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前面我们有讲到，光、色彩、人眼的视觉特性是讨论学习视频信号的基础，上一节我们初步了解了一些关于光学的基础知识，这一节我们学习一下人眼的视觉特性相关的知识。见下图是人眼的基本结构：

视觉是外界光刺激作用于人的视觉神经而产生的主观感觉。光和色本质上是一回事，色是光的一种形式，色既是客观物质，又是人眼对客观物质的视觉反映，色觉是视觉的一种特性。

人类的视觉系统已经积累了在各种不同条件下识别不同物体的大量经验。同时，眼和脑已经形成了识别图像与物体的对应关系。因此，图像与视觉有着对应关系。图像系统的设计、图像质量的评定都依赖于视觉特性。这些特性包括人眼对亮度（或照度）的响应与适应特性、对比度特性、空间频率特性和时间特性等。

视觉有三种特性，从描述视觉特性的心理物理量来看，它们是亮度、主波长、纯度；从相应的心理量来看，它们是明度、色度、饱和度。亮度表示光的强度。物体表面或光源的亮度越高，人感觉到的明度就越高。但二者的关系并不固定；光谱是由不同波长的光组成的，不同波长所引起的不同感觉就是色度；纯色是指没有混入白色的窄带单色光，在视觉上就是高饱和度的颜色。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色。当光谱色搀入白光成分越多时，就越不饱和。

人眼的亮度感觉（Visual brightness），眼睛在观察景物时所得到的亮度感觉称为视亮度，它并不直接由景物的亮度决定，还与周围环境亮度有关。人眼的视觉范围很宽，约为10^-2~ 10^6 cd/m2, 因为眼睛的感光作用会随外界光的强弱而自动调节，这称为眼睛的适应性；另一方面当环境亮度一定时，眼睛的视觉范围又很小，例如白天的视觉范围是200~20000cd/m2,而在傍晚的视觉范围是1~200 cd/m2，故我们说眼睛的明暗感觉是相对的。所谓明视觉，指的是人眼在白天对各种波长的光的敏感程度，

明暗视觉(Photopic vision and Scotopicvision)；在白天正常光照下人眼对不同波长光的敏感程度，称为明视觉响应，也称日间视觉，用明视觉光谱光效率函数描述。这个时候，它主要由锥状细胞起作用，既产生明暗感又产生彩色感。当光线暗到一定程度时，只有杆状细胞起作用，分辨不出颜色，只能反映出明暗程度。这叫暗视觉，也称夜间视觉，是人眼在夜晚或微弱光线下对光的敏感程度。

亮适应指的是当视场亮度从暗突然变亮时的适应过程，亮适应过程所需的时间大约为2～3分钟；所谓暗适应，是指人眼对视场亮度从亮突然变暗的适应过程，暗适应过程大约需要30～45分钟。

下图是明暗视觉的光谱效率曲线：

杆体细胞光敏感度比锥体细胞高500倍，所以人的眼睛对亮度变化比色彩变化更敏感。见下图：

实验表明，人眼觉察亮度变化的能力是有限的，而且对不同亮度L能觉察的最小亮度变化也不同。△Lm是人眼刚好能区分中央小块和背景时二者的亮度差别，称为可见度阈值，或亮度辨别阈值。在一定的亮度L下，人眼可察觉的最小相对亮度变化ΔLmin/L近似为一常数，称为相对对比度灵敏度阀或费赫涅尔系数。ξ=ΔLmin/L（一般为0.005～0.02）。人眼的亮度感觉差别决定于相对亮度变化，亮度感觉S与亮度L的对数成线性关系，即亮度增加到10倍，亮度感觉才增加1倍。这一规律称为韦勃－费赫涅尔定律（Weber-FechnerLaw），即S=k*lg(L)+k0。     

实际中，大多数的目标都处于不均匀的背景中，背景的亮度随时间和空间的变化而变化，在这种情况下，可见度阈值将会增大。这种现象称为视觉掩盖效应。而且，我们还发现，同一亮度下，所处的视觉范围不同，相对亮度感觉也不相同。

人眼的明暗感觉是相对的，并不由绝对亮度来决定。重现的图像亮度无需与景物的实际亮度相等，只需保持二者的对比度C不变，在屏幕前人眼就可以获得与景物相同的主观亮度感觉。最大亮度Lmax与最小亮度Lmin之比为对比度C。另一方面，人眼不能辨别的亮度差别无须传送；综合上述，应做到对比度与亮度层次相同。正是由于人眼觉察亮度差别能力有限，也就是说，人眼能够区分的亮度层次是一个有限量，因此，对视频信号的数字化时，量化级数就是根据这一特性决定的。

下图所示为主观亮度感觉和亮度的关系曲线。图中虚线和实线分别表示人眼适应了平均亮度后，人眼能分辨景物中各种不同亮度的视觉范围大大减小了。而且，我们还发现，同一亮度下，所处的视觉范围不同，相对亮度感觉也不相同。这就说明了人眼的明暗感觉是相对的。

人眼是一个光学系统，许多学者在各自不同的实验研究中都已证明，人眼等效为一个空间频率滤波器。说得更准确些，即当空间频率较低或空间频率较高时，该滤波器的响应都将降低。因此，它是一个带通滤波器。

人眼的分辨力是用来描述人眼对景物细节的分辨能力的。在讨论分辨力之前，先引入两个参量：视角α和视敏角θ。如图所示，人眼在距离为D的位置观察物体h，h对人眼所形成的张角称为视角，用α表示。如果物体h的高度减小，或者观察距离加大，直到人眼刚好能分辨出这个物体，则此时的视角称为视敏角，用θ表示。显然，视敏角是最小的视角。

人眼分辨细节的能力越强，θ就越小。眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值，我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力。习惯上，用1/θ来表征人眼的分辨力，也叫视觉锐度。它的量纲是1/分。人眼在日间视觉下，视敏角大约为1’~ 1.5’ 左右。这个值对电视系统扫描行数的选择提出了基本的要求。

人眼的分辨力会因为所观察的景物内容和观察条件的不同而不同，讨论影响分辨力的因素对于指导视频信号处理是有意义的。当照度较低时，有效光子数减少，人眼的光敏细胞受到的光刺激的强度小，且只有杆状细胞起作用，分辨力就会降低。然而，当照度太高时，由于人眼产生了“眩目”，分辨力反而会下降。人眼的分辨率还和景物的相对对比度Cr有关，Cr =(L-L0)/L0×100%，，L为物体的亮度；L0为背景亮度。相对对比度值Cr越大，分辨力也就越高。

从日常生活中的许多现象都能证实到如下结论，人眼对静止物体的分辨力高，对运动物体的分辨力低。运动速度越快，分辨力越低。人眼对运动物体的分辨角值约是静止物体的5倍，即大约7.5’，这个数值关系到人眼对运动物体的连续平滑感，要求图像在相继两次呈现之间运动物体的相对位移对人眼的张角不超过7.5’，从而对图像的换幅频率提出来要求。对于水平方向的平移运动和垂直方向的平移运动，前者的分辨力高是因为眼球左右移动方便，容易跟踪物体运动，使水平移动的物体始终在黄斑区成像。对于旋转运动的物体，由于眼球不易旋转跟踪，故分辨力低。

实验表明，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。人眼对彩色的分辨能力远比对黑白的分辨能力低。因此，彩色电视系统在传送彩色图象时，细节部分可以只传送黑白图象，这就是利用大面积着色原理节省传输频带的依据。实验还表明，人眼分辨彩色色调变化的能力也较差，且随波长改变，在500nm区域分辨能力较强，而在红色末端区域分辨力较差。

当一定强度的光突然作用于人眼时，将产生过渡响应特性；主观亮度感觉的建立过程是由小到大，达到最大值后再降到一个稳定值的过程。日常生活中的报警灯常采用断续发光或者脉冲光，正是利用了这一视觉特性。在视频信号传输过程中，脉冲噪声引起干扰，反映在图像上的能见度大，也是由这种视觉特性决定的。因此，在视频处理中，比较重视消除脉冲干扰噪声。如果作用于人眼的光突然消失，则主观亮度感觉并不会马上消失，还要滞后一段时间才慢慢消失，它是按近似指数规律下降的。人眼的主观亮度感觉总是在时间上滞后于实际亮度的改变，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。视觉暂留时间在0.05~0.2秒之间。实验表明，如果景物以间歇性光亮重复呈现，只要重复频率大于20赫兹，视觉上始终保持留有景物存在的印象（活动图像的帧率至少为15fps时，人眼才有图像连续的感觉;活动图像的帧率在25fps时，人眼才感受不到闪烁。）人眼感觉的连续性是活动画面有连续感的前提。在荧光屏幕上，像素是按照一点顺序轮流发光形成的，然而人们看到的是完整的画面在整体发光，获得一幅幅连续画面的印象的感觉，这个就是视觉暂留效应的结果。

人眼的视觉暂留特性表明了人眼的时间分辨力有限。若以适当频率对静止画面换幅，则静止画面就可以变成连续的活动图像，从而，就产生了电影。但是，当频率选择不当时，人眼在周期性的光脉冲刺激下，产生一明一暗的感觉，这种现象称为闪烁。不产生闪烁的最低重复频率称为临界闪烁频率，用fc表示。临界闪烁频率fc的值和很多因素有关，脉冲光源的实际亮度Lm影响较为明显，有如下经验公式,其中，a和b是和许多因素有关的参数。

对于荧光电视屏幕，a=9.6,b=26.6，得出fc≈45.8Hz，这就是电视图像不闪烁的最低重复频率，他对电视视频信号的场频的选择提出了基本要求。然而，若将屏幕亮度加大，或者当显示高亮度的外景（如雪场滑雪）时，此时的fc就可能大于视频信号的场频，，所以就产生闪烁。实验表明，fc除了和光脉冲亮度有关，同时还与其他因素有关。例如，随着观察距离增加，fc降低；反过来，当观察距离越近，人眼越易感觉到闪烁。又如，fc随屏幕面积增加而提高。此外，画面色调也影响fc，一般说来，蓝色光栅的fc较低，红色次之，黄色光栅所对应的fc较高。

另外，人眼的视觉特性还包括：

视觉连带集中，人眼一旦发现缺陷，视觉立即集中在这片小区域，密集缺陷比较容易发现。视觉的心理学特性，视觉过程，除了包括基于生理基础的一些物理过程之外，还有许多先验知识在起作用。这些先验知识被归结为视觉的心理学知识，它们往往引导出现视错觉。

对于人眼对颜色的特性，将在下一小节讨论色度学时讨论，比如眼睛对同一彩色光在不同彩色背景下会产生彩色视觉偏差，这种现象称为色调对比效应。