人眼视觉特性(HVS) ZZ

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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(Mutifrequency channel decompositon )。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。
 

 

人眼在可见光谱范围内的视觉灵敏度是不均匀的,它随波长的变化而变化。

1.1色觉向度

光波具有三种可以量化的物理学向度，那就是波长 波幅和纯度。所谓纯度是指同
一束光所含光波的种类数。如果该束光只含有一种光波，即为同质光。若含两种以
上的光波，就称为异质光或多彩光。
当人眼睛的视网膜受到光的刺激时，所引起的色觉经验具有三种心理性向度，即
色彩亮度和饱和度。 
色彩之不同，取决于光的波长，而亮度的高低则与光的波幅成正比，但也与光的波
长有关。在白天，波长550nm左右的光最亮，而在夜晚，波长510nm左右的光最亮
饱和度是指颜色的纯度。其饱和度越大，其色彩越鲜艳，反之，越灰暗。

1.2人眼对光谱的灵敏度

在人眼的视网膜上有两种视觉细胞，即锥状细胞和杆状细胞。锥状细胞不但可以接
受色彩的刺激，还可以感受亮度的刺激。所以，在白天书画光下，人眼可以同时识
别彩色与非彩色的物体，但到了夜间或暗处，锥状细胞即失去感光作用,视觉功能由
杆状细胞取代.此时，人眼便无法感觉彩色，仅能辨别白色和灰色。

1.3明视觉 暗视觉与中介视觉

明视觉
在环境亮度大于10cd.m-²时,视觉完全由锥状细胞起作用,最的的视觉响应在光
谱蓝绿区间的555nm处,在这样亮度的环境中的视觉特性称为明视觉。

暗视觉
在环境亮度低于10-²cd.m-²时,锥状细胞失去感光作用,视觉功能由杆状细胞取代,
人眼失去感觉彩色的能力，仅能辨别白色和灰色.在这样亮度的环境中的视觉特性
称为暗视觉.

中介视觉
当景物的亮度增加到10-²cd.m-²以上时,除明亮度增加外,还可以发现三个
效应。首先，中心凹的察觉开始变得和边缘部分的察觉一样容易。其次，可以感觉
到颜色，开始时弱，其后增强。第三，随着亮度的变化，锥状细胞和杆状细胞对视
觉的作用也随之发生变化。

1.4明适应 暗适应和比视感度
明适应
人由暗处走到亮处时的视觉适应过程，称为明适应。
当人由暗处走到亮处时，人眼一时无法辨认清物体，需要大约一分钟的调整适应时
间，其调整过程分为三个阶段：
(1)瞳孔缩小，减少光线的进入。
(2)锥状细胞敏感度逐渐增加。
(3)杆状细胞敏感度迅速降低。

暗适应
人由亮处走到暗处时的视觉适应过程，称为暗适应。
当人由亮处走到暗处时，人眼一时无法辨认物体，需要大约三十分钟的调整适应时
间，其调整过程也分为三个阶段：
(1)瞳孔放大，增加光线的进入。
(2)锥状细胞敏感度减弱，感光度逐渐增加。
(3)杆状细胞敏感度迅速增加，以取代锥状细胞，担负视觉功能。

比视感度
可见光的波长约在380 至780 nm之间,其中黄绿色对人眼的视觉感度最高,设定为
100%,则波长为480nm的蓝色光和波长为650nm的红色光的比视感度就只有0.1左右
了,所以这两种光的视觉感度较差。
所以，在汽车防雾灯和道路照明中采用能发出黄绿光的光源，为的就是增加人眼
的视觉感度来提高照明亮度，从而保证安全行车。