《人眼构造》PPT课件.ppt

2.1 人眼的构造,第二章 视觉基础知识,人的眼睛近似球形，直径约23mm。眼球包括眼球壁、眼内腔和内容物、视神经和视路、眼附属器等组织。眼球壁 主要分为外、中、内三层。外层由角膜、巩膜组成。前1/6为透明的角膜，其余5/6为白色的巩膜，俗称眼白。眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作用。,人眼结构图,眼球壁,眼内腔和内容物,视神经和视路,眼附属器,2.1 人眼的构造,中层又称葡萄膜，色素膜，具有丰富的色素和血管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。虹膜：呈环圆形，位于晶体前，有辐射状皱褶，中央有一2.54mm的圆孔，称瞳孔。睫状体：前接虹膜根部，后接脉络膜，外侧为巩膜,内侧通过悬韧带与晶体赤道部相连。脉络膜：位于巩膜和视网膜之间。脉络膜的血循环营养视网膜外层，其含有的丰富色素，起遮光和暗房作用。,第二章 视觉基础知识,2.1 人眼的构造,第二章 视觉基础知识,2.1 人眼的构造,第二章 视觉基础知识,人眼结构图,第二章 视觉基础知识,2.1 人眼的构造,2.眼内腔和内容物眼内容物包括房水、晶体和玻璃体。三者均透明，与角膜一起共称为屈光介质。房水由睫状突产生，有营养角膜、晶体及玻璃体，维持眼压的作用。晶体为富有弹性的透明体，形如双凸透镜，位于虹膜、瞳孔之后、玻璃体之前。玻璃体为透明的胶质体，充满眼球后4/5的空腔内。主要成分为水。玻璃体有屈光作用，也起支撑视网膜的作用。,第二章 视觉基础知识,2.1 人眼的构造,3.视神经和视路视神经是中枢神经系统的一部分。视网膜所得到的视觉信息，经视神经传送到大脑。视路是指从视网膜接受视信息到大脑视皮层形成视觉的整个神经冲动传递的路径。4.眼附属器眼附属器包括眼睑、结膜、泪器、眼外肌和眼眶。,第二章 视觉基础知识,聚精会神地盯着中央的十字看，你会发现？动画,人眼的成像过程,人眼的成像过程：光线角膜前室水状液瞳孔水晶体后室玻璃体成像于视网膜的黄斑区刺激光敏细胞产生电脉冲视神经纤维视神经中枢在大脑中形成景物的映象。,第二章 视觉基础知识,2.2 光度学基本概念,光度学是研究光的辐射能量与人眼亮度感觉之间关系的学科，他结合人眼的特性对光进行了定量的分析和测量。1.电磁波与可见光谱,第二章 视觉基础知识,非植被区,植被区,第二章 视觉基础知识,可见光,第二章 视觉基础知识,1666年，牛顿以三棱镜分解太阳光，发现其由许多不同色光诸如红、橙、黃、绿、蓝、靛(indigo)、紫等等所组成。单色光：只含有单一波长成分的光称为单色光。复合光：包含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光。复合光给人眼的刺激呈现为混合色。,(Issac Newton 16431727),可见光,白光：太阳辐射出来的是包含有各种单色光的波谱带，其中只有波长为380780纳米的电磁波能为人眼所感知，并给人以白光的综合感觉。又叫消色光，仅有亮度，用灰度级来描述。,第二章 视觉基础知识,2.2 光度学基本概念,2相对视敏函数(相对视敏度)(Relative Luminous Efficiency)在辐射功率相同的情况下，不同波长的光不仅给人以不同的色彩感觉，给人的亮度感觉也不同。视敏度：在亮度感觉相同时，测出各种波长光的辐射功率P()，则波长为的光的视敏度定义为：,第二章 视觉基础知识,相对视敏函数,实践表明，人眼对波长为555nm的绿光的灵敏度最大，即。定义相对视敏函数为：,第二章 视觉基础知识,汽车防雾灯和道路照明中采用能发出黄绿光的光源。,视觉系统对颜色和亮度的响应特性曲线,第二章 视觉基础知识,光通量,3.光通量(Luminous Flux)人眼感受到的光辐射功率不仅与光本身辐射的功率大小有关，还和人眼对不同波长光的视敏度有关。定义人眼接受的总的光通量为：,第二章 视觉基础知识,光通量,定义光通量的单位为流明（lumin，lm）。国际照明协会（CIE）定义：辐射功率为1W的波长为555nm的单色绿光产生的光通量为680流明，则有1W=680lm。如果以流明为单位，上式可改写为：,40瓦钨丝灯468流明，40瓦日光灯2100流明。,第二章 视觉基础知识,光通量,对可见光以外的电磁波，无论辐射功率有多大，光通量都为零。光通量与人眼的特性有关，相同的光通量表示视觉的亮度感觉相同。因此，可用光通量对可见光的亮度进行计量。,第二章 视觉基础知识,发光强度,4发光强度 物体发出的光通量大，不一定发光强度大。定义发光强度为：光源在单位立体角内发出的光通量，简称光强。,1流明指1cd的光源相距单位距离，并与入射光垂直的单位面积上每秒钟流经的光通量。,第二章 视觉基础知识,照度,5照度（illumination）受光源照射的面上的照度是指光通量与被照射表面面积之比，即光通量的密度或单位面积上的光通量，表示为：照度为1勒克司是指在1m2的面积上照射1流明的光通量。它是描述环境受光源照射情况的量。,第二章 视觉基础知识,照度,不同环境的照度如下：,第二章 视觉基础知识,亮度,6亮度 亮度是用来说明发光表面的明亮程度的，定义为：光源单位面积在法线方向上的发光强度，称为光源亮度，即,该亮度是客观亮度，和观察的角度无关。,第二章 视觉基础知识,亮度,第二章 视觉基础知识,2.3色度学,1彩色视觉明视觉过程；暗视觉过程。彩色三要素：明亮度、色调和饱和度。,第二章 视觉基础知识,三基色原理,2三基色原理 不同波长的单色光会引起不同的彩色感觉，而相同的彩色感觉可以由不同的光谱成分混合而成。如红+绿=黄。实际上，我们只需要红、绿、蓝三种光即可合成自然界常见的各种色光，因此把红、绿、蓝称为三基色。,第二章 视觉基础知识,Hermann Gnter Grassmann 1809-1877,三基色原理,Grassman定律：人眼的视觉响应取决于红、绿、蓝三分量的代数和，即他们的比例决定了彩色感觉，其亮度在数量上等于三基色亮度的总和。亮度为：,第二章 视觉基础知识,三基色原理,含义是1lm白光=0.299lm红光+0.587lm绿光+0.114lm蓝光，表明当红、绿、蓝的主观亮度比例分别为0.299、0.587、0.114时（此时三者的客观亮度相同），混合的结果便得到标准的白光。注1：由Grassman定律知，任何一幅彩色图像，只需用三幅单色图像即可表示，是彩色电视的依据。,第二章 视觉基础知识,三基色原理,注2：在绘画、电影胶片中存在相减混色。利用颜料的吸光性质，从白光中减去某种成分，即可得其它颜色，其三基色是黄、青、紫。黄=白-蓝，紫=白-绿，青=白-红；黄+紫=白-蓝-绿=白-（绿+蓝）=白-青=红；,第二章 视觉基础知识,颜色的定义,美国光学学会（Optical Society of America）色度学委员会：颜色是除了空间的和时间的不均匀性以外的光的一种特性，即光的辐射能刺激视网膜而引起观察者通过视觉而获得的景象。我国国标GB5698-85：色是光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性。即色是一种物理刺激作用于人眼的视觉特性，而人的视觉特性是受大脑支配的，也是一种心理反映。所以，色彩感觉不仅与物体本来的颜色特性有关，而且还受时间、空间、外表状态以及该物体的周围环境的影响，同时还受各人的经历、记忆力、看法和视觉灵敏度等各种因素的影响。,第二章 视觉基础知识,亮色表示法,3.亮色表示法,第二章 视觉基础知识,亮色表示法,优点：（1）把图像的能量集中到亮度上，色度上只有很少的能量。（2）YUV三元素间的相关性很小，Y、U、V三个分量可以单独编码、处理。,第二章 视觉基础知识,亮色表示法,第二章 视觉基础知识,（3）利用人眼对色度分辨力差的特点，对色度信号进行亚抽样。,亮色表示法,（4）从频带上讲，直接传送RGB，需要传送三个与黑白电视信号带宽相同的信号，而传送YUV则只需一个黑白信号的带宽，色差信号的带宽很窄，可以插入亮度信号中。,第二章 视觉基础知识,亮色表示法,第二章 视觉基础知识,色彩产生情绪，引发好感和反感，色彩操纵印象，影响人们的决策，色彩控制思想，引导个人的行为，色彩使人致病，也可以治愈病人，色彩无时不在，色彩也无处不在。可能是世界上最早的包含三基色的诗句：日出江花 红 胜火，春来江水 绿 如 蓝。白居易忆江南去掉带色彩的字，以下诗句将成何情形：春风又绿江南岸 两个黄鹂鸣翠柳，一行白鹭上青天。白日依山尽，黄河入海流。,在古代中国，红色是幸运色，是财富的象征，可以驱病避邪。红色代表了原始人类生命体验中的鲜血、火焰和爱。红色容易令人产生这样的联想：强壮、精力充沛、信任和创造力。蓝色是神奇的颜色，童话的颜色，谜一样的、梦幻的、冥想的颜色。黄色给人十分温暖、舒服的感觉。-歌德 绿色是生命。橙色用来象征温暖和成熟。棕色被视为一种坚固的、诚实的、家常的颜色。紫色是最特别的、最有魅力和神秘的颜色。,金色传递的是价值的印象。银色的产品和银色包装的产品，被认为是质量好的，价格不菲的。黑色现在已经成为一种流行色，它体现了三种特征：高雅、悲伤和与众不同。白色是光的总和，是未受污染的纯洁和无罪，是绝对肯定的颜色。灰色是介于光明和黑暗之间的颜色。灰色的日常生活没有高潮也没有低潮，灰色可以掩盖事物，产生寂静，排挤有生气的事物。灰色与长寿和久远的过去联系在一起。男人们尤其偏爱灰色。可能是因为灰色西装在充满着竞争的职业生活中显得不那么引人注目，因而那些穿灰西装的人受到的进攻也会少一些。,颜色有冷暖：人们在一个漆成蓝绿色的空间里，15C 时就会感觉到寒冷，而在橙色房间里只有到了 2C 才有同样的感觉。颜色引起生理反应：红 蓝 呼吸快速 呼吸缓慢 脉搏和血压上升 脉搏和血压下降心跳加速 心跳减慢,颜色有重量：白色包装的 3 磅重的物体，改成其他颜色的包装，主观感觉重量变为：黄色 3.5 磅 绿色 4.1 磅 蓝色 4.7 磅 灰色 4.8 磅 红色 4.9 磅 黑色 5.8 磅,汽车颜色与事故,国外一项调查显示，浅色汽车遭遇车祸的概率比其他颜色低许多。据调查，银色轿车与其他颜色的车相比发生恶性事故的可能性小得多。驾驶银色车的人与驾驶白色车的人相比，在事故中严重受伤的可能性要低50%。白色、黄色、灰色、红色和蓝色的汽车发生事故的几率一样，而黑色、棕色或绿色汽车发生恶性事故的几率则要高出两倍多。银色属冷色，涂上银色的汽车反光更强，这对于紧随身后的汽车司机来说不仅较为醒目，还会产生银色汽车体积大以及相距很近的错觉。超车、尾随时就更加警惕。同样体积的棕色、绿色汽车，由于反光差，看起来似乎更“瘦小”些，事故发生相对就多了,2.3 视觉现象和视觉特性,视觉范围和分辨力（1）视觉范围 指人眼所能感觉的亮度范围，一般从百分之几尼特到几百万尼特。但人眼并不是同时能够感受如此宽的亮度范围，人眼在适应了某一平均的亮度环境后，若平均亮度适中，能分辨的亮度上、下限之比仅为1000：1，而平均亮度较低时，该值仅为10：1。,第二章 视觉基础知识,d,视觉分辨力视力,（2）视觉分辨力视力 人眼在一定距离上能分开相近两点的能力，可以用能分开的最小视角的倒数来描述：,第二章 视觉基础知识,L,视觉分辨力视力,第二章 视觉基础知识,人眼的视觉分辨力或视觉锐度为1/。视力的国际标准测试方法Landolt环，如图所示，观察距离为5m，照度为500lx，环的开口缝隙为1.5mm时，刚好使视角为1分，若此时人眼刚好能分辨出，则视力为1.0。如果缝隙为上述值的一半，在相同的其它条件下，视力为2.0。,视觉分辨力视力,第二章 视觉基础知识,视觉分辨力视力,第二章 视觉基础知识,注意：视觉分辨力和下述因素有关（1）与环境照度有关（2）被观察对象的相对对比度Cr=(B-B0)/B0)100（3）和物体的运动速度有关（4）人眼对彩色的分辨力要低于对黑白的分辨力。（5）和瞳孔的直径有关。,视觉适应性,2.视觉适应性（1）暗适应 人眼适应黑暗环境的能力，约需30分钟。瞳孔放大，杆细胞代替锥细胞工作，恢复了对微弱光刺激的感觉。（2）亮适应 人眼适应明亮环境的能力，约需几秒钟。锥细胞恢复工作比杆细胞要快得多。,第二章 视觉基础知识,视觉适应性,第二章 视觉基础知识,（3）对比灵敏度（韦伯比）人眼对亮度强弱的感受是非线性的，且具有很强的适应能力，一般很难判断亮度的绝对大小。然而，当判断两个亮度哪个大时，视觉系统有较好的能力，即人眼具有较好的对比灵敏度。若背景宽广且亮度均匀，则B近似正比与B0,即：,该比值称为韦伯比（相对对比灵敏度阈、相对辨别门限）。,视觉适应性,（4）同时对比效应 刺激的亮度和色度受周围背景的影响而使我们产生不同的感觉，称为同时对比效应。它是对整个面积而产生的现象。可用近旁适应性来解释。,第二章 视觉基础知识,马赫带是在明暗交界处产生的视觉现象。,视觉适应性,注：（a）根据对比灵敏度的概念，能表示出50个灰度级的亮度变化即可,故早期的显示设备受技术条件限制只有64个灰度级，也能满足人眼的视觉需求。（b）理想情况下，人眼可以分辨500个灰度级；需要用9bit进行编码。一般都是用8位。若作为测量用，需要更精细一些，才能达到更高的测量分辨率，如1020bit。,第二章 视觉基础知识,亮度感觉,主观感觉到的亮度并不直接由景物本身的亮度所决定，背景亮度B不同，感觉到的最小亮度变化Bmin也不同。人眼对亮度差别的感觉取决于相对亮度的变化，于是亮度感觉增量S可以用相对亮度增量来衡量，即,积分后得总的亮度感觉：,第二章 视觉基础知识,亮度感觉,韦伯-费赫涅尔（Weber-Fechner）定律：亮度感觉与亮度的对数呈线性关系。,第二章 视觉基础知识,亮度感觉,(1)曲线上的纵坐标表示人眼适应了某一亮度后得到的亮度感觉。(2)曲线中间较长的一段满足韦伯-费赫涅尔定律。(3)人眼在适应了某一平均亮度后，能感受的黑白视觉范围很小。(4)给影像的传送和再现带来方便：重现影象的亮度无需等于实际的亮度，只需保持对比度不变即可，即C=Bmax/Bmin=常数。人眼所能辨别的亮度差别无需重现，即没有必要对亮度进行精确重现，只需有一定的层次，即可给人以真实的感觉。,第二章 视觉基础知识,视觉惰性,4.视觉惰性 人眼对亮度改变的响应的滞后性称为视觉惰性，即人眼对亮度突变的适应需要一定的过渡时间。说明：（1）在突变的亮度刺激下，亮度感觉要比实际的亮度大。（2）亮度消失后，亮度感觉并不立即消失，一般能保持，即为眼睛的记忆性。,第二章 视觉基础知识,视觉惰性,实验表明，若景物以间歇性光亮重复呈现，只要重复频率大于20赫兹，视觉上始终保留有景物存在的印象。临界闪烁频率：,t,B0m,S0m,B S,0,第二章 视觉基础知识,Mach Band效应,5.Mach Band效应视觉的主观感受在亮度有突变的地方出现的虚幻的亮的或暗的条纹。,第二章 视觉基础知识,人眼喜欢正立的物体,其它视觉特性,（1）错觉,第二章 视觉基础知识,视觉具有将相似图形统一化的倾向：若干东西要组合，总是形状、颜色、材料、距离、方向性等性质相似的容易作为一个图形而表现出统一的感受。,错觉,第二章 视觉基础知识,2.2.1 几何变换:灰度级插值,第二章数字图象处理基础 第二节 空域变换,第二章 视觉基础知识,第二章 视觉基础知识,第二章 视觉基础知识,第二章 视觉基础知识,第二章 视觉基础知识,哪个人高？,第二章 视觉基础知识,错觉,第二章 视觉基础知识,（2）Gibson效应,（2）Gibson效应 长时间凝视一条弯曲的线后，马上看一条直线，该直线向与曲线相反的方向弯曲。,第二章 视觉基础知识,深度感觉,（3）深度感觉视差人眼的立体视觉特性是立体电视与立体电影的共同基础。,第二章 视觉基础知识,进入色、后腿色、膨胀色、收缩色,（4）进入色、后腿色、膨胀色、收缩色进入色：有的颜色具有拉近距离的感觉，看着近，波长长；后退色：有的颜色有拉远距离的感觉，看着远，波长短；膨胀色：有的颜色具有使物体变大的感觉，看着大，高亮的黄色；收缩色：有的颜色具有使物体缩小的感觉，看着小，低亮的蓝色。,第二章 视觉基础知识,图形残效,（5）图形残效 两个同心圆，外圆的直径固定，当内部的小圆作各种大小的变化时，感觉好像大圆也在变化。,第二章 视觉基础知识,这是排水沟吗？,谢谢！,提问与讨论时间,