1、計(jì)算機(jī)圖形顯示技術(shù),2,第二講 視覺(jué)的基本特性,計(jì)算機(jī)信息顯示系統(tǒng)與人眼密切相關(guān)，兩者互相影響而顯示系統(tǒng)的許多特性，比如亮度、色度、分辨力、刷新率、對(duì)比度等，都直接和人的視覺(jué)性和心理有關(guān)，因此要研究顯示系統(tǒng)的指標(biāo)及參數(shù)就要研究人眼對(duì)光的響應(yīng)問(wèn)題。,3,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),人的眼睛近似球形，位于眼眶內(nèi)，其平均直徑為20mm。 眼球包括眼球壁、眼內(nèi)腔和內(nèi)容物、神經(jīng)、血管等組織。,人體眼睛結(jié)構(gòu)圖,4,人眼截面簡(jiǎn)化圖,5,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),眼球壁主要分為外、中、內(nèi)三層 外層由角膜、鞏膜組成。前1/6為透明的角膜，它是接受信息的最前哨入口，光線經(jīng)此射入眼球。 其余5/6為白色的鞏膜

2、，俗稱“眼白”，為致密的膠原纖維結(jié)構(gòu)，不透明，質(zhì)地堅(jiān)韌，起維持眼球形狀和保護(hù)眼內(nèi)組織的作用。,6,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),中層包括虹膜、睫狀體和脈絡(luò)膜三部分。 虹膜呈環(huán)圓形，位于晶體前，有輻射狀皺褶稱紋理，表面含不平的隱窩，它的收縮和擴(kuò)張控制允許進(jìn)入眼內(nèi)的光量。 睫狀體前接虹膜根部，后接脈絡(luò)膜，外側(cè)為鞏膜。 脈絡(luò)膜位于鞏膜和視網(wǎng)膜之間。脈絡(luò)膜的血循環(huán)營(yíng)養(yǎng)視網(wǎng)膜外層，其含有的豐富色素起遮光暗房作用。,7,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),內(nèi)層為視網(wǎng)膜，是一層透明的膜，也是視覺(jué)形成的神經(jīng)信息傳遞的第一站。具有很精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及豐富的代謝和生理功能。 它含有豐富的色素，布滿在整個(gè)后部?jī)?nèi)壁上，使外部

3、光不能從它那里進(jìn)入眼球和在眼球內(nèi)回射。當(dāng)眼球被適當(dāng)?shù)木劢梗瑥耐走M(jìn)入的光就在視網(wǎng)膜上成像。,8,視覺(jué)的生理特性 視網(wǎng)膜,視網(wǎng)膜的視軸正對(duì)終點(diǎn)為黃斑中心凹。黃斑區(qū)是視網(wǎng)膜上視覺(jué)最敏銳的特殊區(qū)域。 黃斑附近有視盤，亦稱視乳頭，是視網(wǎng)膜上視覺(jué)纖維匯集向視覺(jué)中樞傳遞的出眼球部位，無(wú)感光細(xì)胞，故視野上呈現(xiàn)為固有的暗區(qū)，稱生理盲點(diǎn)。,9,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),視網(wǎng)膜由許多的光敏細(xì)胞組成，主要有錐狀體和桿狀體。 每只眼睛的錐狀體數(shù)目約為600萬(wàn)個(gè)，它主要分布在黃斑內(nèi)。桿狀體的數(shù)目更多，約有7500萬(wàn)個(gè)到15000萬(wàn)個(gè)，主要分布在視網(wǎng)膜表面上。,10,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),成像機(jī)理 眼睛觀察景

4、物時(shí)，首先眼睛通過(guò)晶狀體聚焦于視網(wǎng)膜，形成“光像”。視網(wǎng)膜上各點(diǎn)光敏細(xì)胞受到不同強(qiáng)度有光刺激，錐體細(xì)胞和桿狀細(xì)胞中的感光包色色素分別是視紫藍(lán)質(zhì)和視紫紅質(zhì)，它們受光照后發(fā)生化學(xué)變化，化學(xué)變化向相反方向進(jìn)行。,11,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),成像機(jī)理 因上述光學(xué)變化使視網(wǎng)膜上的點(diǎn)產(chǎn)生與光照度成正比的電位，即在視網(wǎng)膜上將“光象”變成“電位象”。 接著視神經(jīng)將網(wǎng)膜的“電位象”按頻率偏碼方式傳送給視覺(jué)皮質(zhì)。,12,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)生理基礎(chǔ),成像機(jī)理 最后視覺(jué)皮質(zhì)通常用接收到多達(dá)200萬(wàn)個(gè)頻率編碼的電脈沖信號(hào)，首先將它們分別存入視網(wǎng)膜光敏細(xì)胞相對(duì)應(yīng)的細(xì)胞特殊表面中，然后進(jìn)行綜合的圖像信息處理使人產(chǎn)

5、生視覺(jué)，看到景物的圖象。,13,視覺(jué)的基本特性亮度特性,亮度特性是指眼睛對(duì)光的亮暗感覺(jué)特性。 桿狀體：靈敏度高，能感受到非常微弱的光，但分辨率低對(duì)顏色不靈敏，因而人們?cè)诎堤幙吹降耐ǔＪ禽喞?錐狀體：靈敏度低，只能在明亮條件下起感光作用，但分辨率高具有辨別顏色的能力，因而人們?cè)诹撂幙梢苑直娉龈鞣N景物的顏色。,14,視覺(jué)的基本特性 亮度特性,亮度等級(jí)：在景物背景亮度下能分辨出景物亮度的數(shù)目，可辨亮度等級(jí)愈大，景物圖象就愈清晰。 人們眼睛所能感覺(jué)到的亮度范圍很寬，這是因?yàn)檠劬Φ母泄庾饔糜须S外界光的強(qiáng)弱而自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，這種調(diào)節(jié)能力稱為眼睛的適應(yīng)性。,15,視覺(jué)的基本特性亮度特性,適應(yīng)性包含瞳孔的調(diào)

6、節(jié)和光敏細(xì)胞本身的調(diào)節(jié)功能，人們分辨不同亮度能力也于這種適應(yīng)性有關(guān)。 不同背景亮度條件下，所能區(qū)分景物的亮度等級(jí)不同。,16,視覺(jué)的基本特性亮度特性,下圖為均勻亮度背景上有一小亮斑，背景亮度在很寬范圍內(nèi)，可分辨的亮度差約為23。,17,視覺(jué)的基本特性亮度特性,下圖為均勻亮度背景上有一個(gè)亮度不同的小亮斑。當(dāng)背景亮度一定時(shí)，小亮斑兩部分的可分辨亮度比較大，只有在背景亮度適中而且B接近背景亮度時(shí)，可分辨亮度差才接近2%-3%。,18,視覺(jué)的基本特性亮度特性,人眼對(duì)亮和暗的適應(yīng)是不一致的。 通常由陽(yáng)光下走入暗室，會(huì)覺(jué)得一片漆黑，要等一會(huì)視覺(jué)才逐漸恢復(fù)，這稱為暗適應(yīng)。 在暗處打開電燈，很快能分辨景物，這

7、稱為亮適應(yīng) 。 適應(yīng)過(guò)程不同的原因是桿狀體功能比錐狀體功能恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。,19,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,視覺(jué)的彩色特性豐富了人們的觀察效果，加強(qiáng)了對(duì)景物的認(rèn)識(shí)能力，錐狀體具有彩色視覺(jué)特性。 視敏度：產(chǎn)生特定亮度感覺(jué)條件下，各種光輻射功率 的倒數(shù) ：,20,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,視敏度：實(shí)際中不直接用視敏度而用相對(duì)視敏度（比視感度） 具體測(cè)視敏度時(shí)要考慮不同 的人、不同的年齡和不同的身 體狀況，要將許多正常觀察者 的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。,21,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,下圖是相對(duì)可視曲線，其中實(shí)線是明亮條件下的相對(duì)視敏度曲線，虛線為光線較暗時(shí)的相對(duì)視敏度曲線。 由圖知：暗視覺(jué)時(shí)，波長(zhǎng)短的光

8、其視敏度增大，波長(zhǎng)長(zhǎng)的光其視敏度降低。,22,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,可見(jiàn)光的光譜特性 可見(jiàn)光是一種頻率很高的電磁波,其波長(zhǎng)的范圍是380780nm。不同的波長(zhǎng)產(chǎn)生不同顏色的光。隨著波長(zhǎng)的變化，呈現(xiàn)的色光依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。電磁波波譜及可見(jiàn)光的波長(zhǎng)如下圖 。,23,電磁波波譜,24,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,光波引起視覺(jué)的明暗感覺(jué)程度，不僅與光波的輻射功率有關(guān)，而且與人眼的主觀感覺(jué)有關(guān)。當(dāng)各種波長(zhǎng)的光波輻射功率相同時(shí)，人眼對(duì)各波長(zhǎng)的光波的主觀亮度感覺(jué)特性如圖。,25,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,同一亮度環(huán)境中，輻射功率相同，波長(zhǎng)等于555nm的黃綠光對(duì)人的亮度覺(jué)最大，并令其亮度感

9、覺(jué)靈敏度為1；人眼對(duì)其它波長(zhǎng)光的亮度感覺(jué)靈敏度均小于黃綠光，故其它波長(zhǎng)光的相對(duì)視敏度都小于1。 例如波長(zhǎng)為660nm的紅光的相對(duì)視敏度V（660），即0.061，所以，這種紅光的的輻射功率應(yīng)比黃綠光（555nm）大16倍（即1/0.06116），才能給人相同的亮度感覺(jué)。,26,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,三基色原理： 人們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，自然界中的各種顏色幾乎都可以由三種基色光按不同的比例混合得到。反之，任意一種彩色都可以被分解為三基色。但要求所選的三種基色光的色調(diào)必須是相互獨(dú)立的，即其中任一種基色都不能由其它兩種基色混合產(chǎn)生。（三基色即為所有色彩的最大子空間） 三基色的大小決定彩色光的亮度，混合

10、后彩色光的亮度等于各基色亮度之和。三基色的比例決定了色調(diào)，當(dāng)三基色混合比例相同時(shí)，色調(diào)相同。這就是三基色的原理。,27,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,假定有紅綠藍(lán)三種類型的錐狀體，當(dāng)任一束光射入眼中而落在視網(wǎng)膜上時(shí)就會(huì)對(duì)視網(wǎng)膜產(chǎn)生不同的刺激。 例如：當(dāng)光對(duì)紅色錐狀體和綠色錐狀體同時(shí)產(chǎn)生刺激，人們感覺(jué)到的是紅色和綠色混合的顏色，即黃色。當(dāng)3種錐狀體同時(shí)得到刺激時(shí)，人們便得到白色的感覺(jué)。,28,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,不同波長(zhǎng)的色光對(duì)三種錐狀體的刺激量不同，將引起人們不同的感覺(jué)。,29,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,亮度、色調(diào)和飽和度稱為彩色三要素，由這三個(gè)參量可以確切地表示任何一種彩色光。 色調(diào)表示彩

11、色的種類，如紅、橙、黃、青、藍(lán)、紫等不同顏色，景色的色調(diào)取決于太陽(yáng)光下所反射的光譜，改變色光的光譜成分就會(huì)引起色調(diào)的改變。 色調(diào)是決定物體彩色本質(zhì)的參量，與物體本身和光源性質(zhì)有關(guān)。,30,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,色飽和度：指顏色的的深淺程度，即濃淡程度，飽和度和色光中的白光成分有關(guān)。 飽和度越高則顏色越深或者說(shuō)越純。比如，當(dāng)紅色加進(jìn)白光之后，雖基本色調(diào)還是紅色，但色飽和度降低，成為淺紅色。摻入白光越多其飽和度越低。,31,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,飽和度=色光強(qiáng)度/ （白光+色光強(qiáng)度）100% 例如：兩個(gè)聚光燈同時(shí)投射到無(wú)色的屏幕上，一個(gè)投射白光，另一個(gè)投射綠光，合成的便是淡綠色的光，當(dāng)兩燈

12、強(qiáng)度相等時(shí)，飽和度是50；若將白燈熄滅，得到的是純綠的光，其飽和度是100 通常把色調(diào)與色飽和度通稱為色度。,32,視覺(jué)的基本特性 彩色特性,亮度：是指彩色光作用于人眼所引起的明亮程度的感覺(jué)，它與光的強(qiáng)度有關(guān)，對(duì)于同一物體，照射的光越強(qiáng)，反射光也越強(qiáng)，則越亮；對(duì)于不同的物體，在相同照射下，反射越強(qiáng)者越亮。 此外亮度感還與人眼光譜響應(yīng)特性有關(guān)，所以不同彩色的光，即使強(qiáng)度相同，當(dāng)照射同一物體時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同的亮度。,33,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,當(dāng)與人眼相隔一定距離的兩個(gè)黑點(diǎn)靠近到一定程度時(shí)，人眼就分辨不出有兩個(gè)黑點(diǎn)存在，而只感覺(jué)到是連在一起的一個(gè)點(diǎn)。這種現(xiàn)象表明人眼分辨景物細(xì)節(jié)的能力是有一定極

13、限的。 視覺(jué)分辨率是人眼分辨物體細(xì)節(jié)的能力，也稱為視覺(jué)銳度。,34,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,我們用視敏角來(lái)定義人眼的分辨力。視敏角即人眼對(duì)被觀察物體剛能分辨出它上面最緊鄰兩黑點(diǎn)或兩白點(diǎn)的視角。 如圖，L表示人眼與圖象之間的距離，d表示能分辨的最緊鄰兩黑點(diǎn)之間的距離。,35,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,視覺(jué)分辨率：在被觀察的物體上，剛能分辨的相鄰兩點(diǎn)對(duì)眼睛張角的倒數(shù) 視角：分辨力： 從生理上講，視敏角決定于視網(wǎng)膜相鄰光敏細(xì)胞間的距離，已加錐狀細(xì)胞直徑d =5um，眼睛焦距f 17mm，所以人眼日間視覺(jué)下的視敏角約為1 視敏角為1 的力眼，其視力為1.0；視敏角為2 的視力對(duì)應(yīng)于0.5。,36

14、,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,人眼分辨率與成像位置關(guān)系：,37,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,人眼對(duì)彩色的分辨率比黑白的要低。當(dāng)人眼對(duì)相鄰黑白線條剛能分辨時(shí)，若換成彩色線條，在相同亮度條件下就不能分辨。 把眼睛對(duì)黑白細(xì)節(jié)分辨力定為，則人眼對(duì)各種彩色細(xì)節(jié)分辨力如下表：,38,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,人們有這樣的經(jīng)驗(yàn)：眼睛只能看到一定范圍的景物，其中正對(duì)眼睛的一部分看的比較清楚。限制觀察范圍的原因是，只有一定范圍內(nèi)的景物才能在視網(wǎng)膜上成像。 造成最佳視區(qū)小于觀察范圍的原因是，在黃斑區(qū)集中分布了大量分辨力較高的錐狀體，因而落入黃斑區(qū)的景象才能分辨清楚。,39,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)分辨力,人們雙眼的

15、水平視角約為70度，而真正能看清的最佳視角為30度。垂直視角略微小些。,當(dāng)目標(biāo)方向偏離直視線時(shí)分辨力顯著下降。因此，為了看清目標(biāo)人眼將不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，以使目標(biāo)的象落在中心凹上（即黃斑區(qū)）。,40,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)惰性,視覺(jué)惰性是人眼的重要特性之一，它描述了主觀亮度與光作用時(shí)間的關(guān)系。 當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于視網(wǎng)膜時(shí)，人眼并不能立即產(chǎn)生穩(wěn)定的亮度感覺(jué)，而須經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的變化過(guò)程才能達(dá)到穩(wěn)定的亮度感覺(jué)。在過(guò)渡過(guò)程中，亮度感覺(jué)先隨時(shí)間變化由小到大，達(dá)到最大值后，再回降到穩(wěn)定的亮度感覺(jué)值。,41,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)惰性,下圖給出了在不同亮度下亮度感覺(jué)隨時(shí)間的變化過(guò)程。 另外，當(dāng)作用于人眼的 光線突然

16、消失后，亮度 感覺(jué)并非立即消失，亮 度感覺(jué)并非立即消失， 而是近似按指數(shù)規(guī)律下 降而逐漸消失的。,42,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)惰性,當(dāng)光線消失后的視覺(jué)殘留現(xiàn)象稱為視覺(jué)暫留或視覺(jué)殘留。 人眼視覺(jué)暫覺(jué)留時(shí)間，在日間視覺(jué)時(shí)約為0.02秒，中介視覺(jué)時(shí)為0.1秒，夜間視覺(jué)時(shí)為0.2秒，中介視覺(jué)是介于日視覺(jué)與夜視覺(jué)之間的狀態(tài)。 人眼亮度感覺(jué)變化滯后于實(shí)際亮度變化，以及視覺(jué)暫留特性，總稱為視覺(jué)惰性。,43,視覺(jué)的基本特性 視覺(jué)惰性,光突然消失時(shí)，景像刺激在人腦中要保留一段時(shí)間，若立即有另一圖像進(jìn)入眼睛，人眼中將會(huì)產(chǎn)生兩種景像重疊的感覺(jué)。 因此可以利用閃爍提高視覺(jué)亮度，也可以利用快速閃爍實(shí)現(xiàn)靜態(tài)畫面。,44,視

17、覺(jué)的基本特性 視覺(jué)惰性,電影和電視正是利用視覺(jué)惰性產(chǎn)生活動(dòng)圖象的。在電影中每 秒放24幅固定的畫面，而電視每秒傳送25幅或30幅圖象，由于人眼的視學(xué)暫留特性，從而在大腦中形成了連續(xù)活動(dòng)的圖像。 為了不產(chǎn)生閃爍感覺(jué)，在電影中每幅畫面曝光兩次，其閃爍頻率為fv=48Hz。電視中，采用隔行掃描方式，每幀（幅）畫面用兩場(chǎng)傳送，使場(chǎng)頻（fv=50Hz或60Hz）高于臨界閃爍頻率，因此正常的電影和電視都不會(huì)出現(xiàn)閃爍感覺(jué)，并能呈現(xiàn)較好連續(xù)活動(dòng)的圖象。,45,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求,顯示的真實(shí)性 顯示的清晰性 顯示的直觀性 顯示的靈活性 顯示容量,46,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的真實(shí)性,顯示的真實(shí)性，即顯示內(nèi)

18、容要準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和有一定的干擾能力。 完全準(zhǔn)確是不現(xiàn)實(shí)的，但要有足夠的準(zhǔn)確度，才能有效地顯示信息。顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，如果參數(shù)選擇不當(dāng)就可能導(dǎo)致顯示準(zhǔn)確度降低；任何部分電路工作不穩(wěn)定，運(yùn)算尾數(shù)丟失等都會(huì)降低顯示準(zhǔn)確度。,47,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的真實(shí)性,顯示的實(shí)時(shí)，是在時(shí)間上保證顯示的真實(shí)性。通常要求信息加入到顯示系統(tǒng)至顯示出該信息所經(jīng)過(guò)的時(shí)間盡可能的短。因此要求顯示系統(tǒng)中的信息處理和傳輸有非常高的速率。 同時(shí)顯示系統(tǒng)要具有一定的抗干擾能力，才能去偽存真地把實(shí)時(shí)信息顯示出來(lái)。,48,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的清晰性,要使圖像清晰，要求顯示系統(tǒng)具有一定的分辨力、對(duì)比度和工作穩(wěn)定度,49,對(duì)顯

19、示系統(tǒng)的基本要求 顯示的清晰性,屏幕上的圖像通常要到一定的亮度才能使錐狀體起作用，才能看清圖像。過(guò)亮和過(guò)暗對(duì)觀察圖像不利。為了使顯示圖像清晰，顯示信息與背景之間還應(yīng)有一定的對(duì)比度。所謂信號(hào)與背景間的對(duì)比度是指顯示信息和背景亮度的比值，可以用下式表示：,50,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的清晰性,公式中， 為背景平均亮度， 為顯示信息的亮度。一般在黑白顯示中，適宜的對(duì)比度為2以上。 為使觀察者覺(jué)得圖像層次分明，圖像顯示中常用不同的灰度級(jí)來(lái)反映圖像各部分的亮度細(xì)節(jié)。一般圖形顯示設(shè)備常用4種顯示灰度級(jí)，即暗、淡、亮和最亮。較精密的圖像顯示所采用的顯示灰度級(jí)遠(yuǎn)大于4。,51,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的

20、清晰性,對(duì)于圖形顯示器，為了能明顯的區(qū)分不同亮度的線條或字符，一般要求不同灰度級(jí)間的亮度相差1倍。灰度級(jí)n可表示為,52,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的清晰性,在彩色顯示時(shí)，常用不同顏色來(lái)表示不同振幅的信息。這時(shí)，彩色種類數(shù)一般要與灰度級(jí)數(shù)相同。 圖像抖動(dòng)和閃爍也要影響圖像的清晰度。一次顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選擇足夠高的重顯頻率，而且對(duì)在各種電路和供電電源的工作穩(wěn)定性也應(yīng)提出足夠高的要求。,53,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的直觀性,顯示內(nèi)容應(yīng)該使觀察者“一目了然”，這要求選用符合人們習(xí)慣的顯示格式（信息表達(dá)方式）。 為顯示通用化，所采用的各種符號(hào)應(yīng)趨于統(tǒng)一，每種符號(hào)給出一個(gè)確定的代碼，在一般目標(biāo)特征顯示時(shí)，應(yīng)盡量采用一些被人們熟知的符號(hào)。,54,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的靈活性,過(guò)去，大多數(shù)場(chǎng)合是一種畫面由一個(gè)專用的顯示設(shè)備來(lái)顯示的。這樣不但不靈活而且在顯示多種信息時(shí)要用多種不同類型的顯示設(shè)備組成顯示群。無(wú)疑，系統(tǒng)的設(shè)備將會(huì)變的龐大，使用維護(hù)不方便，經(jīng)濟(jì)效益極低。,55,對(duì)顯示系統(tǒng)的基本要求 顯示的靈活性,為了解決