《色彩学》第二章：人眼视觉成像原理

1、色色彩彩学学第二章第二章 人眼人眼视视觉觉成像原理成像原理第二章第二章 人眼人眼视视觉觉成像原理成像原理n视觉的形成视觉的形成n视觉的特性视觉的特性n颜色的视觉颜色的视觉n视觉理论视觉理论视觉的形成视觉的形成n人眼的构造n形象的形成n眼睛等于捕捉光线的摄影机，而大脑是组成影像的机构。n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人眼的构造n人眼的构造相当于一架摄像机或照相机。前面，是由角膜角膜、晶晶状体状体、前房前房，后房后房、玻璃体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

2、胶卷的用于检测光线的视网膜上。 人眼的构造人眼的构造n人眼的形状像一个小球，通常称为眼球。n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。n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。 人眼的构造人眼的构造眼眼球球人眼的构造人眼的构造角角膜膜n角膜角膜(cornea

3、)(cornea)：如：如同相机的滤镜同相机的滤镜n眼球最前端是透明的角膜，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。 人眼的构造人眼的构造晶晶状状体体n晶 状 体 ， 水 晶 体晶 状 体 ， 水 晶 体 (lens)(lens)：如同相机的：如同相机的镜片。镜片。n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。n它像一种能自动调节焦距的凸透镜一样。人眼的构造人眼的构造黄斑黄斑与与盲点盲点

4、 n黄斑是网膜中感觉最特殊的黄斑是网膜中感觉最特殊的部分，稍呈黄色。部分，稍呈黄色。n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。n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。 人眼的构造人眼的构造视视网网膜膜n视网膜视网膜 (retina)(retina)：如同底片。：如同底片。n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。n眼睛的

5、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。 人眼的构造人眼的构造视视网网膜膜人眼的构造人眼的构造视视网网膜膜n视觉器官的两重功能:明视觉与暗视觉n1视锥细胞与明视觉na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

6、到一定照度的情况下，视锥细胞才起作用。nb明视觉：指在光亮的条件下，由锥体细胞起作用的辩认物体细节和颜色的视觉。n2 视杆细胞与暗视觉na. 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。nb. 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。人眼的构造人眼的构造视视网网膜膜n 3明暗视觉特点：na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nb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。 人眼的构造人眼的

7、构造视神经与中心窝 n视 神 经 ( o p t i c nerve)：将收集到的光线转化为脉冲传向大脑，如同光纤。n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。n眼皮 (eyelid)：如同相机的快门 人眼的构造人眼的构造你你知道知道吗？吗？1、色盲形成的原因n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。n以发生原因来分，色盲可分为先天性色盲先天性色盲和后天性色盲后天性色盲。n先天性色盲多为红绿色盲红绿色盲，

8、对于红绿辨色有障碍。n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n部分色盲：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。n红绿色盲n红色盲:缺少感受红色的椎状细胞。 n绿色盲:缺少感受绿色的椎状细胞。 n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。 n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。 n蓝蓝黄黄色盲色盲 患者缺乏感受蓝光的椎状细胞。人眼的构造人眼的构造你你知道知道吗？吗？n全色盲全色盲n全色盲是指眼球中椎状细胞缺少，或无作用，仅能依靠眼球中杆状细胞来感受视觉影

9、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。n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

10、学、史学、法律等方面就较不受限。n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n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”。n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）。 视觉的特性视觉的特性n视觉功能n视觉的特性视觉功能视觉功能视视角角n视觉功能视觉功能是人们借助视觉器官完成一是人们借助视觉器官完成一定的视觉任务的能力。定的视觉任务的能力。n衡量指标：视觉区别物体细节的能力，辩认

11、对比的能力。n一视角一视角n视角：物体大小对眼睛所形成的张角。视角：物体大小对眼睛所形成的张角。n1视角的大小与物体的距离成反比，与物体的大小成正比。n2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。n3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。视觉功能视觉功能视视角角由tan(a/2) = A/2Dtan(a/2) = A/2D，得 出 a = A / Da = 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

12、视觉功能视视觉觉敏锐度敏锐度n二视觉敏锐度n1视觉敏锐度：人们使用视觉器官辩认外界物体的敏锐程度。n表示视觉辩认物体细节的能力，在医学上称为“视力”n2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）n 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。 视觉的特性视觉的特性n光波是一种辐射能光波是一种辐射能n通常，光通亮越大，人感觉光越明亮。但这是对同一种光波而

13、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色光人眼感觉明亮，有的有的比较暗。比较暗。视觉的特性视觉的特性光谱光效率函数光谱光效率函数n 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。n光谱光效率函数n1 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。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。n明视觉曲线V()：明视觉的等能

14、光谱相对明度曲线的简称。n暗视觉曲线V()：暗视觉等能光谱相对明度曲线nV()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。n2 2光谱光效率：代表等能光谱波长为光谱光效率：代表等能光谱波长为的单色光辐射引起的明亮感觉的的单色光辐射引起的明亮感觉的程度。程度。n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” 视觉的特性视觉的特性光谱光效率函数光谱光效率函数 在明光条件下，眼睛对波长在明光条件下，眼睛对波长555nm555nm的黄绿的黄绿光部分感受性最高，即这个波长的光只需要光部分感受性最高，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。也较小的

15、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。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而暗视觉对光谱的蓝绿色部位即510nm510nm最最敏感。敏感。 相应敏感程度见左图。相应敏感程度见左图。视觉的特性视觉的特性人眼视觉延迟人眼视觉延迟 n时间辨别，在某种条件下，闪烁的灯光可能会被知觉时间辨别，在某种条件下，闪烁的灯光可能会被知觉为连续的。为连续的。n 人眼睛的视觉暂留约为每秒每秒16-2416-24次次左右，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

16、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。 颜色颜色对比对比同时对比同时对比n在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响在视场中，相邻区域的不同颜色的相互影响称为称为“颜色对比颜色对比”。n颜色对比有两种情形：一种是同时对比一种是同时对比；另另一种是连续对比一种是连续对比。n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

17、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。n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。n 每一颜色都在其周围诱导出其互补色n 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n例：绿叶中的红花更得更红 颜色颜色对比对比连续对比连续对比n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。先看某种颜色，然后又看到第二种颜色时产生的对比现象。n 特征：对比着的双方具有颜色的不稳定性。特征：对比着的双方具有颜色的不稳定性。n 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，负后像：连续对比时，人的视觉

18、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。看到与其补色相近的颜色。颜色颜色对比对比连续对比连续对比n 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。n 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） 颜色颜色对比对比色彩同化色彩同化n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。 颜色颜色适应适应颜色适应：连续对比时