2.2與顯示技術有關的視覺特性

2.2.1視覺適應能力2.2.2視覺的圖像分辨特性2.2.3視覺的時間特性2.2與顯示技術有關的視覺特性2.2.1視覺適應能力人眼能夠適應的亮度范圍大約為108:1能夠感覺到可見的最小亮度約為10-4~10-3cd/m2

數量級。在沒有造成永久損害的情況下，能夠感覺的最大亮度為105cd/m2數量級1.視覺的動態范圍與適應機能圖：視覺系統活動的明亮度范圍2.2與顯示技術有關的視覺特性

人眼睛看物體感到亮或不亮，這就是主觀亮度。這個主觀亮度與觀察者的生理和心理特性直接相關。此外，在客觀上也決定于眼睛視網膜上所接收到的光的照度。2.2.1視覺適應能力1.視覺的動態范圍與適應機能2.2與顯示技術有關的視覺特性視網膜上所接收到的光的照度：式中，EV——視網膜上的照度（lx）；

B——被觀察物體的亮度（cd/m2）；

T——眼睛的透射率，約0.55~0.75；

A——瞳孔的面積（m2）；

θ——光線的入射角；

K——常數=視網膜成像面積（m2）/視角場立體角（Sr）。2.2與顯示技術有關的視覺特性圖：瞳孔直徑隨亮度變化的曲線

圖：視覺的暗適應過程

人眼能夠適應的亮度范圍大約為108:1，之所以有這樣大的適應性，除了瞳孔的調節作用之外，主要是視覺細胞的調節作用。1.視覺的動態范圍與適應機能2.2與顯示技術有關的視覺特性

在日常生活中，當我們從明亮的地方進入黑暗環境，或突然關掉電燈，在最初的瞬間什么都看不見，逐漸地才適應了黑暗，從而區分出周圍物體的輪廓，這就是暗適應。

把這樣從明亮處向昏暗處移動時，視覺系統敏感度的逐漸變化稱為暗適應性。暗適應包括兩種基本過程：瞳孔大小的變化和視網膜上感光化學物質的變化。前面已經指出，當人從明亮的環境進入到黑暗的環境時，瞳孔的直徑可由2mm擴大到8mm，使進入眼球的光線增加10~20倍。這個適應范圍是很有限的，因此瞳孔的變化并不是暗適應的主要生理機制。①暗適應2.2與顯示技術有關的視覺特性

暗適應的主要生理機制是視覺的雙重功能的作用，是在黑暗中由中央視覺轉變為邊緣視覺的結果。在黑暗中，視網膜邊緣部分的桿狀細胞內有一種紫紅色的感光化學物質，叫做視紫紅質。在明亮環境下，視紫紅質因被曝光而破壞褪色。使桿狀細胞失去對亮度的感受能力。當進入黑暗環境時，視紫紅質又重新合成而恢復其紫紅色，是桿狀細胞恢復其對亮度的感受能力，故所謂視覺的暗適應過程是和視紫紅質的合成過程相對應的。一般暗適應在最初的10min內大約完成60%，30min內基本完成。①暗適應2.2與顯示技術有關的視覺特性

另外，紅光對桿狀細胞的視紫紅質不起破壞作用，所以紅光不阻礙桿狀細胞的暗適應過程。在黑暗環境下工作的人們，在進入光亮環境之前帶上紅色眼鏡，再回到黑暗環境時，他的視覺感受性仍然保持原來的水平不需要重新暗適應。所以重要的信號燈、車輛的尾燈等采用紅光也是有利于暗適應的。夜航飛機駕駛艙的儀表采用紅光照明既能保證飛行員看清儀表，又能保持視覺暗適應的水平，以利于黑夜觀察機艙外部的情況。①暗適應2.2與顯示技術有關的視覺特性

人們從黑暗處走到強光下，開始覺得炫目，睜不開眼睛，大約需要經過1min后才能看清楚周圍的物體。眼睛這種從昏暗狀態到明亮狀態變化的適應過程叫做明適應，在這過程中眼的感受度降低。明適應時，一方面瞳孔收縮可使落在視網膜上的光線量減少，這個過程可在3~4s內迅速完成。但主要是靠由暗適應時的桿體細胞的作用轉到錐體細胞的作用，它在暴露于光線1min之后便完成了。②明適應2.2與顯示技術有關的視覺特性

前面已經提到過人眼的亮度適應范圍達到8個數量級，如果要求顯示系統也要這樣大的亮度范圍實際上是辦不到的，也是沒有必要的。考慮到眼睛的亮度適應性，問題就簡單得多。因為眼睛已適應某一平均亮度的條件下，能分辨景象中各種亮度的感覺范圍就小得多。在任何給定的平均亮度下，人眼的亮度辨別范圍是有限的。在適當的平均亮度下，人眼的最大亮度辨別范圍可達1000:1。當平均亮度很低時，人眼的亮度辨別范圍僅為10:1。③亮度適應性2.2與顯示技術有關的視覺特性③亮度適應性2.2與顯示技術有關的視覺特性

人眼的亮暗感覺是相對的。人眼可以在相當寬的一個亮度范圍內工作，但是卻不能同時感受到所有的亮度。利用這一點，我們不需要恢復景物的真實亮度，也能給人同樣的亮度感覺。這一結論首先應用在電視系統中，在晴朗的白天用攝像機拍攝室外景物時，可分辨的亮度范圍約為200~20000cd/m2，低于200cd/m2

的亮度都引起黑色的感覺。利用眼睛的視覺適應性，把攝制的景物在一個具有2~200cd/m2亮度范圍的電視接收機屏幕上重現出來，在平均亮度較低的室內觀看，那么人的主觀感覺與實際景象基本上是相同的。因此主觀亮度感覺主要由對比度和亮度層次決定，而不是由絕對亮度決定。③亮度適應性2.2與顯示技術有關的視覺特性

人眼對亮度的響應具有對數非線性性質，以達到其亮度的動態范圍。由于人眼對亮度響應的這種非線性，在平均亮度大的區域，人眼對灰度誤差不敏感。Photopic(亮適應)(暗適應)(炫目極限)Brightnessadaptationlevel亮度適應級Brightnessadaptationlevel亮度適應級Brightnessadaptation(亮度適應)2.2與顯示技術有關的視覺特性2.亮度的感覺1）明暗感覺與亮度之間的關系①明暗度的分辨閾值與韋伯-費希納法則

光強分辨力的典型韋伯比2.2與顯示技術有關的視覺特性你能看出亮度變化量I?越小越好E.H.Weber,1834韋伯率越小，亮度區分能力越強柱狀細胞(暗視覺)錐狀細胞(亮視覺)Brightnessdiscrimination(亮度區分)2.2與顯示技術有關的視覺特性②斯蒂文斯（Stevens）的指數法則2.2與顯示技術有關的視覺特性同時對比度現象2.亮度的感覺2）對比度的感覺①明亮的對比②明亮的恒定性2.2與顯示技術有關的視覺特性2.2與顯示技術有關的視覺特性同時對比度現象2.2與顯示技術有關的視覺特性2.2與顯示技術有關的視覺特性

人類感知現象的其他例子，光學上的錯覺，此時眼中充滿不存在的資訊或對物體的幾何性質感受錯誤。如圖2.2與顯示技術有關的視覺特性2.2.2視覺的圖像分辨特性單色LED顯示屏中的像素雙色LED顯示屏中的像素2.2與顯示技術有關的視覺特性①視角通常所說的視力就是指眼睛分辨物體細節的能力，其大小是以被觀察對象的大小對眼睛形成的張角來表示的，這個張角又叫做視角。視角的大小決定了被觀察物體在視網膜上成像的大小。視角的大小既決定于物體本身的大小，也決定于物體與眼睛的距離。眼睛能分辨被看目標物最近兩點的視角，稱為臨界視角。2.2.2視覺的圖像分辨特性1.圖像分辨能力與視力2.2與顯示技術有關的視覺特性顯示屏A、B兩點之間的距離為d，觀察者眼睛角膜到顯示屏的距離為D，眼睛觀察A、B兩點所形成的張角為α，由圖中的幾何關系有視角圖解當α很微小時，，上式近似成上式中α的單位為rad（弧度），若以度或分為單位，則可以表示成①視角2.2與顯示技術有關的視覺特性②視覺銳度

人通過視覺器官辨認外界物體的敏銳程度稱為視覺銳度，亦即用視覺銳度來表示視覺器官辨認外界物體細節的能力，通常情況下就叫做分辨力。一個人能辨認物體細節的尺寸愈小，其視覺銳度就越高；反之，視覺銳度就愈差。眼睛對物體細節的辨認主要是錐狀細胞起作用，只有在較高亮度條件下才能得到較高的視覺銳度。2.2與顯示技術有關的視覺特性

視覺銳度（V）在數量上是以視覺器官所能分辨的、以角度分為單位的視角的倒數來計算的，即將代入，可得②視覺銳度2.2與顯示技術有關的視覺特性

視覺銳度在醫學上叫做視力。醫學上常用蘭道爾環或“E”型視標檢驗人的視力。我國是在以5米遠的標準距離處，在正常照明條件200±100lx）下，觀察視力表的視標來確定視力的。若只能看清第一行視標（10′視角），則視力為0.1；看清第二行視標（5′視角），則視力為0.2；看清第十行視標（1′視角），則視力為1.0等等。檢驗視力用的視標②視覺銳度2.2與顯示技術有關的視覺特性視覺銳度的決定因素：1）與觀察距離有很大的關系。2）與物體在視網膜上成像的位置有關。3）和照明強度也有關系。4）與景物和背景亮度的相對對比度有關。5）被觀察物體的運動速度。②視覺銳度2.2與顯示技術有關的視覺特性

影響人眼分辨力的因素很多，眼睛的橫向抑制效應是影響人眼對圖像亮度細節分辨力的一個決定性因素。

2.邊緣強調效果與側抑制2.2與顯示技術有關的視覺特性2.2與顯示技術有關的視覺特性

橫向抑制效應有效地解釋了很多以前不能解釋的有關人眼分辨力的現象。解釋了為什么當空間頻率低到某一數值后，分辨力反而下降。解釋了為什么人眼的分辨力實際上要比計算值低。解釋了馬赫光帶效應。

馬赫帶：指人們在明暗變化的邊界，常常在亮區看到一條更亮的光帶，而在暗區看到一條更暗的線條。2.2與顯示技術有關的視覺特性著名的馬赫帶效應，ErnstMach,1865年

人們在觀察一條有均勻黑的區域和均勻白的區域形成的邊界時，人們感覺到的是在亮度變化部位附近的暗區和亮區中分別存在一條更黑和更亮的條帶，這就是所謂的“Mach帶”，馬赫效應。

Mach在1865年觀察并討論了這種現象。輸入圖像是階梯邊緣模式，并且每級階躍的灰度差相同、在同級條帶內灰度均勻的情形下，人們在觀察時卻感到每個條帶內灰度是不均勻的，每級階梯的右邊比左邊更暗，這是因為對階躍邊界處主觀的反差顯著地增強了。2.2與顯示技術有關的視覺特性3.視覺的空間頻率響應特性

1）空間頻率的概念：物理量（亮度等）在單位距離內周期性變化的次數。即（周/米）其中，表示亮度信號在x方向的空間頻率；

x是空間變量；代表亮度信號在x方向上的相位變化。注意：自變量是空間距離。波長與空間頻率的關系是：（米/周）注意：這里的波長λ與時間頻率中的周期T相對應，它與光波中的波長λ是不同的。2.2與顯示技術有關的視覺特性

以一明一暗的黑白條紋為例，如果黑白條紋的亮度在1cm內變化了10次，那么它的空間頻率為周/米。2.2與顯示技術有關的視覺特性

將空間頻率用每度多少周來表示。這里的度是幾何角度單位。這樣表示的空間頻率可以理解為從某一觀察點來看，信號在單位角度內周期性變化的次數，即（周/度）其中，為角度；代表亮度在角度方向上的相位變化。空間頻率的單位：周/米、周/度

2.2與顯示技術有關的視覺特性兩種單位之間的轉換：假設，則：式中，的單位為弧度。因為信號在s長度內變化的周期數等于在角度內變化的周期數，故：式中的下標m和d分別用來區別自變量為長度單位的米和角度單位的度。將代入上式，可得（周/度）r2.2與顯示技術有關的視覺特性2）人眼分辨力的空間頻率響應縱坐標：調制傳輸函數(MTF)，代表空間頻率域的傳輸特性。實線：表示人眼對亮度細節的分辨能力虛線：表示人眼對彩色細節的分辨能力人眼對于5~10周/度的空間頻率分布最高。人眼能夠辨別的最高空間頻率約為50周/度。2.2與顯示技術有關的視覺特性2.2.3視覺的時間特性1.時間的疊加效果（時間積分效果）2.時間頻率特性2.2與顯示技術有關的視覺特性3.視覺惰性與閃爍

眼睛的另一重要特性是視覺惰性，也就是眼睛對亮度的主觀感覺與外界光的作用時間有關。這一現象可以通過光化理論得到解釋。因為視覺細胞在外界光的作用下其視敏物質經過曝光染色是需要時間的，因此極短的光脈沖給我們的感覺不如亮度相同的恒定光那么亮；另一方面，當外界光消失之后，我們的亮度感覺還會殘留一段時間，這個現象稱為視覺惰性。視覺惰性能夠被加以利用的關鍵原因在于在外界光脈沖的作用之下，亮度在眼睛里建立得快、消失得慢，這個現象叫做視覺殘留。在中等亮度的光刺激下，視力正常的人視覺殘留時間約為0.1s。2.2與顯示技術有關的視覺特性

人眼的視覺惰性

圖(a)表示作用于人眼的光脈沖，圖(b)表示該光脈沖造成的主觀亮度感覺。當光脈沖作用于視網膜上時，不能在瞬間形成穩定的主觀亮度感覺，而是按近似指數規律上升；當光脈沖消失后，亮度感覺并不立即消失，而是按近似指數規律下降。圖(b)中t3～t4就是視覺殘留時間。2.2與顯示技術有關的視覺特性

視覺惰性，是現代電影和電視的基礎。電影和電視都是將一幅幅靜止的畫面以一定的頻率在銀幕或屏幕上輪流顯現出來，只要靜止畫面在顯現時每兩幅之間的時間間隔小于視覺暫留時間（約0.1s)，這時人眼觀看的雖然是一連串的靜止畫面，但前一幅畫面的印象尚未消失，后一幅畫面的印象又開始建立，前后畫面在視覺上融合銜接在一起，因此人眼感覺到畫面不是斷續出現而是連續出現的。2.2與顯示技術有關的視覺特性臨界閃爍頻率（CriticalFusionFrequency，CFF）

人眼受到頻率較低的周期性的光脈沖刺激時,會感到一亮一暗的閃爍現象，如果將重復頻率提高到某個定值以上，由于視覺惰性，眼睛就感覺不到閃爍了。不引起閃爍感覺的光脈沖最低重復頻率，稱為臨界閃爍頻率。

在CRT顯示系統中，熒光粉本身也有一定的惰性。其表現為：當受到電子束轟擊時，其光輸出按指數規律較快地增長到最大值；當電子束停止轟擊時，其光輸出并不立即停止，而是按指數規律慢慢地衰減。這種