光與人眼的視覺特性電視就是依據人眼的視覺特性以一定的電信號形式來傳送活動景像的技術。

一、光的特性光學和電磁場理論指出：光是一種可以看得見的電磁波，它具有波粒二象性——波形性和微粒性。電磁波的譜極為寬廣，它包括無線電波、可見光譜、紫外線、X射線和宇宙射線等，它們分別占據的頻率范圍如圖1.1所示。可見光譜的波長范圍在380～780nm之間，隨著波長的變化，人眼主觀感覺隨之變化，表現為兩個重要特性：1、不同波長的光具有不同的顏色。若光的波長從780nm依次遞減變化到380nm，光的顏色紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，比780nm更長的電磁輻射是紅外線，比380nm更短的電磁輻射是紫外線。2、輻射功率相同但波長不同的光給人眼的亮度感覺不相同。電子槍單色光(譜色光):單一頻率電磁輻射所發出的光稱為單色光或譜色光，人眼對此感到的是一種單純的顏色，稱為單色或譜色。實際上，一般光源不會發出純凈的譜色光，它們或者象日光和白熾燈光那樣發出的是連續光譜的光，或者象高壓汞燈那樣發出具有若干條譜線的線狀光譜的光。無論連續光譜光源或線狀光譜光源,它們發出光都稱為復合光。我們日常接觸到的各色的光源或者由客觀景物反射入眼睛的光線，均為復合光。

光譜功率分布曲線：一種光源同時發射多種譜色光,那么在各個波長上將具有各自的功率。光源的光譜輻射功率按波長的分布稱為光譜功率分布。光源的光譜功率分布可以用直角坐標上的一種曲線來表示。橫坐標為光譜波長，縱坐標為輻射功率或相對能量。

圖1.2示出幾種標準光源的光譜功率分布曲線例子。充氣鎢絲白熾燈(A光源):波長越長輻射功率越大。等能白光源(E光源):可見光范圍內輻射功率完全均勻。它發出某一種白色光。不過，等能白光源是假想的，這種光譜功率分布的光源在自然界中是不存在的，然而，它在彩色電視的色度計算中十分有用，是一個方便而有意義的人為規定的基準白色光源，簡稱為E白。

C光源和D光源分別是NTSC制和PAL制彩色電視照明光源。

C光源6770KA光源2854KE光源5500KD光源6500K圖1.2幾種光源的光譜功率分布曲線

二、人眼的構造與感光機理眼睛的外形是一個直徑大約為23mm的球體，其水平斷面，如圖2所示。2

眼球由多層組成，最外層是較硬的膜，前面1/6部分是透明的角膜，光線由此進入，其余5/6部分為鞏膜，作為外殼保護眼球。角膜內是前室，含有水狀液，對可見光是透明的，能吸收一部分紫外光。前室后面是虹膜，其中間有一直徑可在2～8mm間變化的小孔，稱為瞳孔，相當于照相機的光圈，調節進入眼睛的光通量。瞳孔后面是水晶體，它是扁球形彈性透明體，能起透鏡作用，其曲率由兩旁的睫狀肌調節，從而改變它的焦距，使遠近不同的景物都在視網膜上清晰成象。水晶體的后面是后室，它充滿了透明的膠質，起著保護眼睛的濾光作用。后壁則為視網膜，它由無數的光敏細胞組成。光敏細胞按其形狀分為桿狀光敏細胞和錐狀光敏細胞，錐狀光敏細胞有700萬個，主要集中在正對瞳孔的視網膜中央區域稱為黃斑區。

黃斑區無桿狀光敏細胞，越遠離黃斑區，錐狀光敏細胞越少，桿狀光敏細胞越多，在接近加緣區域，幾乎全是桿狀光敏細胞。錐狀光敏細胞既能感光，又能感色。桿狀光敏細胞只能感光，不能感色，但感光靈敏度極高，是錐狀光敏細胞感光靈敏度的10，000倍。兩類細胞有明確的分工：在強光作用下，主要由錐狀光敏細胞起作用，所以在白天或明亮環境中，看到的景象既有明亮感，又有彩色感，這種視覺叫做明視覺（或白日視覺）；在弱光作用下，主要由桿狀光敏細胞起作用，所以在黑夜或弱光環境中，看到的景物全是灰黑色，只有明暗感，沒有彩色感，這種視覺叫做暗視覺。每1個錐狀光敏細胞通過1根視神經與大腦相連；數個桿狀光敏細胞通過1根視神經與大腦相連；視神經匯集視網膜的一點，此點無光敏細胞，稱為盲點。人眼的感光機理感光過程大致分為四個步驟：第一步：景物經過水晶體聚焦于視網膜形成“光象”；第二步：光象在視網膜上點產生與光照度成正比的電位，即在視網膜上將“光象”變成“電位象”；第三步：視網膜上各點的電位分別促使各對應的視神經放電，放電電流是振幅恒定而頻率隨視網膜電位大小變化的電脈沖。換句話說，視神經將視網膜的“電位象”按頻率編碼方式傳送給視覺皮質。第四步：視覺皮質通常接收到多達200萬個頻率編碼的電脈沖信號，大腦綜合的圖像信息處理使人產生視覺，看到景物的圖象。關于大腦綜合的圖像信息處理使人產生視覺還是一個謎，人們正處于研究與探索之中。三、人眼的視覺特性1、相對視敏函數輻射功率相同波長不同的光對人眼產生的亮度感覺是不相同的。1933年國際照明委員會（CIE）經過大量實驗和統計，給出人眼對不同波長光亮度感覺的相對靈敏度，稱為相對視敏度（相對視敏函數）V（

）

。表1給出了相對視敏度的最佳數據，圖3是根據表1作出的曲線，稱為相對視敏函數曲線。它的意義是：人眼對各種波長光的亮度感覺靈敏度是不相同的。實驗表明：在同一亮度環境中，輻射功率相同的條件下，波長等于555nm的黃綠光對人眼的亮度感覺最大，并令其亮度感覺靈敏度為1，即相對視敏度V（

）=1；人眼對其它波長光的亮度感覺靈敏度均小于黃綠光（555nm），故其它波長光的相對視敏度V（

）都小于1。例如波長為660nm光線的相對視敏度V（660）=0.061，那么，這種紅光的輻射功率應比黃綠光（555nm）大16倍（即1/0.061＝16），才能給人相同的亮度感覺。當

<380nm和

>780nm時，V（

）＝0

這說明紫外線和紅外線的輻射功率再大，也不能引起亮度感覺，所以紅外線和紫外線是不可見光。這也是自然選擇的結果。假如人眼對紅外線也能反映，那么這種近似光霧的熱輻射將會成為人們觀察外部世界的一種干擾。

4如果在夜晚或微弱的光線下，測得的人眼相對視敏函數曲線向左移，如圖5中V′(λ)曲線所示。常稱V(λ)為明視覺相對視敏函數，稱V′(λ)為暗視覺相對視敏函數。

明視覺相對視敏度

400500600700

波長（毫微米）1.00.80.60.40.2暗視覺

2、光學基本參量：

光通亮輻射功率相同波長不同的光所引起的亮度感覺不同；輻射功率不同，波長也不相同的光可能引起相同的亮度感覺。為了按人眼的光感覺去度量輻射功率，引入光通量的概念。單一波長光（單色光）光通量F（

i）等于輻射功率P（

i）與相對視敏度的乘積：F（

i

）＝P（

i

）V（

i

）光瓦（1）兩個或兩個以上波長的光稱為復合光。其光通量等于各波長光通量之和：（2）光通量的單位是光瓦和流明。

1光瓦等于輻射率為1瓦、波長為555nm的黃綠光產生的光通量；

1流明＝1/680光瓦；

1光瓦＝680流明；發光強度

光源在單位立體角內發出的光通量定義為發光強度；用I表示。它與光通量的關系為:

I=

（3）

F=(4)例如，處在球心的點光源的光通量假設為F，則在球面上的發光強度為：亮度

亮度是指發光面在指定方向上的發光強度與發光面在垂直于所取方向的平面上的投影之比。如果發光面以平方米為單位，發光強度單位為燭光。亮度單位為尼特，即:

1尼特=1燭光/平方米亮度單位還可以用熙提表示：

1熙提=104尼特大多數面光源只在半球空間輻射，對于漫散射面光源，其發光強度是按余弦規律分布的。漫散面ds在α方向上的亮度為：

（5）上式說明,理想漫散射面雖然在各個方向上的發光強度不同，但亮度相同。3、人眼的亮度視覺特性3.1、人眼的亮度視覺范圍和亮度感覺

亮度視覺范圍指人眼所能感覺的亮度范圍。這個范圍非常寬：明視覺的亮度感覺范圍為1尼特至幾百尼特;

暗視覺的亮度感覺范圍為千分之幾尼特至幾個尼特。人眼具有如此寬廣的亮度視覺范圍，原因在于眼睛的感光作用具有適應性。當外界光的強弱大幅度突變時，眼睛會通過一定的生理調節過程來適應新的光強。眼睛的適應性分暗適應和亮適應兩種過程：從明亮環境進入黑暗環境時---

人眼的瞳孔直徑可由2毫米擴大到8毫米，使進入眼球的光通量增加16倍；更主要的是由靈敏度極高的桿狀細胞接替靈敏度較低的錐狀細胞產生感光作用，從而使感光靈敏度提高幾萬倍；

從黑暗環境進入明亮環境也需要一個短暫的亮適應過程，才能由錐狀細胞起作用。盡管人眼感光范圍極其廣闊，但它并不能同時感覺如此寬廣的亮度范圍。當人眼適應某一環境亮度后，可感受的亮度范圍就有一定的限度：在平均亮度適中時，能感受的亮度上、下限之比約為1000∶1；平均亮度過高或過低時，這一比值只有10∶1。

人眼的明暗感覺是相對的，在不同的亮度背景下，對同一景物亮度的主觀感覺并不相同。例如，在晴朗的白天，環境亮度為10,000尼特，此時可分辨的亮度范圍是200～20,000尼特；等于或低于200尼特的亮度都引起黑色感覺；在環境亮度為30尼特時，人眼可分辨的亮度范圍為1～200尼特，此時200尼特的亮度引起極為明亮的感覺，而低于1尼特的亮度才引起黑色感覺；

正因為如此，不論是電影還是電視所映出的畫面，并不需要恢復原景物的亮度，而只需具有一定的對比度和亮度層次，就能給人以相當真實的亮度感覺而得出較高質量的黑白圖像。3.2、對比度和亮度層次

原景物圖像或重現圖像的最大亮度Bmax與最小亮度Bmin之比稱對比度或反差，用C標記。在畫面的最大亮度與最小亮度之間能分辨的亮度感覺級數為亮度層次，也稱黑白灰度，用n標記。一般來說，對比度越大，畫面的亮度層次應當越豐富。但另一方面，能分辨的亮度層次還受人眼的對比度靈敏度閾δ的制約。在一定的照明光源下，電視圖像的對比度為:

(6)

式中，BMAX、BMIN和BP分別表示圖像最大、最小亮度和雜散光亮度。

3.3視覺惰性和閃爍感覺

視覺惰性視覺的建立和消失都具有一定的惰性。視覺的建立：當一定強度的光突然投射到視網膜上時。人眼并不即刻形成穩定的亮度感覺，而有一段短暫的建立過程。隨著時間的增長，亮度感覺先由小到大，很快達到最大值，然后回降至穩定值；視覺的消失：光線消失后的殘留視覺被稱為視覺暫留。通常，視覺暫留時間約為0.05～0.2秒。圖5所示的視覺惰性中，可以同時看出視覺惰性的兩個方面，即視覺的建立過程和視覺的消失過程。

亮度感覺S光脈沖P

亮度感覺曲線

t1t2t3t4t

（a）視覺惰性通常，視覺暫留時間約為0.05～0.2秒。

SPS曲線

t

（b）臨界閃爍頻率

圖5視覺惰性和臨界閃爍頻率

由于視覺暫留特性，前一幅畫面的印象尚未消失時，后一幅畫面的印象又已建立,人眼就會感覺畫面不是斷續的而是連續的，暫留時間為0.05秒，則產生連續感的換幅頻率(重復頻率)為20赫茲。

電視熒光屏上，有數十萬個像素按一定的順序在輪流發光，但人眼看到的卻像是整幅畫面在同時發光，獲得的是恒定亮度的完整的形象。這同樣是視覺暫留特性產生的結果。

閃爍感覺臨界閃爍頻率fC

：不再引起閃爍感覺的光源最低重復頻率。常用fC

表示，它與亮度的對數成線性關系，有公式：

(7)式中，B1是脈沖光源亮度，B2是背景亮度。常取α=9.6,b=26.6,即：

(8)熒光屏的最高亮度約100尼特，這樣電視圖象的fc=45.8HZ。4、人眼的分辨力人眼分辨圖像細節的能力稱為人眼的分辨力。分辨黑白圖像細節的能力稱亮度分辨力；分辨彩色圖像細節的能力稱彩色分辨力。分辨力的大小可用分辨角(視敏角)來表征。

(9)d

L

圖6人眼的分辨率測定原理

觀察靜止圖象時，分辨角θ約為1′～1.5′;

運動物體，分辨角將大些，即分辨力要低些。分辨力與人眼對運動景物的連續感有密切關系。由于存在視覺惰性，且暫留時間大于0.05秒，所以當一幅靜止畫面(即景物不運動)以高于20HZ頻率間斷地重復呈現時，盡管有亮度閃爍，但會感覺這幅畫面始終存在于眼前，產生了視覺上的連續感。實驗表明，對于一個間斷呈現的運動景物，當它的換幅頻率高于20Hz，且前后兩次呈現的相對位置對眼睛的張角不超過7.5分時就會產生連續移動的感覺，當超過了7.5分時，欲使其仍具連續感，則要將換幅頻率提高到大于20Hz。畫面增多了，運動景物前后兩次呈現的相對位置挨近了，張角小于7.5分便產生連續感。

。實驗證明，人眼的彩色分辨力低得多。表2給出一組實驗測量數據:

彩色對比:黑白黑綠黑紅黑藍綠紅紅藍綠藍分辨率:100%94%90%40%26%23%19%

人眼彩色分辨力與亮度分辨力的特性，對于實現彩色電視信號傳輸有著重要意義5、

人眼的彩色視覺特性

5.1彩色的三個參量：亮度、色調、飽和度亮度：是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺。常以B表示。它與被觀測物體的發光強度及視敏函數有關。色調：是彩色之間相互差異的重要特征，反映顏色的類別。物體的色調決定于光源的光譜成分和物體的反射特性或透射特性。飽和度：表征彩色的純粹性,色調的濃淡深淺程度。譜色光是飽和度最高的彩色，彩色光的飽和度隨著摻入的白光增多而降低。

亮度表示某彩色光的明亮程度，而色調則表示顏色的類別,飽和度表示顏色的深淺程度。

5.2

人眼的彩色視覺特性人眼的彩色視覺特性是:人眼所看到的彩色是不同光譜成份作用于眼睛的綜合效果。不同波長的光波會引起不同的彩色感覺；相同的彩色感覺，也可以由不同波長的光譜成份引起。例如:波長580nm的譜色光引起橙黃色感覺。又例如：太陽光發出的白光包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光，即這七色光可混合成太陽白光。但也可以用紅、綠、藍三種不同波長的單色光混合成白光。由此可知:單色光可用混合色光來等效，混合色光也可由單色光以適當比例混配來代替，這種現象稱為混色。利用混色的方法，人們可以仿造出自然界中絕大多數彩色，而不管仿造的彩色與原彩色是否具有相同的光譜成份。這一點對于實現彩色電視廣播也具有非常重要的意義。對于人眼彩色視覺特性的解釋主要有兩大學說。其一是楊--亥姆霍爾茲的三色學說。它從彩色混合的物理學規律出發，假設視網膜上有三類錐狀細胞，它們各主要對紅色、綠色和藍色三色光起反應，分別稱為感紅(紅敏)細胞、感綠(綠敏)細胞和感藍(藍敏)細胞。當長波長的光線刺激視網膜時，感紅的錐狀細胞反應最大，興奮最強烈；感綠和感藍細胞都不怎么興奮，于是引起紅色感覺；當中波長的光線刺激視網膜時，感綠細胞最興奮,于是引起綠色感覺；當短波長的光線刺激視網膜時,感藍細胞最興奮，因而引起藍色感覺。若光線引起感紅和感綠細胞都興奮，則產生黃色感覺；若感綠和感藍細胞都興奮，則產生青色感覺；若感紅和感藍細胞都興奮，則產生紫色感覺；若感紅、感綠和感藍細胞三者都興奮,將產生白色感覺。這都符合實際的色光混合現象的。通過實驗后的計算推得三類錐狀細胞具有圖1.6所示的相對視敏函數曲線，分別用VR(λ)、VG(λ)和VB(λ)表示。三條響應曲線的峰值分別在580nm(紅)、540nm(綠)與440nm(藍)點，三條曲線互相重疊，使各種譜色或者僅處于其中一條曲線之下，或者同時處在兩條或三條曲線之下。由圖可見，黃光既能刺激紅敏細胞，又能刺激綠敏細胞，因此紅光和綠光以適當比例混合同時到達視網膜時，這兩種錐狀細胞同時受到刺激，所造成的視覺與黃光單獨作用是一樣的。把三條曲線加起來，就是相對視敏函數曲線，也稱亮度曲線。

VR(λ)相對視敏度1.00.80.60.40.20VG(λ)VB(λ)400500600700波長（nm)圖1.6三類錐狀細胞相對視敏函數曲線5、

人眼的彩色視覺特性

5.1彩色的三個參量：亮度、色調、飽和度亮度：是光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺。常以B表示。它與被觀測物體的發光強度及視敏函數有關。色調：是彩色之間相互差異的重要特征，反映顏色的類別。物體的色調決定于光源的光譜成分和物體的反射特性或透射特性。飽和度：表征彩色的純粹性,色調的濃淡深淺程度。譜色光是飽和度最高的彩色，彩色光的飽和度隨著摻入的白光增多而降低。

亮度表示某彩色光的明