人眼视觉原理.2
人眼的视觉原理
人眼的视觉原理
人眼的视觉原理主要涉及光线入射、感光换能、视神经传导和大脑整合等过程。
1.光线入射：当光线从物体发出并进入人眼时，首先通过眼的折光系统，如角膜和晶状体，这些结构对光线进行折射和聚焦，将其映射到视网膜上。
2.感光换能：视网膜上的视神经细胞受到光线刺激后，将光信号转变成生物电信号。
这一过程主要涉及视网膜上的两种细胞：视杆细胞和视锥细胞。
视杆细胞对光线强度有反应，而视锥细胞则对颜色敏感。
3.视神经传导：这些生物电信号随后通过视神经传至大脑，这一过程中，信号经历了复杂的神经处理过程。
4.大脑整合：最后，这些信号在大脑中被整合起来，形成我们所看到的图像。
大脑通过对这些信号的分析、判断、识别等过程，使我们能够看到物体的形状、颜色等特征。
此外，视觉的形成还需要完整的视觉分析器，包括眼球（折光系统）和大脑皮层枕叶（处理视觉信息）。
当我们看东西时，物体的影像经过瞳孔和晶状体，落在视网膜上，视网膜上的视神经细胞在受到光刺激后，将光信号转变成生物电信号，通过神经系统传至大脑，再根据人的经验、记忆、分析、判断、识别等极为复杂的过程而构成视觉，在大脑中形成物体的形状、颜色等概念。
人眼视觉原理
标准基色和色度图
XYZ颜色模型 CIE(国际照度委员会)
X,Y,Z表示产生一种颜色所
需要的三基色的量
C xX yY zZ x y z1
x X X Y Z
y Y X Y Z
z Z X Y Z
X=0.4902R+0.3099G+0.1999B Y=0.1770R+0.8123G+0.0107B
LbC2α2 const
2020/8/10
精品课件
人眼的视觉特性
光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同 的灵敏度（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：
在较明亮环境中，人眼视觉对波长0.555μm左右的绿光最敏感；
在较暗条件下，人眼视觉对波长0.512μm左右的黄绿光最敏感； 右图给出不同视场亮度下，人眼的光谱光视效率曲线：
免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰, 仅仅 分
析反映色彩本质的色调和饱和度 • 广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索
精品课件
5. HSI颜色模型
H（色调）： 为角度，从0到360；
S（色饱和度） ： 从0到1，S＝0时只有灰度；
I（明度）： I从0到1， I＝0是黑色， I=1是白色
精品课件
编码
按照一定的规律，将时间和幅度上离散信号
用对应的二进制或多进制代码表示。
2比特码
8
比特码
幅
（4个）
度
（256个）
11
10001011
10
t 以上是分10别00用1010210和8比特码量化的电平。
t
根据取样10的00量100化1 电平数，确定量化比特码
数。
人眼视物的原理
人眼视物的原理
答案：
眼睛看东西的原理要从眼睛的结构来讲起，从前到后，眼睛可以分为角膜、晶状体、玻璃体、视网膜、视神经。
如果把眼睛比作一个照相机则相对比较好理解，晶状体相当于照相机的镜头，视网膜相当于照相机的底片。
一般平行光线通过晶状体和角膜的折射，形成的物像会落在视网膜上，产生的信息通过视神经传导到视觉中枢。
这样再反馈到视网膜表面形成物象，眼睛就可以看到东西了，这个就是眼睛看见东西的原理。
所以如果眼睛不同的位置出现病变，就会导致视力不同程度的下降，需要进行详细的检查，明确病因以后才可以对症治疗。
延伸：
视力传输是由角膜、房水、瞳孔、晶状体、玻璃体、视网膜、视神经以及大脑皮质视觉中枢各部分功能相互配合而完成的。
首先物体可以射不同频率的光线，人体眼睛内的屈光系统可将这些光线折射到视网膜上，进而透过角膜进入房水、虹膜，再经由瞳孔筛选出有效光线继续穿过晶状体。
晶状体发挥其凹透镜、凸透镜的作用，将有效光线聚焦于某一角度，继而沿着玻璃体直射到眼球后面的视网膜上，视网膜与相机胶片相类似，将收到的信息成像，再通过视神经传输给大脑皮质处的视觉中枢，而使眼睛可以看到东西。
常说眼睛是心灵的窗户，所以要注意眼睛的保护，注意不要用眼过度。
人眼视觉成像原理
人眼视觉成像原理
人眼视觉成像原理是指人眼通过各种光学元件和神经传递系统，将外界的光线转化为图像，并传输至大脑的过程。
这一过程包括屈光系统的调节、球面眼睑、巩膜、角膜、虹膜、晶状体、玻璃体等结构的作用。
首先，光线经过角膜，然后通过虹膜的调节和瞳孔的变化进入晶状体。
晶状体的弹性通过调节其曲率来使近距离和远距离的物体能够在视网膜上成像。
视网膜中的感光细胞将光线转化为电信号，并通过视神经传递至大脑。
在视觉成像的过程中，眼球的运动也起着重要的作用。
通过眼球的转动，我们可以将目光聚焦在不同的物体上，并且能够获取不同角度的视角。
此外，颜色的感知也是通过眼睛完成的。
人眼中的视锥细胞和视杆细胞能够感受不同波长的光线，从而使我们能够分辨出不同的颜色。
总之，人眼视觉成像原理是一个复杂的过程，涉及到多个光学元件和神经传递系统的协同作用。
通过这一原理，我们可以感知到外界的光线并形成清晰的图像。
人眼视觉原理讲课文档
C Lt -Lb Lb
由于背景亮度、对比度和人眼所能探测的目
标张角三者之间存在制约关系（Wald定律） ，特别是在目标张角<7’，时，存在Rose定
律：
LbC2α2 const
2022/4/11 2022/4/11
第十五页，共一百三十二页。
一种颜色 CrRgG bB
第二十八页，共一百三十二页。
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝）
0.8
0.7
0.1 0.2
0.7
第二十九页，共一百三十二页。
CMY(青、品红、黄)、CMYK (青、品红、黄、 黑）
运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩 色打印机和复印机
CMYK
打印中的主要颜色是黑色 等量的CMY原色产生黑色，但不纯 在CMY基础上，加入黑色，形成CMYK彩色空间
第五十页，共一百三十二页。
增强清晰度
增强清晰度视频通常定义为480或576的逐行有效扫
描线的视频，分别称为“480p”和“576p”；
– 根据视觉暂留原理，要使人的视觉产生连续的动态感觉，每秒
钟图像的播放帧数要在24～30（帧频）; ➢帧频：每秒播放的帧数
第四十页，共一百三十二页。
图像序列构成视频
第四十一页，共一百三十二页。
数字视频
广义的数字视频——是指依据人的视觉暂留特性，借助计 算机或微处理器芯片的高速运算，加上Codec技术、传输
500nm颜色=G+B-R RGB彩色监视器无法获得
第二十二页，共一百三十二页。
标准基色和色度图
XYZ颜色模型 CIE(国际照度委员会)
X,Y,Z表示产生一种颜色所
色彩学(人眼视觉成像原理)
人眼的构造——晶状体
晶状体，水晶体 (lens) ： 如 同 相 机 的 镜片。
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。
人眼的构造——视网膜
3．明暗视觉特点： a．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
b．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——视神经与中心窝
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。
① 每一颜色都在其周围诱导出其互补色
② 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
例：绿叶中的红花更得更红
颜色对比——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。 ① 特征：对比着的双方具有颜色的不稳定性。 ② 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，
看到与其补色相近的颜色。
颜色对比——连续对比
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
人眼视觉原理：光线如何通过眼睛产生视觉
人眼视觉原理：光线如何通过眼睛产生视觉
人眼视觉原理涉及到光线如何通过眼睛产生视觉的过程，包括光的折射、眼睛的结构、视网膜的作用等。
以下是人眼视觉的基本原理：
1. 光的折射：
角膜和晶状体：当光线穿过眼睛表面的角膜和晶状体时，由于它们的曲率，光线会发生折射。
2. 眼睛的结构：
巩膜和虹膜：巩膜是眼球表面的白色区域，而虹膜是有色的环形结构，它们控制着进入眼睛的光量。
瞳孔：虹膜中央的孔道称为瞳孔，通过它调节光线的量，瞳孔在弱光中会放大，而在强光中会缩小。
玻璃体和玻璃体悬挂韧带：玻璃体是眼球内部的透明凝胶状物质，玻璃体悬挂韧带连接晶状体。
3. 焦距调整：
晶状体的调整：眼睛通过调整晶状体的形状来改变光的焦距，从而使物体的清晰影像投影到视网膜上。
4. 视网膜的作用：
视网膜：光线经过眼球的折射和调焦后，最终在视网膜上形成倒置的实像。
感光细胞：视网膜上有两种主要类型的感光细胞，分别是视锥细胞（对颜色敏感，主要负责白天视觉）和视杆细胞（对光强敏感，主要负责夜晚和昏暗环境的视觉）。
5. 神经传递：
视神经：感光细胞产生电信号，通过视神经传递到大脑的视觉皮层。
6. 大脑解码：
大脑处理：大脑对传递过来的电信号进行解码和整合，形成我们所看到的图像。
7. 三维视觉：
双眼视差：由于人类有两只眼睛，双眼之间的微小差异称为视差，通过这种视差，我们能够感知深度和三维空间。
人眼视觉的原理涉及到光的折射、眼球结构、焦距调整、视网膜的感光细胞、神经传递和大脑处理等多个步骤。
这个复杂的过程使我们能够感知到周围环境的光学信息。
人眼视觉原理.2ppt
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝） （0,0,0）代表黑色，(1,1,1)代表白色
一种颜色 C rR gG bB
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝）
0.8 0.7
0.1
0.2
0.7
• CMY(青、品红、黄)、CMYK (青、品红、黄、黑）
– 运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩色打印机和复印机 – CMYK
• 饱和度：纯度 该频率的颜色表现
能量分布
能量E
频率
红
紫
白色光
纯度 依赖于Ed与Ew差别
Ew=0 纯度100%
Ed=Ew
Ed
纯度0
Ew
红
紫
某主频光
RGB三基色
• RGB三基色 – 基本颜色 可用来生成其他颜色的两种或三种颜色 – Blue=435.8nm – Green=546.1nm – Red=700nm
x, y, z：色系数
CIE色度图 作用：为不同基色组比较整个颜色范围
标识互补颜色 确定颜色主波长和纯度
2. 标准基色和色度图
2. 标准基色和色度图
2. 标准基色和色度图（续）
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝） （0,0,0）代表黑色，(1,1,1)代表白色
一种颜色 C rR gG bB
计算机技术中，一个字节可以表示 0~255范围内的值，但作为视频信号幅 度，只能在0~100 IRE单位之间。
注：IRE是视频测量中的单位，广播级视频电平规定了任何视频信号在播放时 的亮度电平都不能超过100 IRE。
视频分辨率
视频质量通常用线分辨率来度量； 本质上是表示在显示器上可以显示多少不同的黑 白垂直线；
人的眼球成像原理
人眼成像原理人类的眼睛所成的像，是实像还是虚像呢？我们知道，人眼的结构相当于一个凸透镜，那么外界物体在视网膜上所成的像，一定是实像。
根据上面的经验规律，视网膜上的物像似乎应该是倒立的。
可是我们平常看见的任何物体，明明是正立的啊？这个与“经验规律”发生冲突的问题，实际上涉及到大脑皮层的调整作用以及生活经验的影响。
当物体与凸透镜的距离大于透镜的焦距时，物体成倒立的像，当物体从较远处向透镜靠近时，像逐渐变大，像到透镜的距离也逐渐变小；当物体与透镜的距离小于焦距时，物体成放大的像，这个像不是实际折射光线的会聚点，而是它们的反向延长线的交点，用光屏接收不到，是虚像。
可与平面镜所成的虚像对比（不能用光屏接收到，只能用眼睛看到）。
（1）凸透镜成实像需要满足的一个条件是(u>f)。
（2）共轭成像指的是物距和像距的大小可以互换，两种情况下分别成放大、缩小的倒立实像4.透过凸透镜看二倍焦距之外的钟表，秒针的像仍然是顺时针方向转动，因为此时成倒立的实像，倒着看仍是正常的方向，所以仍然是顺时针方向转动。
视网膜成像与凸透镜成像相似。
晶状体就相当于一个可变焦距的凸透镜，视网膜相当于可以接像的光屏。
视觉成像是物体的反射光通过晶状体折射成像于视网膜上。
再由视觉神经感知传给大脑！这样人就看到了物体。
对于正常人的眼睛，当物体远离眼睛时，晶状体变薄，当物体靠近眼睛时，晶状体变厚。
而近视眼是由于人的晶状体肿大，对光折射能力强，只能看的清近物。
远视眼是由于人的晶状体边薄，对光折射能力弱，只能看的清远物。
2凸透镜成像原理在光学中，由实际光线汇聚成的像，称为实像；反之，则称为虚像。
有经验的物理老师，在讲述实像和虚像的区别时，往往会提到这样一种区分方法：“实像都是倒立的，而虚像都是正立的。
人类眼睛的视觉原理
人类眼睛的视觉原理人类眼睛是我们感知世界的重要器官，视觉是我们日常生活中最为重要的感觉之一。
眼睛能够通过光线的反射，将图像记录在视网膜上，使我们看到各种物体。
了解人类眼睛的基本原理可以帮助我们更好地理解我们所看到的世界。
1. 颜色感知光线对于颜色的感知是我们在日常生活中最为熟悉的。
人类眼睛能够感知不同波长的光线，从而感知各种颜色的物体。
光线的波长决定了我们感知到的颜色的种类。
例如，红色光线的波长为约700纳米，而绿色光线的波长为约500纳米。
当这些光线反射到眼睛时，我们才能感知到它们代表的颜色。
2. 感知深度感知深度是指我们可以区分前景和背景物体的能力。
我们可以通过固定物体的大小和位置，从而判断它们的距离。
这种感知深度的方式被称为“单眼视差”。
当我们处于一个物体的前方时，这个物体会遮挡其他前方物体的一部分。
眼睛会将这种覆盖关系发送到大脑，从而帮助我们感知到距离。
3. 视角视角是指我们在眼睛位置的特定方向上可以看到的区域。
人类的视角大约为160度，但是我们只能够清晰地看到中央30度的区域。
在这个中央区域内，我们有最高的分辨率和色彩感知能力。
这是因为在中央区域，感光细胞密度最高，而在周围区域，感光细胞密度逐渐降低。
4. 瞳孔瞳孔是眼睛的黑色部分，它可以调节光线的进入量。
在弱光条件下，瞳孔会放大，以便更多的光线进入眼睛。
在强光条件下，瞳孔会收缩，以限制光线的进入量。
这是为了保护视网膜免受过度光线损伤。
5. 视锥细胞和视杆细胞视锥细胞和视杆细胞是视网膜上的两种感光细胞类型。
视锥细胞对颜色和细节的感知更为敏感，而视杆细胞对光线强度和运动感知更敏感。
视锥细胞主要分为三种类型，分别对应于红、绿、蓝三种颜色。
这使得我们能够分辨世界上的各种颜色。
综上所述，了解人类眼睛的视觉原理可以帮助我们更好地理解我们所看到的世界。
无论是颜色感知、深度感知还是瞳孔的功能，这些基本原理都对我们的视觉能力产生深远的影响。
随着科学的不断发展，我们对于人类眼睛的认识也会不断更新和深化。
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在较暗条件下，人眼视觉对波长0.512μm左右的黄绿光最敏感；
右图给出不同视场亮度下，人眼的光谱光视效率曲线：
人眼的分辨力：人眼能区分 两发光点的最小角距离称为 极限分辨角θ，其倒数为人 眼分辨力。
从内因分析，影响分辨力的 因素为眼睛的构造。
两个特点： ➢ I分量与图像的彩色信息无关 ➢ H和S分量与人感受颜色的方式是紧密相连的 • 将亮度(I)与色调（H）和饱和度（S）分开，避 免颜色受到光照明暗(I)等条件的干扰, 仅仅分 析反映色彩本质的色调和饱和度 • 广泛用于计算机视觉、图像检索和视频检索
5. HSI颜色模型
对比度C：当Lt和Lb分别为目标与背景的亮度时，对比度表示比度和人眼所能 探测的目标张角三者之间存在制约关 系 （ Wald 定 律 ） ， 特 别 是 在 目 标 张 角<7’，时，存在Rose定律：
LbC2α2 const
人眼的视觉特性
光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同 的灵敏度（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝） （0,0,0）代表黑色，(1,1,1)代表白色
一种颜色 CrR gG bB
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝）
0.8 0.7
0.1
0.2
0.7
CMY(青、品红、黄)、CMYK (青、品红、黄 、黑）
运用在大多数在纸上沉积彩色颜料的设备，如彩 色打印机和复印机
10-4lx
10-3lx
光波与颜色
波长与颜色关系
无
次
线
红红
声声 电 微 外色
波波 波 波 线光
可 见 光
紫紫 色 外射 光 线线
X
可见光频率范围：红 橙 黄 绿 兰 紫 4.3X1014Hz----7.5X1014
光波与颜色
由红绿蓝三色组成的颜色
光的特征
色调：主频率 决定颜色
亮度
单位时间、单位角度、单位投射面上光源幅射能量
标准基色和色度图
XYZ颜色模型 CIE(国际照度委员会)
X,Y,Z表示产生一种颜色所
需要的三基色的量
C xX yY zZ x y z1
x X X Y Z
y Y X Y Z
z Z X Y Z
X=0.4902R+0.3099G+0.1999B Y=0.1770R+0.8123G+0.0107B Z=0.0000R+0.0101G+0.9899B
第一章 数字视频基础
1.0. 视频应用 1.1. 人类视觉系统与模型 1.2. 彩色模型 1.3. 数字视频基础 1.4. 多维随机信号分析
视频应用
视频应用
图像与视频信号处理无所不在
视频应用
目标的检测与识别
图像与视频拼接
普通相机视场：50×350 人眼视场：200×1350 全景拼接（Panoramic Mosaic）：360×1800
饱和度：纯度 该频率的颜色表现
能量分布
能量E
频率
红
紫
白色光
纯度 依赖于Ed与Ew差别
Ew=0 纯度100%
Ed=Ew
Ed
纯度0
Ew
红
紫
某主频光
RGB三基色
RGB三基色 基本颜色 可用来生成其他颜色的两种或三种颜色 Blue=435.8nm Green=546.1nm Red=700nm
CMYK
打印中的主要颜色是黑色 等量的CMY原色产生黑色，但不纯 在CMY基础上，加入黑色，形成CMYK彩色空间
4. CMY颜色模型
RGB是加色模型，CMY是减色模型
C 1 R
M
1
G
Y 1 B
R 1 C
G
1
M
B 1 Y
5. HSI颜色模型
• 面向视觉感知的颜色模型 • HSI(色调hue、饱和度saturation、亮度intensity）
运动视频分析系统
运动视频分析系统
运动视频分析系统
1.1. 人眼的视觉特性与模型
1.1. 人眼的视觉特性与模型
人眼的构造
视网膜的结构（杆状细胞，锥
状细胞）
视细胞的分布
人眼的视觉特性
视觉的适应
绝对视觉阈
阈值对比度
光谱灵敏度
分辨力
视觉系统的调制传递函数
视网膜的结构
杆状细胞 锥状细胞
从外因分析，是目标的亮度 与对比度。
人眼会根据外界条件自动进行 适应，从而可以得到不同的 极限分辨角。
暗视觉
明视觉
人眼观察物体的要求
灵敏度：以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58~145个 蓝绿光(波长为0.51m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一刺 激只有5~14个光子实际到达并作用于视网膜上。 分辨力： 对比度：1图0-6lx案不同，对对比度的要求也不同（如点与点：26％； 方波条纹之间：3％） 信噪比：人眼观察物1体0-5lx需要排出干扰，如果干扰太大将影响到人 眼的观察效果。图案不同，人眼对信噪比的要求不同（如方波图 案：1～1.5左右；余弦图案：3～3.5左右）
视细胞的分布
视网膜
视觉的适应
明视觉 暗视觉 中介视觉 颜色适应
暗视觉
中介视觉
3×10-5cd/m2
明视觉
3cd/m2
3×105cd/m2
人眼的视觉特性
绝对视觉阈：全黑视场下，人眼感觉到的最小光刺激值，约10－9 lx量级。
阈值对比度：时间不限，使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的 圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的对比度。
x, y, z：色系数
CIE色度图 作用：为不同基色组比较整个颜色范围
标识互补颜色 确定颜色主波长和纯度
2. 标准基色和色度图
2. 标准基色和色度图
2. 标准基色和色度图（续）
3. RGB颜色模型
R（红）G（绿）B（蓝） （0,0,0）代表黑色，(1,1,1)代表白色
一种颜色 CrR gG bB
二次色
品红（magenta）：红+蓝 青（cyan）：蓝+绿 黄（yellow)：红+绿
补色
标准基色和色度图
原色：如果将X,Y,Z三种颜色适当混合即可产生 白 色效果，而其中两种颜色组合不能产生第三种颜色， 这三种颜色称为原色。即红、绿、兰为原色。
CrR gG bB
实验发现，很多颜色的光无 法用RGB三种原色组合获得。 例如，500nm颜色=G+B-R RGB彩色监视器无法获得