3.1.3 黑白视觉特性

1．视敏特性

视敏特性是指人眼对不同波长和光具有不同灵敏度的特性，即对于辐射功率相同的各色光具有不同的亮度感觉。在相同的辐射功率条件下，人眼感觉到的最亮的光是黄绿光，而感觉到的最暗的光是红光和紫光。视敏特性可用视敏函数和相对视敏函数来描述。

为了确定人眼对不同波长的光的敏感程度，可以在得到相同亮度感觉的条件下测量各个波长的光的辐射功率 Pr(λ)。显然，Pr(λ)越大，人眼对它越不敏感；反之 Pr(λ)越小，人眼对它越敏感。因此，1/Pr(λ)可用来衡量人眼视觉上对各波长为λ的光的敏感程度。1/Pr(λ)称为视敏函数（或视敏度、视见度），用K(λ)表示：K(λ)=1/Pr(λ)。

如上所述，在明亮环境下，人眼对波长为555nm的黄绿光最为敏感，这里可用K(555)=Kmax 来表示。于是，可以把任意波长光的视敏函数 K(λ)与最大视敏函数 Kmax 相比，将这一比值称为相对视敏函数，并用V(λ)表示。即

V(λ)=K(λ)/Kmax=K(λ)/K(555)=Pr(555)/Pr(λ)

显然，除555nm之外，各波长上的V(λ)都是小于1的数。通过对大量视力正常者的实验统计，可得到相对视敏函数曲线，如图3-4所示。由图可见，在辐射功率相同的条件下，人眼感觉555nm的黄绿光最亮，波长自555nm起向左和向右逐渐减小，亮度感觉逐渐下降。图3-4中右边的那条V(λ)曲线就是明视觉（在明亮环境中的亮度感觉）锥状细胞的相对视敏函数曲线，也称光谱灵敏度曲线或相对光谱响应曲线。图3-10中左边的那条V'(λ)曲线是暗视觉（在黑暗环境中的亮度感觉）杆状细胞的相对视敏函数曲线，曲线的最大值在507nm处。其曲线的变化规律与V(λ)基本相同。

2．亮度感觉和亮度视觉范围

1）人眼的感光作用具有适应性

适应性是指随着外界光的强弱变化，人眼能自动调节感光灵敏度的特性。这种适应性是由人眼瞳孔大小调节和视网膜的感光物质变化形成的：高亮度时瞳孔变小，进入视网膜的亮度减小，明视觉的锥体细胞起作用；低亮度时瞳孔变大，进入视网膜的亮度增加，暗视觉的杆状细胞起作用。人们由亮环境进入暗环境后，刚开始什么也看不见，过几分钟对暗环境适应后，才可能看清周围环境，这就是人眼适应性的例子。人眼可以感觉的亮度范围很宽，数量级从10-3cd/m2到106cd/m2，达109:1。

人眼的亮、暗适应性对电视系统的设计很有利，电视广播系统无需传送如此宽广的亮度范围，只要能正确传送图像一定范围的对比度就可以了。一般情况下，图像的亮度范围决定了景物的反射系数范围。在一定照度下最白的白石膏反射系数接近于1.0，最暗的黑丝线反射系数为0.01，所以被传图像的对比度不会超过100倍。为了不失真地传送图像，要求重现的电视图像对比度也为100，实际上由于环境光的影响，重现的图像对比度往往达不到100，一般能达到40～50就相当不错了。同时，长时间在高亮度、高对比度下观看电视，不仅对保护视力不利，而且会使图像临界闪烁频率增大，长此下去会引起恶心、头晕等感觉。

2）人眼的亮度视觉范围

人眼的亮度感觉不仅仅取决于景物本身的亮度值，而且还与环境亮度有关。例如同样亮度的路灯，在夜里感到很亮，而在白天却感到很暗。经实验测得，在平均亮度适中时，能同时感觉的亮度上、下限之比最大可能接近1000:1，而平均亮度过高或过低时，只有10:1。

例如，晴朗的白天，环境亮度为10000cd/m2，人眼可分辨的亮度范围为200～20000cd/m2，此时人眼无法分辨低于200cd/m2的亮度差异，而对于高于20000cd/m2的亮度差异，人眼感觉到的是相同的明亮。而当环境亮度为30cd/m2时，人眼可分辨的亮度范围变为1～100cd/m2。同样，低于1cd/m2或高于100cd/m2的亮度差异，人眼也无法分辨了。

现代电影胶片能够按正常比例关系记录景物的亮度范围为128:1，而电视摄录设备能按正常比例关系记录景物的亮度范围要低于这个值。

3）人眼的亮度可见度阈值

人眼对亮度变化的分辨能力是有限的，人眼无法区分非常微弱的亮度变化。通常用亮度级差来表示人眼刚刚能感觉到的两者的差异。所谓亮度级差是指在亮度 L 的基础上增加一个最小亮度ΔL，人眼刚刚能感到亮度差异，则ΔL 称为可见度阈值。不同亮度 L条件下，人眼能够察觉到的最小亮度变化ΔL 是不同的，ΔL 随着 L 的增大而增大。在相当宽的亮度范围内，ΔL/L 基本为一个常数，称其为对比度灵敏度阈。通常为0.005～0.02，当亮度很高或很低时可达0.05。

4）人眼视觉的掩盖效应

在空间和时间不均匀的背景中测量可见度阈值，可见度阈值就会增大，即人眼会丧失分辨一些亮度的能力，这种现象称为视觉的掩蔽效应。

5）亮度感觉与亮度的关系

人眼在适应了某一平均亮度后，就可在较小的亮度范围内产生黑白感觉，而且它与对比度灵敏度阈一样，不由绝对亮度决定，这种视觉特性给景物的传送和重现带来方便。无需重现景物的真实亮度，只需保证重现图像与实际景物在主观感觉上具有相同的对比度 C 和亮度级差数 n，就能给人以真实的感觉。例如，白天室外景物的亮度范围可能是200～20000cd/m2，而进行实况转播时，虽然电视屏幕上的亮度范围仅有2～200cd/m2，但观众仍可获得真实的主观感觉，这是因为对比度和亮度层次都相同。另外，人眼察觉不到的亮度差别，如过亮或过暗的部分，在重现图像时也无需精确复制出来。

3．对比度和亮度层次

景物或重现图像最大亮度 Lmax和最小亮度 Lmin的比值称为对比度，用 C 表示，即C=Lmax/Lmin。

画面最大亮度与最小亮度之间可分辨的亮度级差数称为亮度层次，也称灰度层次。在正常情况下，画面对比度越大，可获得的亮度层次越丰富。另外，人眼能分辨的亮度层次还与人眼对比度灵敏度阈有关。

亮度层次是图像质量的一个重要参数，亮度层次多，图像显得明暗层次丰富，柔和细腻；反之，亮度层次少，图像则显得单调生硬。亮度层次与对比度的对数成正比。因此，提高电视系统显示设备所能呈现的对比度是十分重要的。

电视图像的亮度是指图像的平均亮度。根据人眼视觉特性，并不要求电视图像恢复原来景物的亮度，这就给确定电视图像的亮度较大的自由度；但是不同的环境亮度要求电视图像具有不同的平均亮度，以保证重现必需的对比度和亮度层次（灰度），使人们长时间观看时不至于过分疲劳。根据实际要求，电视图像的平均亮度应不小于30cd/m2，最大亮度应大于60cd/m2。

根据人眼的视觉特性，对主观感觉来说，重现图像应与实际景物具有相同的对比度和灰度，这样才能给人以真实的感觉。实际景物的对比度一般都不超过100。因为，在一定照度下，最白的莫过于白石膏，其反射系数接近1；最黑的莫过于黑丝绒，其反射系数为0.01。因此，为了不失真地传送图像，要求重现图像的对比度也为100。由于实际环境亮度的影响，因此重现图像的对比度往往达不到100，一般能达到30～40就可以。

根据以上讨论可得出结论：只要重现图像与实际图像对主观感觉来说具有相同的对比度和亮度感觉级差数，重现的图像就能给人真实感。

4．视觉惰性和闪烁感觉

1）视觉惰性

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，如图3-5所示。

通常这个过程称为视觉暂留，视觉暂留时间为0.05～0.2s。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，然而人眼看到的却是一个亮圈。这就是视觉惰性最常见的生活中的一个例子。

融合频率：景物以间歇性光亮重复呈现，只要重复频率达20Hz以上，视觉便始终保持留有景物存在的印象，这一重复频率称为融合频率。

2）闪烁感觉

当观察者观察按时间重复的亮度脉冲，且脉冲的频率不高时，人眼就有一亮一暗的感觉，这种感觉称为闪烁；如重复频率足够高，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称为临界闪烁频率。脉冲的亮度越高，临界闪烁频率相应地也越高。假设屏幕最高亮度为100cd/m2，环境亮度为0，则临界闪烁频率为45.8Hz。

实验表明，人眼在高亮度下对闪烁的敏感程度高于在低亮度的情况。对于高亮度显像管而言，临界闪烁频率可达60～70Hz。

视觉惰性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中都不连续的图像，给人以真实、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48次/s的重复频率，使观众产生连续、不闪烁的亮度感觉。人们也曾做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投影的画面幅数减少到16幅，从而进一步缩短复制电影所需的胶卷长度。但是，每秒投影16幅画面时，对于运动速度稍高的物体，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，所以会产生像动画片那样的动作不连续的感觉。

一般来说，要保持画面中物体运动的连续性，要求每秒摄取的画面数约为25幅，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，而且互相同步。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电视机，就用这种办法将场频由50Hz提高到100Hz。

5．视角与分辨力

1）视角

观看景物时，景物大小对眼睛形成的张角称为视角。其大小既决定景物本身的大小，也决定于景物与眼睛的距离。人眼的视场是很宽的，垂直方向能超过80°，水平方向能超过160°，但通常在眼珠不转动、凝视物体时，能清晰地观看出物体内容的视场区域所对应的双眼视角大约是35°×20°（水平×垂直）。

2）分辨力

当与人眼相隔一定距离的两个黑点靠近到一定程度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，而只感觉到是连在一起的一个点。这种现象表明人眼分辨景物细节的能力是有一定极限的。可以用视敏角来定义人眼的分辨力。视敏角即人眼对被观察物体刚能分辨出它上面最紧邻两黑点或两白点的视角，如图3-6所示。

图3-6中，L 表示人眼与图像之间的距离，d 表示能分辨的最紧邻两黑点之间的距离，θ表示视敏角。若θ以分为单位，则得

人眼的最小视敏角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，θ=1′～1.5′。人眼分辨景物细节的能力称为分辨力，又称为视觉锐度。视觉锐度等于人眼视敏角的倒数。

分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度，当亮度很低时，视力很差，这是因为亮度低时锥状细胞不起作用。但是亮度过大时，视力不再增加，甚至由于炫目现象，视力反而有所降低。此外，细节对比度越小，越不易分辨，分辨力越低。在观看运动物体时，分辨力越低。

3）影响分辨力的因素

（1）与物体在视网膜上成像的位置有关。黄斑区锥状细胞密度最大，分辨力最高。偏离黄斑区越远，光敏细胞的分布越稀，分辨力也越低。

（2）与照明强度有关。照度太低，仅杆状细胞起作用，分辨力大大下降，且无彩色感；照度太大，分辨力不会增加，甚至由于炫目现象而降低。

（3）与对比度 Cr有关。Cr=[(B-B0)/B0]×100%，其中 B 为物体亮度，如果其与背景亮度接近，则分辨力自然要降低。

（4）分辨力还与景物的运动速度有关。运动速度快，分辨力将降低。由于存在视觉暂留，故当一幅静止画面以高于20Hz的换幅频率间歇地重复呈现时，尽管有亮度闪烁，但在视觉上仍有连续感。然而，当景物运动时，即使换幅频率高于20Hz，若前后相继两幅画面中景物内容移动的距离较大，人眼仍会感觉景物在做跳跃运动。可见，人眼对运动景物的连续感除与视觉暂留有关以外，还与分辨力有关。实验证明，对运动景物，当换幅频率高于20Hz，且前后两次呈现的某物点的相对位置对眼睛张角不超过7.5′时，就会产生连续运动而不会有跳跃运动的感觉。