第2节视觉一．电磁波和人眼光波是电磁波的波长

　　第2节视觉一．电磁波和人眼光波是电磁波电磁波的波长从1014米doc

　　视觉一．电磁波和人眼光波是电磁波。电磁波的波长从10-14米宇宙射线米（交流电导线辐射），范围很大。光波只是电磁波中很小的一部分（图02-02-1）。人通过眼睛接收光波，产生视觉。（a）电磁波谱（b）可见光谱图02-02-1电磁波谱及可见光谱人的眼睛是一个直径为2.5厘米左右的近似圆球的球体（图02-02-2）。眼球前部凸起的部分是角膜，这是一层隔膜，为保持良好的光学特征，它上面没有血液供应。角膜与眼球内部的晶状体一起作用后，可将图像聚焦在玻璃体后部的光敏层上。眼睛可适应（或者说可聚焦）不同距离的图像，这是因为晶状体不是僵硬的，而是柔软的。晶状体的形状可由睫状体肌肉通过悬韧带进行调节，看远处物体时，晶状体被压扁，看近处物体时，晶状体被放松。虹膜就是从外部看上去眼球有颜色的那一部分，是一个位于晶状体前面的环形隔膜。虹膜是眼睛的孔径，其中心开放部位称为瞳孔，虹膜可控制通过瞳孔进入眼球的光量。图02-02-2人眼横断面示意图从生理上讲，眼睛可比作一个照相机，因为它们都包含一个暗箱，一端打开让光线进入，还包括一个可变组合镜头，用于将图像聚焦在暗箱后壁的光敏物质是视网膜。视网膜在眼球后部，主要由三层构成：神经节细胞，形成视觉神经，视觉信号通过视觉神经传送到大脑的视觉处理部位。在单个视网膜上约分布有1亿个原柱形的柱体细胞和6百万个球性的锥体细胞。锥体细胞只在白天的光线条件下活跃，它使我们能看到无色信息（白、黑和灰，又称为亮度信息）和彩色信息。柱体细胞主要在亮度较低的情况下起作用，它只能使我们看到亮度信息。所以我们要从主要集中在黄斑区的视网膜中心区域上的锥体细胞上寻求彩色视觉的机能。人眼只能感觉从大约380nm到大约780nm波长范围的光波。人眼对光的感觉是视觉系统自身的能力。彩色视觉也是知觉系统的一个功能。二．视觉心理学（一）光亮度的知觉所谓光亮度，就是人对光的心理感受程度。作为物理量，一方面，它与光强度对应；另一方面，它与光波长和眼的感受能力也有关系。人要感知光的存在，必须要有一定量的光进入眼中，这种最小光量叫光觉阀，其光的波长、光刺激的持续时间、光刺激的面积，以及光在视网膜上的位置等都能影响这个值。例如设刺激面积为A，光觉阀为I，A小时则下式成立IA常数(02-02-1)此为里克(Ricco)法则；A大时则下式成立IA1/2常数(02-02-2)此为派伯(Piper)法则。与刺激时间T的关系，在T值小时则下式成立常数(02-02-3)若刺激时间长时下式成立常数(02-02-4)光还有一个辨别阀，它是区分明亮度差所需的最小光量度，其最小值为I，其值根据当时的光强度I不同而不同。图02-02-3是以log(的关系绘制的例子。图02-02-3亮度相对辨别阀I/I与亮度I的关系此图表示随着I的增大，虽然减少，但当I大到一定程度时，接近一定值。另外logI附近是不连续的，这是因为锥体视与杆体视交替的缘故。光辨别阀与光觉阀一样也受刺激面积与刺激持续时间的影响，辨别阀I与刺激面积A之间的关系用式(02-02-1)及式(02-02-2)表示。另外，辨别阀I与刺激持续时间T之间的关系用式(02-02-3)及式(02-02-4)表示。人在心理上感觉到的光亮度并不单单决定于光的物理量，也受当时地域周围环境状况的影响。光亮度与反差的关系，一个典型的例子就是马赫现象，如图02-02-4所示。图中点线所示为光强度的分布，若上述现象实现点线的光强度分布，则人所能感到的光亮度为用实线表示。这就好像一个带子，所以被称为马赫带(Machband)。图02-02-4马赫带（二）彩色视觉牛顿早已经发现太阳光经过一个棱镜后会分解成多色光带，称为光谱（图02-02-5）。我们可感受光谱中红、橙、黄、绿、蓝、靛和紫七种不同的色光。图02-02-5光谱我们能将这些光带区分开来，因为每个光带都代表一个特定的波长。我们看到物体是彩色的，因为它们反射了一个具有特定波长范围的光。我们可以感觉到各种不同波长的颜色，因为锥体细胞中包含三种光敏化学物质，每一种都在光谱中有一个大的敏感区。可以将这一点想象成三个分开但又相互重叠的光化学处理：一个低频（长波长）红色处理，一个中频绿色处理，一个高频蓝色处理。当某个特定频率的光进入视网膜后，就会有选择性地与能够区分频率的组织结构起作用（图02-02-6）。看到红色物体时，我们的长波长（低频）处理有一个高电平，而其他两个处理都是低电平。蓝色物体则会刺激短波长（高频）处理。看到的物体具有中间色（比如鸡蛋黄的颜色）时，我们感受到的是由频率选择机构的重叠特性造成的两个化学处理的混合体。这种情况下，来自鸡蛋的黄光同时刺激了长波长的红色处理和中波长的绿色处理。由于人类具有三个分开的彩色视觉处理，所以我们属于三色视觉者。图02-02-6锥体细胞的频率选择效应锥体细胞包含三种化学物质，因此，我们只用三种颜色（称为三基色）的组合就能看到所有颜色（图02-02-7）。电视选择红、绿、蓝三基色，就是因为这三种颜色中的每种都只对锥体细胞中的一种光敏化学物质产生刺激。图02-02-7三基色另外还有叫作反相色的三个对称组，即蓝-黄，红-绿，黑-白，并被称为知觉系统。它们的输出组合构成了色觉。有很多事实证明这种说法。例如，若注视绿色，则它周围就会出现绿红色；同样，当注视黑色，则其周围就会出现白色。另外，当长时间注视蓝色，而再将眼睛移向白色时，就会看到的残留。对于这种现象可以这样解释：即被刺激的受信器产生疲劳的时候，若移动视线，则对应的另一方受信器就开始活跃地动作。这种设想已被人们接三原色说与反相色说并不是对立的，对视网膜的视细胞来说三原色成立，而在视网膜的输出阶段则反相色说成立。这已经成为一种定论。（三）视觉惰性与闪烁人眼的视觉有惰性，这种惰性现象也称为视觉的暂留。当一幅图像在眼睛中成像后，图像的突然消失并不会使视觉神经和视觉处理中心的信号也突然消失，而是发生一个按指数规律衰减的过程，信号完全消失需要一个相当长的时间。当人在黑暗中挥动一支点燃的香烟时，实际的景物是一个亮点在运动，然而看到的却是一个亮圈。如果让观察者观察按时间重复的亮度脉冲，当脉冲重复频率不够高时，人眼就有一亮一暗的感觉，称为闪烁；重复频率足够高，闪烁感觉消失，看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感觉刚好消失时的重复频率叫做临界闪烁频率。脉冲的亮度越高，临界闪烁频率也相应地越高。视觉惰性现象已被人们巧妙地运用到电影和电视当中，使得本来在时间上和空间都不连续的图像，给人以真实的、连续的感觉。在通常的电影银幕亮度下，人眼的临界闪烁频率约为46Hz。所以电影中，普遍采用的标准是每秒钟向银幕上投射24幅画面，而在每幅画面停留的时间内，用一个机械遮光阀将投射光遮挡一次，从而得到每秒48次的重复频率，使观众产生连续、不闪烁的亮度感觉。人们也曾作过用遮光阀将每幅画遮挡两次的实验，这时可以在不产生闪烁感觉的前提下将每秒钟投影的画面幅数减少到16，从而能够进一步缩 短电影拷贝所需的胶卷的长度。但是，每秒种投影16 幅画面时，对于速度稍高的运动物体， 由于前一幅画面和后一幅画面中的物体在空间位置上的差别过大，会产生像动画片那样的动 作不连续的感觉。 实验表明，人眼在高亮度下对闪烁的敏感程度高于在低量度的情况。对于今天的高亮 度的显像管而言，临界闪烁频率可能达到60~70Hz。 一般来说，要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒钟摄取的画面数约为25 左右， 即帧率要求为25Hz，而临界闪烁频率则远高于这个频率。在传统的电视系统中由于整个通 道中没有帧存储器，显示器上的图像必须由摄像机传送过来的画面刷新，所以摄像机摄取图 像的帧率和显示器显示图像的帧率必须相同，而且互相是同步的。在数字电视和多媒体系统 中，在最终显示图像之前插入帧存储器是很简单的事，因此摄像机的帧率只要保证动作连续 性的要求，而显示器可以从帧存储器中反复取得数据来刷新所显示的图像，以满足无闪烁感 的要求。现在市面上出现的100Hz 的电视机，就是用这种办法将场频由50Hz 提高到100Hz （三）形状和景深的知觉由视觉所感知的物体，不单由视网膜上形成的图像的外形决定。因为物体与大脑的高 级功能融于一体，实际上存在很多与外形和景深有关的有趣现象。如图02-02-8 所示，它是 很久以来所知道的有名的图形和背景的感知问题。在此图中，由于观看者的角度不同，结果 也不同。有的人看成是相互面对的人的脸形，有人看成是花瓶。 图02-02-8 图和底的反转图形 关于外形的感知，我们已知有很多错觉现象存在。例如在图02-02-9 (a)中，两根直线 其实是等长的，但人们往往认为下边的一根长；在图02-02-9 (b)中，人们总认为平行线的中 间部分有点鼓起来；图02-02-9 (c)中，虽然中间的两个圆大小都相同，但一般人总认为右面 中间的一个圆大。 （a）长度的感知 （b）平行度的感知 （c）圆的大小的感知 图02-02-9 错觉图形之例 人有几种途径获得视觉深度显示。第一类只需一只眼的眼力就可获得，称为单眼视觉 深度线索。单眼视觉线索的一种现象是熟悉的物体通过它的投在视网膜上的面积不同来展示 它们的远近，我们会产生标度失线 表现了这一现象。在该图中，我们 将后面的运动员剪下粘贴在前面，两个运动员实际上是一样大。很显然，我们无法只用单眼 视觉线索来判断我们不熟悉的“现实”中的物体的远近。单眼视觉深度线索中另一个重要的线 索是运动视差，它描述从一个车窗看出去时获得的熟悉的视觉感受；近处的物体——篱笆和 路标——飞快离去而远处物体几乎站着不动。透视学的艺术技巧正是利用了人的单眼视觉深 度线索。如果不是这样，那么欣赏油画、相片和电视就会变成一件不可理解的事情，因为即 便我们用两只眼睛去看相片或电视屏幕，看到的仍是相同的图像。 图02-02-10 标度失真 另一类深度线索依赖于双眼视觉，这是因为我们只有向前看的眼睛。当我们将视觉集 中在视野内的一个物体上时（定位），两只眼睛相互朝对方转动（会聚），以使物体在视网 膜上的图像落在每只眼睛的黄斑区。这时眼睛会无意识地调节晶状体的曲度以尽量保证图像 清楚，这个过程称为调节。图02-02-11 表示两只眼睛，它们的定位点为X，在中部位置。 会聚角表示为Ac，晶状体也可表征为一个定性的调节常数C。视野中还有两个物体f 一个在X之前，一个在X 之后（假使它们互不遮挡）。图中的射线表明了三个物体是如何 将三个分开的图像投射到视网膜的不同点上。注意，较远处的物体f 分别落在左眼的黄斑区