色彩学(人眼视觉成像原理).ppt

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1、色 彩 学 第二章 人眼 视 觉 成像原理 第二章 人眼 视 觉 成像原理 视觉的形成 视觉的特性 颜色的视觉 视觉理论 视觉的形成 人眼的构造 形象的形成 眼睛等于捕捉光线的 摄影机 ， 而大脑是组 成影像的机构 。 所有的色彩视觉都是 建立在人的视觉器官 的生理基础上的，所 以研究色彩还必须了 解视觉器官的生理特 征及其功能。 人眼的构造 人眼的构造 人眼的构造相当于一 架 摄像机 或 照相机 。 前面，是由 角膜 、 晶 状体 、 前房 ， 后房 、 玻璃体 所共同组成的 具备镜头功能的组合， 把物体发出的光线聚 焦到后面的相当与胶 卷的用于检测光线的 视网膜上。 人眼的构造 人眼的形状

2、像一个小球，通常称为眼 球。 眼球内具有特殊的折光系统，使进入 眼内的可见光汇聚在视网膜上。视网 膜上含有感光的 视杆细胞 和 视锥细胞 ， 这些感光细胞把接受到的色光信号传 到 神经节细胞 ，再由视神经传到 大脑 皮层 枕叶视觉神经中枢，产生色感。 眼球壁有三层膜组成。外层是坚韧的 囊壳，保护眼睛的内部，称为纤维膜， 它的前 1/6为角膜，后 5/6为白色不透 明的巩膜，中层称葡萄膜（或血素层、 血管层），颜色像黑紫葡萄，由前向 后分为三部分：虹膜、睫状体和脉络 膜。内层为视网膜，简称网膜。 人眼的构造 眼 球 人眼的构造 角 膜 角膜 (cornea)：如 同相机的滤镜 眼球最前端是透明的

3、 角膜，它是平均折射 率为 1.336的透明体， 俗称眼白，微向前突 出，曲率半径前表面 约 7.7毫米，后表面 约 6.8毫米，光由这 里折射进入眼球而成 像。 人眼的构造 晶 状 体 晶 状 体 ， 水 晶 体 (lens)：如同相机的 镜片 。 晶状体在眼睛正面中 央，光线投射进来以 后，经过它的折射传 给视网膜。所谓近视 眼、远视眼、老花眼 以及各种色彩、形态 的视觉或错觉，大部 分都是由于水晶体的 伸缩作用所引起。 它像一种能自动调节 焦距的凸透镜一样。 人眼的构造 黄斑 与 盲点 黄斑是网膜中感觉最特殊的 部分，稍呈黄色。 色觉之所以有很大的个人差 异与黄斑是有关系的，位置 刚好在

4、通过瞳孔视轴所指的 地方，即视锥细胞和视杆细 胞最集中的所在，是视觉最 敏锐的地方。我们看到物体 最清楚时，就是因为影像刚 好投射到黄斑上的缘故，黄 斑下面有盲点，虽然是神经 集中的部位，但缺少视觉细 胞，不能看到物体影像。 盲点 (blind spot)：视神经 与眼球的接点，该处无视细 胞所以无法感光。 人眼的构造 视 网 膜 视网膜 (retina)：如同底片 。 视网膜是视觉接收器的所在， 它本身也是一个复杂的神经中 心。 眼睛的感觉为网膜中的 视杆细 胞 和 视锥细胞 所致。 视杆细胞 能够感受弱光的刺激，但不能 分辨颜色 ， 视锥细胞在强光下 反应灵敏，具有辩别颜色的本 领 。在中

5、央凹处之内，只有视 锥细胞，很少或没有视杆细胞。 在网膜边缘，靠近眼球前方各 处，有许多视杆细胞，而视锥 细胞很少。某些动物（如鸡） 因视杆细胞较少，所以在微光 下，它们的视觉很差，成为夜 盲。也有些动物（如猫和猫头 鹰）因视杆细胞很多，所以能 在夜间活动。 人眼的构造 视 网 膜 人眼的构造 视 网 膜 视觉器官的两重功能 :明视觉与暗视觉 1 视锥细胞与明视觉 a 视锥细胞特性：包含感红 ， 感绿 ， 感蓝细胞主要感受颜色的差 别 ， 而对明暗的感觉比较低 ， 对光的敏感性小 ， 只有达到一定照 度的情况下 ， 视锥细胞才起作用 。 b 明视觉：指在光亮的条件下 ， 由锥体细胞起作用的辩认

6、物体细 节和颜色的视觉 。 2 视杆细胞与暗视觉 a. 视杆细胞特性：感受物体的明暗 ， 对光的敏感程度高 ， 不能感 受物体颜色的差别 。 b. 暗视觉：指视杆细胞的活动特性 ， 可以在光线很暗的情况下工 作 ， 不能反映色光的差异 。 人眼的构造 视 网 膜 3 明暗视觉特点： a明视觉对 400nm（紫色）和 700nm（红色）附近的色光感受性很 低，而对 555nm的黄绿色部位最敏感。 暗视觉对 510nm的蓝绿色部位最敏感 b 明视觉曲线与视觉曲线之间没有联系 明暗视觉特性随人的年龄，性别等因素的变化而变化。 人眼的构造 视神经 与 中心窝 视神经 (optic nerve)：将收集

7、到 的光线转化为脉冲 传向大脑 ， 如同光 纤 。 中心窝 (fovea)： 视细胞最密集之处 ， 为视线投影到网膜 上的焦点 。 这一小 凹是视觉最敏锐的 地方 。 眼皮 (eyelid)： 如同相机的快门 人眼的构造 你 知道 吗？ 1、 色盲 形成 的 原因 眼睛 之所以能辨识颜色 ， 是由于眼睛存在三种能辨色的 椎状细胞 ， 这三种椎状细 胞分别能吸收不用波长范围的光 ， 分别是蓝 -紫 、 绿色 、 红 -黄 。 当椎状细胞受到 损伤或发育不全时 ， 就有可能造成色盲 。 以发生原因来分 ， 色盲可分为 先天性色盲 和 后天性色盲 。 先天性色盲多为 红绿色盲 ， 对于红绿辨色有障碍

8、 。 后天性色盲的发生原因可能与视网膜 、 视神经病变有关 ， 例如外伤 、 青光眼 。 2、 色盲 分类 ：部分色盲 、 全色盲 部分色盲： 大致可分为 红 绿 色盲和 蓝 黄 色盲 ， 可利用 石原氏色盲检测图 来做检测 。 红 绿 色盲 红 色盲 :缺少 感受红色 的椎状细胞 。 绿 色盲 :缺少 感受绿色 的椎状细胞 。 红 色弱 :患者椎状细胞对红色感光的波形接近感受绿色的椎状细胞波形 。 绿 色弱 :患者椎状细胞对绿色感光的波形接近感受红色的椎状细胞波形 。 蓝 黄 色盲 患者缺乏 感受蓝光 的椎状细胞 。 人眼的构造 你 知道 吗？ 全色盲 全色盲是指眼球中椎状细胞缺少，或无作用

9、，仅能依靠眼球中杆状细胞 来感受视觉影像光线的强弱。其视觉所见的景像只有 灰阶 的色阶分布， 眼睛对于亮度非常敏感，在白天的室外需戴上深色的太阳眼镜保护眼睛。 一般社会上存在的全色盲比较非常少，但在大西洋上的平格拉普岛 (Pingelap)和彭培岛 (Pohnpei)上却有极高的比例为全色盲，因为岛上的 基因库小，难以避免近亲繁殖，至使岛上全色盲的比例高于全世界其他 地方的三万分之一，平格拉普岛人口约七百人，全色盲的比例高达十二 分之一，这种造成全色盲的基因叫作马斯肯基因，岛上约有三分之一的 人为带因者。 3、色盲患者在职业的选择上会受到限制，特别是美术、医学、化工等性质 的工作，需要依赖大量

10、的辨色能力，在就学与在职训练时就常因体检结 果而被拒绝。但在文学、史学、法律等方面就较不受限。 许多交通号志常用红绿来表示，对于色盲患者，可教导他们依亮灯位置 来辨识。 形象的形成 正常人的眼睛，在适当的照度下，观看 250nm距离的物体最清楚而 且最省力，不易疲劳，人们把这一距离称为 “ 明示距离 ” 。 视觉与年龄：视觉发生于出世后约一个月左右，大致一年以后即 可对所有色彩具备完全感受能力。随年龄的增长（大约 30岁开始） 其效力日趋衰退（ 50岁以后特别明显）。 视觉的特性 视觉功能 视觉的特性 视觉功能 视 角 视觉功能 是人们借助视觉器官完成一 定的视觉任务的能力 。 衡量指标：视觉

11、区别物体细节的能力 ， 辩认对比的能力 。 一 视角 视角：物体大小对眼睛所形成的张角。 1 视角的大小与物体的距离成反比 ， 与物体的大小成正比 。 2 具有正常视觉的人能够分辨物体空 间两点间所形成的最小视角为 1， 1=0.00029弧度 。 3 视角的大小决定了视网膜上像的大 小 ， 而视网膜上像的大小又决定了人 们视觉的清晰度 。 如图中的 a。同一物体，离人越近， 视角越大，离人越远，视角越小。 视觉功能 视 角 由 tan(a/2) = A/2D， 得出 a = A/D 不同物体在跟人眼相 同距离时 ， 物体越大 ， 则视角越大 ， 物体在 视网膜上成的像越大 。 视觉功能 视

12、觉 敏锐度 二 视觉敏锐度 1 视觉敏锐度：人们使用视觉器官辩认外界物体的敏锐程度 。 表示视觉辩认物体细节的能力 ， 在医学上称为 “ 视力 ” 2 视觉辩认物体细节的能力与观察距离有很大关系 视觉敏锐度 （ V） 以视角进行计算 ， 是视觉所能分辨的视角的倒数 。 V=1/ （ 单位为分 ） 平时我们说的视力 1.0， 就是说 ， 在规定的距离下 ， 人的眼睛能 够分辩角度为 1/60度 （ 1)的物体的细节 。 因为人眼的视锥细胞间的 距离为 6微米 ， 所以 ， 我们的眼睛的分辩能力并不怎样强的 。 这一点 和主观感觉上有不小差异 。 视觉的特性 光波是一种辐射能 通常，光通亮越大，人

13、感觉光越明亮。但这是对同一种光波而言。 光辐射能量相同但波长不同的色光，无论是明视觉还是暗视觉， 其产生的 明亮程度 是不相同的。也就是说，人眼对可见光谱内的 不同波长辐射具有不同的感受性。 有的色光人眼感觉明亮 ， 有的 比较暗。 视觉的特性 光谱光效率函数 为了了解光谱各个部分的不同视觉效果 ， 科学家测量了眼睛对等能 光谱不同波长光的视觉感觉性 。 测量方法是将光谱上不同波长的光与一 个标准光在明度上匹配 ， 然后测量出这个波长所需的能量 。 光谱光效率函数 1 等能光谱：一个光谱上各个波长的单色光辐射能量是相等的 。 明视觉曲线 V() ：明视觉的等能光谱相对明度曲线的简称 。 暗视觉

14、曲线 V() ：暗视觉等能光谱相对明度曲线 V() 和 V() 的相对值代表等能光谱波长为 的单色光辐射引起的明亮 感觉的程度 。 2 光谱光效率：代表等能光谱波长为 的单色光辐射引起的明亮感觉 的程度 。 光谱光效率函数 V() 和 V() 随波长变化的函数，也称为 “ 视见函数 ” 视觉的特性 光谱光效率函数 在明光条件下，眼睛对波长 555nm的黄绿 光部分感受性最高，即这个波长的光只需要 较小的能量就能与标准光的明度相匹配。也 就是说明是绝对光谱的黄绿色光部委最敏感。 而暗视觉对光谱的蓝绿色部位即 510nm最 敏感。 相应敏感程度见左图。 视觉的特性 人眼视觉延迟 时间辨别 ， 在某

15、种条件下 ， 闪烁的灯光可能会被知觉 为连续的 。 人眼睛的视觉暂留约为 每秒 16-24次 左右，因此只 要以每秒 30次或更短的时间间隔来更新屏幕画面，就 可以骗过人的眼睛，让我们以为画面没有变过。虽然 如此，实际上每秒 30次的屏幕刷新率所产生的闪烁现 象我们的眼睛仍然能够察觉从而产生疲劳的感觉。所 以屏幕的场频越高，画面越稳定，使用者越感觉舒 适。 一般屏幕刷新率场频在每秒 75次以上人眼就完全 觉察不到了，所以建议场频设定在 75Hz-85Hz之间，这 足以满足一般使用者的需求了。 颜色 对比 同时对比 在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响 称为 “ 颜色对比 ” 。 颜色对比有两

16、种情形： 一种是同时对比 ； 另 一种是连续对比 。 同时对比：就是同时看到两种颜色所产生的对 比现象。 在产生对比时，两色彩的对应各属性 间都分别出现相互在相反倾向上，加强刺激强 度的现象也就是说当色相各异的颜色配制在一 起，每一颜色的色调向另一颜色的互补色方向 变化。 例：在绿色背景下 ， 灰色带有红色感觉 ， 在黄 色背景下则带有蓝色感觉 。 每一颜色都在其周围诱导出其互补色 如果两种颜色是互补色则彼此加强饱和 度 ， 使对比变得极为强烈 例：绿叶中的红花更得更红 颜色 对比 连续对比 连续对比 :先看某种颜色，然后又看到第二种颜色时产生的对比现象。 特征：对比着的双方具有颜色的不稳定性

17、 。 负后像：连续对比时 ， 人的视觉由于受到以前注视颜色的刺激影响 ， 看到与其补色相近的颜色 。 颜色 对比 连续对比 比如看很长时间的纯绿色后 ， 再改成看白色 ， 这时看到的白 色会有浅红色的感觉 。 这是因为 ， 在长时间看绿色时 ， 绿色的视 锥细胞长时间兴奋导致了疲劳 ， 而另外的两种视锥细胞则仍然工 作在常态下 ， 所以 ， 当转为看其它需要三种细胞 “ 同时工作 ” 才 能得到正确颜色的物体的时候 ， 如果仍然按照感绿视锥细胞正常 工作时的算法去还原 ， 则会产生与其补色相近的颜色 。 要重现这种颜色错觉，可以将较长时间观察下面的绿色图， 然后迅速滚动到白色图上面，此时在眼前

18、会有一瞬间的粉红色感 觉（很短，视眼睛的不同有些差异，建立不要反复做这项测试） 颜色 对比 色彩同化 色彩同化，不同色彩配置在一起时，会产生这种对比 的效果，有时救灾会适得其反，产生所谓 “ 近 朱 者 赤 ， 近墨者黑 ” 的现象。 颜色 适应 颜色适应： 连续对比时，看到 负后像后经过一段时间逐 渐恢复感觉第二色的过程。 颜色恒定： 即使光源的光谱成 分发生了变化，人们对于 这些颜色的感觉在一定程 度上看起来仍是十分稳定 的颜色视觉特征。 如：天空的 蓝色 ，雪花的 白 色。 记忆色：通常把这些具有颜色 恒定的颜色称为记忆色 颜色恒定表明物体颜色并不完全 决定于物理特性和视网膜的感光 细胞特性还受人们的视觉经验影 响。 视觉理论 杨氏三色学说 赫林四色学说 阶段学说 视觉理论 -三色学说 人眼睛存在感红、感绿、感蓝三种锥体细胞 可以解释色彩混合和物体呈色机理 缺点不能解释色盲 视觉理论 -四色学说 四个原色：红、绿 、黄、蓝 视网膜存在三对色素：白 黑色素、红 绿色素、 黄 蓝色素。 可以解释色盲现象 视觉理论 -阶段学说 第一阶段：视网膜有三种独立的视锥细胞，可以吸收 不同波长和产生黑白反应。 第二阶段：神经兴奋由锥形感受器向视觉中枢传递， 三种反应又重新组合，最后形成三对 “ 对立 ” 性的神 经反应。