视觉和显示器件成像原理-1

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1、视觉和与显示相关的视觉特性华北电力大学谭占鳌内容提要1.视觉生理2.与显示相关的视觉特性3.光度学4.色度学1.视觉生理任何图像通信系统的最终接收者基本上都是人的视觉系统。传递到眼睛的信息，通过眼球视网膜上的视觉细胞变换成为电信号，传递到大脑。大脑把这些信息进行处理，结果就是可以感知到显示器所表现的明暗、色彩、形状、动作、纵深等。而且还能产生更高层次的情感性认识如美感、震撼和临场感等。因此，视觉系统做出的图像质量的评价是显示器质量的重要指标。电视图像体制的建立、彩色的重现、彩色图像信号的传输，以及图像编码和图像处理技术中都充分利用了人眼的视觉特性。因此

2、深入了解人类的视觉系统构造和特性是十分重要的。人的视觉系统右视野左视野处理文字的能力较强处理数字的能力较强数字文字外界信息以可见光的形式射入眼帘，通过眼睛的光学系统在视网膜上成像。视网膜内的视觉细胞把光信号转变成电信号传递给视神经。由左右眼引出的视神经在视交叉处把两眼传来的信号进行处理后，传像外侧膝状体，再经视放射性神经连接到左右大脑视觉区域。视网膜上各点和大脑视觉区域的各点保持拓扑对应关系。眼球的构造眼球是一个直径为24mm的球状体。光线经过瞳孔射入眼球内，通过晶状体成像于眼球后部内侧的视网膜上。角膜的作用类似照相机的第一组镜片，是眼睛的玻璃窗户，光

3、线从角膜射入眼内。瞳孔起着照相机中光圈的作用，可以随着光线的强弱而缩小或扩展，变化范围2-8mm。晶状体的作用类似于相机的透镜，通过睫状肌来调节焦距，范围是18.9-22.7mm。视网膜约占眼球内表面的2/3，处于眼睛后部的内侧面，外界光信息在此成像。在视网膜中心附近有一个向下凹陷部，成为中央凹，该处是视觉最灵敏处。人眼总是把想要看清的图像部分成像于此处。视网膜的构造视网膜是眼睛中最重要的一部分，分为视细胞层、双极细胞层、神经细胞层等，各层对视觉信息的产生、加工、传递起着不同的作用。视细胞层内有锥体细胞和杆体细胞。锥体细胞总数约为7000万个，主要分布

4、在视网膜的中央凹处。锥体细胞在感知颜色方面发挥主要作用，是明视觉器官，只有在光亮条件下发挥作用，能分辨颜色，并具有高的空间分辨力。杆体细胞总数约为1.2亿个，无色感，往往几十个杆体细胞连接一个双极细胞，是暗视觉器官。耳侧鼻侧视细胞外层含有成千上万个小圆盘，这些小圆盘中含有大量的视色素。不同颜色，不同波长的光照使不同数量，不同类型的视色素分解，当无光照时，在酶的作用下又重新合成。这种分解和合成的过程，在细胞内引起热能变化，也引起电能变化，这就是视觉信息形成的实质。光线通过视细胞转换成电信号，通过双极细胞传递到神经节细胞，在经过许多细长的视神经集中到视神经

5、结处，由此处从眼球引出，向大脑延伸。而各个细胞的横向联系由水平细胞和无长突细胞来承担。视觉可感知的光谱范围光是电磁波，入射到眼睛会引起视觉反应的光波波长范围在380-780nm之间，称为可见光。具有单一波长的光波称为单色光。人眼可感觉到的单色光按波长由短到长的顺序为蓝、青、绿、黄、橙、红。对于太阳光这种覆盖宽广的波长范围，且能量几乎均以分布的光线，对人眼不能给予色彩感觉，成为白光，根据强度不一可以形成明暗轮廓。2.与显示相关的视觉特性亮度的感觉亮度是显示器件的最重要质量指标之一。眼睛对光线强弱产生的明暗感觉与光线的波长有关，不同波长的可见光具有不同的视

6、觉灵敏度。由于视网膜含有两种不同的感光细胞，在不同照明水平时视觉函数会发生变化。当亮度大于3cd/m2时，为明视觉，锥体细胞起主要作用，峰值对应的波长为555nm；当亮度小于0.03cd/m2时，为暗视觉，杆体细胞起主要作用，峰值对应的波长为507nm。明视觉与暗视觉曲线目标与背景有一定的对比度时，人眼才能看清其形状。这种对比可以用颜色（背景与物体具有不同的颜色），也可以用亮度（背景与物体在亮度上有一定的差别）。人眼刚刚能看辨别到物体时，背景与物体之间的最小亮度差称为临界亮度差。临界亮度差与背景亮度之比称为临界对比度；临界对比的倒数称为对比感度。对比感

7、度式中：CP——临界对比度△Lp——临界亮度差Lp——背景亮度Lo——物体的亮度SC——对比感度视觉的图像分辨能力——分辨力人眼的视觉分辨能力包括空间分辨力和时间分辨力。空间分辨力就是视力；时间分辨力指人眼对随时间而变化的目标的分辨能力。分辨力的定义是：眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角θ的倒数，分辨力=人眼的最小视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为1～1.5′。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

8、过大时，视力不再增加，甚至由于眩目现象，视力反而有所降低。此外，细节对比度愈小，也愈不易分辨，