《色彩學(xué)》第二章：人眼視覺(jué)成像原理

1、色色彩彩學(xué)學(xué)第二章第二章 人眼人眼視視覺(jué)覺(jué)成像原理成像原理第二章第二章 人眼人眼視視覺(jué)覺(jué)成像原理成像原理n視覺(jué)的形成視覺(jué)的形成n視覺(jué)的特性視覺(jué)的特性n顏色的視覺(jué)顏色的視覺(jué)n視覺(jué)理論視覺(jué)理論視覺(jué)的形成視覺(jué)的形成n人眼的構(gòu)造n形象的形成n眼睛等于捕捉光線的攝影機(jī)，而大腦是組成影像的機(jī)構(gòu)。n所有的色彩視覺(jué)都是建立在人的視覺(jué)器官的生理基礎(chǔ)上的，所以研究色彩還必須了解視覺(jué)器官的生理特征及其功能。 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造n人眼的構(gòu)造相當(dāng)于一架攝像機(jī)或照相機(jī)。前面，是由角膜角膜、晶晶狀體狀體、前房前房，后房后房、玻璃體玻璃體所共同組成的具備鏡頭功能的組合，把物體發(fā)出的光線聚焦到后面的相當(dāng)與

2、膠卷的用于檢測(cè)光線的視網(wǎng)膜上。 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造n人眼的形狀像一個(gè)小球，通常稱(chēng)為眼球。n眼球內(nèi)具有特殊的折光系統(tǒng)，使進(jìn)入眼內(nèi)的可見(jiàn)光匯聚在視網(wǎng)膜上。視網(wǎng)膜上含有感光的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，這些感光細(xì)胞把接受到的色光信號(hào)傳到神經(jīng)節(jié)細(xì)胞，再由視神經(jīng)傳到大腦皮層枕葉視覺(jué)神經(jīng)中樞，產(chǎn)生色感。n眼球壁有三層膜組成。外層是堅(jiān)韌的囊殼，保護(hù)眼睛的內(nèi)部，稱(chēng)為纖維膜，它的前1/6為角膜，后5/6為白色不透明的鞏膜，中層稱(chēng)葡萄膜（或血素層、血管層），顏色像黑紫葡萄，由前向后分為三部分：虹膜、睫狀體和脈絡(luò)膜。內(nèi)層為視網(wǎng)膜，簡(jiǎn)稱(chēng)網(wǎng)膜。 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造眼眼球球人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造角角膜膜n角膜角膜(cornea

3、)(cornea)：如：如同相機(jī)的濾鏡同相機(jī)的濾鏡n眼球最前端是透明的角膜，它是平均折射率為1.336的透明體，俗稱(chēng)眼白，微向前突出，曲率半徑前表面約7.7毫米，后表面約6.8毫米，光由這里折射進(jìn)入眼球而成像。 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造晶晶狀狀體體n晶 狀 體 ， 水 晶 體晶 狀 體 ， 水 晶 體 (lens)(lens)：如同相機(jī)的：如同相機(jī)的鏡片。鏡片。n晶狀體在眼睛正面中央，光線投射進(jìn)來(lái)以后，經(jīng)過(guò)它的折射傳給視網(wǎng)膜。所謂近視眼、遠(yuǎn)視眼、老花眼以及各種色彩、形態(tài)的視覺(jué)或錯(cuò)覺(jué)，大部分都是由于水晶體的伸縮作用所引起。n它像一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距的凸透鏡一樣。人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造黃斑黃斑與與盲點(diǎn)盲點(diǎn)

4、 n黃斑是網(wǎng)膜中感覺(jué)最特殊的黃斑是網(wǎng)膜中感覺(jué)最特殊的部分，稍呈黃色。部分，稍呈黃色。n色覺(jué)之所以有很大的個(gè)人差異與黃斑是有關(guān)系的，位置剛好在通過(guò)瞳孔視軸所指的地方，即視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞最集中的所在，是視覺(jué)最敏銳的地方。我們看到物體最清楚時(shí)，就是因?yàn)橛跋駝偤猛渡涞近S斑上的緣故，黃斑下面有盲點(diǎn)，雖然是神經(jīng)集中的部位，但缺少視覺(jué)細(xì)胞，不能看到物體影像。n盲點(diǎn) (blind spot)：視神經(jīng)與眼球的接點(diǎn)，該處無(wú)視細(xì)胞所以無(wú)法感光。 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜n視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜 (retina)(retina)：如同底片。：如同底片。n視網(wǎng)膜是視覺(jué)接收器的所在，它本身也是一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)中心。n眼睛的

5、感覺(jué)為網(wǎng)膜中的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞所致。視桿細(xì)胞能夠感受弱光的刺激，但不能分辨顏色，視錐細(xì)胞在強(qiáng)光下反應(yīng)靈敏，具有辯別顏色的本領(lǐng)。在中央凹處之內(nèi)，只有視錐細(xì)胞，很少或沒(méi)有視桿細(xì)胞。在網(wǎng)膜邊緣，靠近眼球前方各處，有許多視桿細(xì)胞，而視錐細(xì)胞很少。某些動(dòng)物（如雞）因視桿細(xì)胞較少，所以在微光下，它們的視覺(jué)很差，成為夜盲。也有些動(dòng)物（如貓和貓頭鷹）因視桿細(xì)胞很多，所以能在夜間活動(dòng)。 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜n視覺(jué)器官的兩重功能:明視覺(jué)與暗視覺(jué)n1視錐細(xì)胞與明視覺(jué)na視錐細(xì)胞特性：包含感紅，感綠，感藍(lán)細(xì)胞主要感受顏色的差別，而對(duì)明暗的感覺(jué)比較低，對(duì)光的敏感性小，只有達(dá)

6、到一定照度的情況下，視錐細(xì)胞才起作用。nb明視覺(jué)：指在光亮的條件下，由錐體細(xì)胞起作用的辯認(rèn)物體細(xì)節(jié)和顏色的視覺(jué)。n2 視桿細(xì)胞與暗視覺(jué)na. 視桿細(xì)胞特性：感受物體的明暗，對(duì)光的敏感程度高，不能感受物體顏色的差別。nb. 暗視覺(jué)：指視桿細(xì)胞的活動(dòng)特性，可以在光線很暗的情況下工作，不能反映色光的差異。人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造視視網(wǎng)網(wǎng)膜膜n 3明暗視覺(jué)特點(diǎn)：na明視覺(jué)對(duì)400nm（紫色）和700nm（紅色）附近的色光感受性很低，而對(duì)555nm的黃綠色部位最敏感。 暗視覺(jué)對(duì)510nm的藍(lán)綠色部位最敏感nb明視覺(jué)曲線與視覺(jué)曲線之間沒(méi)有聯(lián)系 明暗視覺(jué)特性隨人的年齡，性別等因素的變化而變化。 人眼的構(gòu)造人眼的

7、構(gòu)造視神經(jīng)與中心窩 n視 神 經(jīng) ( o p t i c nerve)：將收集到的光線轉(zhuǎn)化為脈沖傳向大腦，如同光纖。n中心窩 (fovea)：視細(xì)胞最密集之處，為視線投影到網(wǎng)膜上的焦點(diǎn)。這一小凹是視覺(jué)最敏銳的地方。n眼皮 (eyelid)：如同相機(jī)的快門(mén) 人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造你你知道知道嗎？嗎？1、色盲形成的原因n眼睛之所以能辨識(shí)顏色，是由于眼睛存在三種能辨色的椎狀細(xì)胞，這三種椎狀細(xì)胞分別能吸收不用波長(zhǎng)范圍的光，分別是藍(lán)-紫、綠色、紅-黃。當(dāng)椎狀細(xì)胞受到損傷或發(fā)育不全時(shí)，就有可能造成色盲。n以發(fā)生原因來(lái)分，色盲可分為先天性色盲先天性色盲和后天性色盲后天性色盲。n先天性色盲多為紅綠色盲紅綠色盲，

8、對(duì)于紅綠辨色有障礙。n后天性色盲的發(fā)生原因可能與視網(wǎng)膜、視神經(jīng)病變有關(guān)，例如外傷、青光眼。2、色盲分類(lèi)：部分色盲、全色盲n部分色盲：部分色盲：大致可分為紅綠色盲和藍(lán)黃色盲，可利用石原氏色盲檢測(cè)圖來(lái)做檢測(cè)。n紅綠色盲n紅色盲:缺少感受紅色的椎狀細(xì)胞。 n綠色盲:缺少感受綠色的椎狀細(xì)胞。 n紅色弱:患者椎狀細(xì)胞對(duì)紅色感光的波形接近感受綠色的椎狀細(xì)胞波形。 n綠色弱:患者椎狀細(xì)胞對(duì)綠色感光的波形接近感受紅色的椎狀細(xì)胞波形。 n藍(lán)藍(lán)黃黃色盲色盲 患者缺乏感受藍(lán)光的椎狀細(xì)胞。人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造你你知道知道嗎？嗎？n全色盲全色盲n全色盲是指眼球中椎狀細(xì)胞缺少，或無(wú)作用，僅能依靠眼球中桿狀細(xì)胞來(lái)感受視覺(jué)影

9、像光線的強(qiáng)弱。其視覺(jué)所見(jiàn)的景像只有灰階的色階分布，眼睛對(duì)于亮度非常敏感，在白天的室外需戴上深色的太陽(yáng)眼鏡保護(hù)眼睛。n一般社會(huì)上存在的全色盲比較非常少，但在大西洋上的平格拉普島(Pingelap)和彭培島(Pohnpei)上卻有極高的比例為全色盲，因?yàn)閸u上的基因庫(kù)小，難以避免近親繁殖，至使島上全色盲的比例高于全世界其他地方的三萬(wàn)分之一，平格拉普島人口約七百人，全色盲的比例高達(dá)十二分之一，這種造成全色盲的基因叫作馬斯肯基因，島上約有三分之一的人為帶因者。3、色盲患者在職業(yè)的選擇上會(huì)受到限制，特別是美術(shù)、醫(yī)學(xué)、化工等性質(zhì)的工作，需要依賴(lài)大量的辨色能力，在就學(xué)與在職訓(xùn)練時(shí)就常因體檢結(jié)果而被拒絕。但在文

10、學(xué)、史學(xué)、法律等方面就較不受限。n許多交通號(hào)志常用紅綠來(lái)表示，對(duì)于色盲患者，可教導(dǎo)他們依亮燈位置來(lái)辨識(shí)。形象的形成n正常人的眼睛，在適當(dāng)?shù)恼斩认?，觀看250nm距離的物體最清楚而且最省力，不易疲勞，人們把這一距離稱(chēng)為“明示距離”。n視覺(jué)與年齡：視覺(jué)發(fā)生于出世后約一個(gè)月左右，大致一年以后即可對(duì)所有色彩具備完全感受能力。隨年齡的增長(zhǎng)（大約30歲開(kāi)始）其效力日趨衰退（50歲以后特別明顯）。 視覺(jué)的特性視覺(jué)的特性n視覺(jué)功能n視覺(jué)的特性視覺(jué)功能視覺(jué)功能視視角角n視覺(jué)功能視覺(jué)功能是人們借助視覺(jué)器官完成一是人們借助視覺(jué)器官完成一定的視覺(jué)任務(wù)的能力。定的視覺(jué)任務(wù)的能力。n衡量指標(biāo)：視覺(jué)區(qū)別物體細(xì)節(jié)的能力，辯認(rèn)

11、對(duì)比的能力。n一視角一視角n視角：物體大小對(duì)眼睛所形成的張角。視角：物體大小對(duì)眼睛所形成的張角。n1視角的大小與物體的距離成反比，與物體的大小成正比。n2具有正常視覺(jué)的人能夠分辨物體空間兩點(diǎn)間所形成的最小視角為1，1=0.00029弧度。n3視角的大小決定了視網(wǎng)膜上像的大小，而視網(wǎng)膜上像的大小又決定了人們視覺(jué)的清晰度。如圖中的a。同一物體，離人越近，視角越大，離人越遠(yuǎn)，視角越小。視覺(jué)功能視覺(jué)功能視視角角由tan(a/2) = A/2Dtan(a/2) = A/2D，得 出 a = A / Da = A / D不同物體在跟人眼相同距離時(shí)，物體越大，則視角越大，物體在視網(wǎng)膜上成的像越大。 視覺(jué)功能

12、視覺(jué)功能視視覺(jué)覺(jué)敏銳度敏銳度n二視覺(jué)敏銳度n1視覺(jué)敏銳度：人們使用視覺(jué)器官辯認(rèn)外界物體的敏銳程度。n表示視覺(jué)辯認(rèn)物體細(xì)節(jié)的能力，在醫(yī)學(xué)上稱(chēng)為“視力”n2視覺(jué)辯認(rèn)物體細(xì)節(jié)的能力與觀察距離有很大關(guān)系 視覺(jué)敏銳度（V）以視角進(jìn)行計(jì)算，是視覺(jué)所能分辨的視角的倒數(shù)。 V=1/（單位為分）n 平時(shí)我們說(shuō)的視力1.0，就是說(shuō)，在規(guī)定的距離下，人的眼睛能夠分辯角度為1/60度（1)的物體的細(xì)節(jié)。因?yàn)槿搜鄣囊曞F細(xì)胞間的距離為6微米，所以，我們的眼睛的分辯能力并不怎樣強(qiáng)的。這一點(diǎn)和主觀感覺(jué)上有不小差異。 視覺(jué)的特性視覺(jué)的特性n光波是一種輻射能光波是一種輻射能n通常，光通亮越大，人感覺(jué)光越明亮。但這是對(duì)同一種光波而

13、言。光輻射能量相同但波長(zhǎng)不同的色光，無(wú)論是明視覺(jué)還是暗視覺(jué)，其產(chǎn)生的明亮程度是不相同的。也就是說(shuō)，人眼對(duì)可見(jiàn)光譜內(nèi)的不同波長(zhǎng)輻射具有不同的感受性。有的色光人眼感覺(jué)明亮有的色光人眼感覺(jué)明亮，有的有的比較暗。比較暗。視覺(jué)的特性視覺(jué)的特性光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù)n 為了了解光譜各個(gè)部分的不同視覺(jué)效果，科學(xué)家測(cè)量了眼睛對(duì)等能光譜不同波長(zhǎng)光的視覺(jué)感覺(jué)性。測(cè)量方法是將光譜上不同波長(zhǎng)的光與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光在明度上匹配，然后測(cè)量出這個(gè)波長(zhǎng)所需的能量。n光譜光效率函數(shù)n1 1等能光譜：一個(gè)光譜上各個(gè)波長(zhǎng)的單色光輻射能量是相等的。等能光譜：一個(gè)光譜上各個(gè)波長(zhǎng)的單色光輻射能量是相等的。n明視覺(jué)曲線V()：明視覺(jué)的等能

14、光譜相對(duì)明度曲線的簡(jiǎn)稱(chēng)。n暗視覺(jué)曲線V()：暗視覺(jué)等能光譜相對(duì)明度曲線nV()和V()的相對(duì)值代表等能光譜波長(zhǎng)為的單色光輻射引起的明亮感覺(jué)的程度。n2 2光譜光效率：代表等能光譜波長(zhǎng)為光譜光效率：代表等能光譜波長(zhǎng)為的單色光輻射引起的明亮感覺(jué)的的單色光輻射引起的明亮感覺(jué)的程度。程度。n光譜光效率函數(shù)V()和V()隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)，也稱(chēng)為“視見(jiàn)函數(shù)” 視覺(jué)的特性視覺(jué)的特性光譜光效率函數(shù)光譜光效率函數(shù) 在明光條件下，眼睛對(duì)波長(zhǎng)在明光條件下，眼睛對(duì)波長(zhǎng)555nm555nm的黃綠的黃綠光部分感受性最高，即這個(gè)波長(zhǎng)的光只需要光部分感受性最高，即這個(gè)波長(zhǎng)的光只需要較小的能量就能與標(biāo)準(zhǔn)光的明度相匹配。也較小的

15、能量就能與標(biāo)準(zhǔn)光的明度相匹配。也就是說(shuō)明是絕對(duì)光譜的黃綠色光部委最敏感。就是說(shuō)明是絕對(duì)光譜的黃綠色光部委最敏感。 而暗視覺(jué)對(duì)光譜的藍(lán)綠色部位即而暗視覺(jué)對(duì)光譜的藍(lán)綠色部位即510nm510nm最最敏感。敏感。 相應(yīng)敏感程度見(jiàn)左圖。相應(yīng)敏感程度見(jiàn)左圖。視覺(jué)的特性視覺(jué)的特性人眼視覺(jué)延遲人眼視覺(jué)延遲 n時(shí)間辨別，在某種條件下，閃爍的燈光可能會(huì)被知覺(jué)時(shí)間辨別，在某種條件下，閃爍的燈光可能會(huì)被知覺(jué)為連續(xù)的。為連續(xù)的。n 人眼睛的視覺(jué)暫留約為每秒每秒16-2416-24次次左右，因此只要以每秒30次或更短的時(shí)間間隔來(lái)更新屏幕畫(huà)面，就可以騙過(guò)人的眼睛，讓我們以為畫(huà)面沒(méi)有變過(guò)。雖然如此，實(shí)際上每秒30次的屏幕刷

16、新率所產(chǎn)生的閃爍現(xiàn)象我們的眼睛仍然能夠察覺(jué)從而產(chǎn)生疲勞的感覺(jué)。所以屏幕的場(chǎng)頻越高，畫(huà)面越穩(wěn)定，使用者越感覺(jué)舒適。 一般屏幕刷新率場(chǎng)頻在每秒75次以上人眼就完全覺(jué)察不到了，所以建議場(chǎng)頻設(shè)定在75Hz-85Hz之間，這足以滿(mǎn)足一般使用者的需求了。 顏色顏色對(duì)比對(duì)比同時(shí)對(duì)比同時(shí)對(duì)比n在視場(chǎng)中，相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響在視場(chǎng)中，相鄰區(qū)域的不同顏色的相互影響稱(chēng)為稱(chēng)為“顏色對(duì)比顏色對(duì)比”。n顏色對(duì)比有兩種情形：一種是同時(shí)對(duì)比一種是同時(shí)對(duì)比；另另一種是連續(xù)對(duì)比一種是連續(xù)對(duì)比。n同時(shí)對(duì)比：就是同時(shí)看到兩種顏色所產(chǎn)生的對(duì)比現(xiàn)象。在產(chǎn)生對(duì)比時(shí)，兩色彩的對(duì)應(yīng)各屬性間都分別出現(xiàn)相互在相反傾向上，加強(qiáng)刺激強(qiáng)度的現(xiàn)象

17、也就是說(shuō)當(dāng)色相各異的顏色配制在一起，每一顏色的色調(diào)向另一顏色的互補(bǔ)色方向變化。n例：在綠色背景下，灰色帶有紅色感覺(jué)，在黃色背景下則帶有藍(lán)色感覺(jué)。n 每一顏色都在其周?chē)T導(dǎo)出其互補(bǔ)色n 如果兩種顏色是互補(bǔ)色則彼此加強(qiáng)飽和度，使對(duì)比變得極為強(qiáng)烈n例：綠葉中的紅花更得更紅 顏色顏色對(duì)比對(duì)比連續(xù)對(duì)比連續(xù)對(duì)比n連續(xù)對(duì)比連續(xù)對(duì)比: :先看某種顏色，然后又看到第二種顏色時(shí)產(chǎn)生的對(duì)比現(xiàn)象。先看某種顏色，然后又看到第二種顏色時(shí)產(chǎn)生的對(duì)比現(xiàn)象。n 特征：對(duì)比著的雙方具有顏色的不穩(wěn)定性。特征：對(duì)比著的雙方具有顏色的不穩(wěn)定性。n 負(fù)后像：連續(xù)對(duì)比時(shí)，人的視覺(jué)由于受到以前注視顏色的刺激影響，負(fù)后像：連續(xù)對(duì)比時(shí)，人的視覺(jué)

18、由于受到以前注視顏色的刺激影響，看到與其補(bǔ)色相近的顏色?？吹脚c其補(bǔ)色相近的顏色。顏色顏色對(duì)比對(duì)比連續(xù)對(duì)比連續(xù)對(duì)比n 比如看很長(zhǎng)時(shí)間的純綠色后，再改成看白色，這時(shí)看到的白色會(huì)有淺紅色的感覺(jué)。這是因?yàn)椋陂L(zhǎng)時(shí)間看綠色時(shí)，綠色的視錐細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間興奮導(dǎo)致了疲勞，而另外的兩種視錐細(xì)胞則仍然工作在常態(tài)下，所以，當(dāng)轉(zhuǎn)為看其它需要三種細(xì)胞“同時(shí)工作”才能得到正確顏色的物體的時(shí)候，如果仍然按照感綠視錐細(xì)胞正常工作時(shí)的算法去還原，則會(huì)產(chǎn)生與其補(bǔ)色相近的顏色。n 要重現(xiàn)這種顏色錯(cuò)覺(jué)，可以將較長(zhǎng)時(shí)間觀察下面的綠色圖，然后迅速滾動(dòng)到白色圖上面，此時(shí)在眼前會(huì)有一瞬間的粉紅色感覺(jué)（很短，視眼睛的不同有些差異，建立不要反復(fù)做這項(xiàng)測(cè)試） 顏色顏色對(duì)比對(duì)比色彩同化色彩同化n色彩同化，不同色彩配置在一起時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種對(duì)比的效果，有時(shí)救災(zāi)會(huì)適得其反，產(chǎn)生所謂“近朱者赤，近墨者黑”的現(xiàn)象。 顏色顏色適應(yīng)適應(yīng)顏色適應(yīng)：連續(xù)對(duì)比時(shí)