于685毫微米的红色光，灵敏度就更下降到1%了。左边的曲线，被称为暗视觉曲线，是在0.001尼特以下的亮度下测定的。可以看出，峰值已经转移到510毫微米的绿色光，相应10%灵敏度的点分别为420毫微米和585毫微米。这是杆状细胞在起作用。四、人眼视觉特性与各种外界条件的关系1、视力与亮度的关系视力随着被观测物体的亮度变化是非常显著的。在一般情况下，视力随亮度的增加而提高。右图为亮度与视力关系曲线，横轴为亮度（尼特），纵轴为白地黑圈兰道尔环视力。可以看出，直到3000尼特，视力都在随亮度而上升。而且，从0.1至300尼特的亮度范围内，视力与亮度的对数成正比（直线关系），这符合韦伯-费希纳定律。我们往往在看细小物体时要走到窗前就是这个道理。这也说明，晚间看书写字时，保持一定的照明是非常必要的，避免由于亮度降低而引起的视力下降，进而必须把书本移近眼睛才能看清楚，这样时间长了就会导致近视。从图上也可以看到，在0.01尼特以下的亮度，人眼的视力将变得很差。不幸的是，大多数星云的表面亮度都小于0.01尼特，在这种情况下人的视力只有大约0.14，即只能分辨出7角分（而不是平常所说的1角分）的物体。因此，我们在直接观察星云时，需要大的口径，以便在保持亮度的基础上有一定的放大倍数，才能观测到细节。2、反差对比识别与亮度的关系把两个不同亮度的物体相临的放在一起，为了区分它们的不同，其亮度应该有一定的差异，小于这个差异，就区分不出来。当亮度大于1尼特时，只要有1.5%或更小的亮度差异，人眼就可以分辨出来。在0.1尼特时，需要5%的差异才能分辨，在0.01尼特时，需要10%的差异，在1毫尼特时，需要25%的差异，而0.1毫尼特就需要60%的差异了。到了最极限的情况，就是一个全黑的物体和一个30微尼特的物体，人眼刚刚能够分辨，因此，这30微尼特也就成为人眼绝对灵敏度的一种表示方法。3、视力与观察时间的关系视觉并非是一瞬间的事情，为了清楚的看见物体，需要有一定的时间。与相机一样，如果露光时间不够，则视力下降。一般来讲，越亮的物体，就可以曝光时间越短。5尼特亮度的物体，至少需要1/10秒才能达到1.0的视力，曝光1/25秒只能达到一半的视力，而1/50的曝光视力只有0.1。对于暗物体，一般需要成反比的加大曝光时间才能够分辨。4、视力与明暗适应的关系我们都有过从亮