2.2 视觉特性在线视频

这一讲

我们介绍视觉特性

我们后面要研究的视频也好

图像也好

那么最终的接收者是我们人的眼睛

人的眼睛的特性

是我们视频技术实现的一个重要依据

那么我们来看一下彩色视觉

人眼的彩色感觉

是主观和客观结合的过程

二者缺一不可

那么 我们的眼睛感受彩色

有三种不同的锥状细胞

它们分别对红 绿 蓝三种基色光

有不同的感应特性

彩色的感觉既决定于人眼

对于可见光中的不同成分

所具有的不同视觉特性

又决定于光源所含的光谱成分

以及景物反射和吸收光谱成分的特性

所以说 我们的彩色感觉

即跟我们人眼的感光特性有关系

也跟光谱的成分有关系

还跟我们所看物体的反射光和

吸收光特性有关系

我们人的眼睛对不同波长的光

它的敏感度是不一样的

不同波长以相同功率发出的光

给我们人的眼睛所产生的

彩色感觉和亮度感觉都是不一样的

那么我们就来看一下我们人眼的

这样一方面的特性就是我们的视敏特性

那么在产生相同亮度感觉的情况下

我们测出各种波长的光它的辐射功率

如果我们用PY来表示

那么Py的倒数

就可以用来衡量我们的视觉

对于不同波长的光它的敏感程度

我们把它称为视敏度用K(λ)来表示

那么 所以这样子我们看到K(λ)的大小

就说明了我们人的眼睛对不同波长的光

它的敏感程度

在实际测量中

我们发现

人的眼睛对波长为555纳米的光

具有最大的敏感度

我们用Km来表示

那么Km就给出了我们人的眼睛

对所有波长光中最敏感的

555纳米

那么我们把任意波长的视敏度

跟最大视敏度口岸做一个比值

我们得到的有关光波长那么大的一个函数

用V来表示

那么

这个V(λ)我们把它称为相对视敏度

那么我们可以画出相对视敏度的曲线

从人的眼睛的相对视敏度曲线中

我们看到

我们人的眼睛对亮度的感觉是一个

具有带通特性的这样子的一个系统

我们对于555纳米附近的波长的光最敏感

那么波长越短以及波长越长

那么我们的敏感度就下降

这是我们人眼的

对光的敏感度的特性

我们再来看一下我们人眼的亮度

视觉范围

亮度视觉范围指的是

人的眼睛能够感受的亮度的范围

其实这个范围是很宽的

大概是在百分之几个尼特到几百万个尼特

那么这样一个宽泛的范围

它源于我们人的眼睛的感光作用

是可以随着外界光的强弱而自动地调节

具有一定的自适应性

但是我们人的眼睛不能够同时感受

这么宽的一个亮度范围

当我们人的眼睛

适应了某一个环境的平均亮度之后

那么我们眼睛的

视觉范围就有了一定的限度

所以说

我们人的眼睛对亮度的

感受是具有分段感受特性的

那么我们人眼的明暗视力

我们的明暗感觉也是相对的

所以电视在重现景物的时候

是不需要完全重现场景中的实际亮度

那么 我们只要保持重现图像的对比度

就能够给人产生十分逼真的感觉

那么这样一个人眼的视觉特性

给我们电视图像的呈现和传输

就带来了极大的方便

正因为我们人的眼睛有这样子的一个特性

所以并不反映景物实际亮度的电影和电视

却能够给我们以真实的亮度感觉

图像对比度与视觉的对比度灵敏度特性

图像的对比度指的是

图像相邻区域和相邻点之间的亮度差距

那么我们可以用C来表示

C可以用相邻区域中

最大亮度和最小亮度的比值来定义

那么我们人的眼睛在

感受亮度的时候是有一个亮度域的

或者叫是有视觉域的

那么 在给定的某个环境亮度下

我们来

测试我们人眼对亮度差别的感觉

我们可以通过右下角的这个图

来描述一下这样子的一个过程

假设我们有一个环境

它的环境亮度用Ls来表示

在这样一个环境中

有一个张角为一点五度的一个环形区域

它的亮度是用LB来表示

在这个环形区域中有一个小的亮度区域

它的亮度是L

那么我们调节L的亮度值

当我们眼睛能够将将察觉出

L和LB之间的区别 也就是说

我们的人的眼睛将将能够察觉中间

虚线所圈区域的亮度与实现所圈的

区域的亮度不同的时候

那么这个对应的亮度差值

我们把它叫做是视觉域

那么它指的是

刚好能够区分两个相邻区域亮度差距

所需要的最低的对比度

我们也把它叫做是临界对比度

那么 这个临界对比度

它是跟观测环境的亮度有关系的

当我们的环境亮度

我们看一下

如果用S来表示

那么现在我们假设LS和

这个邻域亮度LB是相同的

那么这个时候我们人眼的视觉域跟

跟环境亮度之间的比是一个常数

那么也就是说

我们人的眼睛所具有的

临界对比度特性会随着亮度的改变而改变

那么 我们把视觉域的倒数

用来描述我们人的眼睛的

对比度 灵敏度 特性

那么我们可以画出这样一个亮度

背景亮度和我们的视觉域之间的这样一个

关系图

那么我们可以从这个图中看到背景亮度越高

我们人眼的灵敏度就越低

在背景亮度跟我们所刚才

描述的邻域亮度一致的时候

那么视觉域和

背景亮度之间的比值是一个常数

那么这个常数给出来的就是

我们所说的韦伯定律

我们再来看一下人眼的空间掩蔽效应

空间掩蔽效应指的是

视觉域不仅跟邻域的平均亮度有关

还跟邻域的亮度变化有关

那么我们亮度变化的越激烈

我们的视觉域就越高

也就是我们人眼的对比度

灵敏度就越的

两副图给出了两种不同亮度变化的场景

左边的途中亮度变化非常剧烈

所以说在这个图中的这个点

我们的眼睛并不是很容易察觉

或者说我们眼睛对这个点的

敏感度是相对不是很高的

但是在右边这个图

我们看整个的图的亮度没有什么变化

那么我们一眼就能够看得到

在这个图中的这样子的一个点

那么我们人眼的这样一个特性

我们把它称为空间掩蔽效应

也就是说

场景亮度变化越剧烈

那么我们人眼对细节的

变化察觉就越不灵敏

在亮度变化剧烈的背景上

人眼对彩色变化的敏感度会明显的下降

我们可以看下面这两张图

左边这张图背景亮度变化很快很剧烈

那么在这个图上的两道彩色线

我们的人也不容易察觉

但是右边这张图

亮度基本上没有变化

那么我们一眼就能够看到那两个彩色的线

这是我们人眼的彩色掩蔽效应

当图像中相邻图像画面变化剧烈的时候

人眼分辨力会急剧的下降

比方说 新的场景突然出现

人的眼睛基本上看不清

场景中的内容

大约在零点五秒之后

我们的视力才恢复正常

那么场景中的

内容细节我们才能够分辨的清楚

所以说 我们人的眼睛

在视频的空间和时间频率响应上

存在着相互的作用

当视频的空间频率提升的时候

我们的人眼

时间频率响应的上限就会下降

当视频信号的时间频率提升的时候

我们人眼的空间频率响应上限也会下降

下面我们看一下人眼的分辨率

先来看一下黑白细节的分辨能力

分辨率指的是人眼辨别景物平面上

相邻两个亮点的能力

通常我们用视敏角θ的倒数来表示

那么我们看下面这样一个图示

假设我们现在有这样子的一个平面的场景

这个平面上有很多条细线

那么我们距离平面L的距离

来观看屏幕上的这些水平的线条

假设两个相邻的线之间的间距是d

那么 从眼睛到这两个水平线条

张出θ的角

那么θ和我们观看距离L

以及两条线之间的间距

D之间就由我们下面给出来的这样子的一个关系

这表达式给出了

θ和我们视距L以及

两条被观看的水平线之间的间隔d

之间的关系

对一幅图像来说

到底分为多少个像素点比较合适

那么这是要根据我们人眼的分辨的能力来确定的

人的眼睛对彩色的分辨能力要比黑白分辨能力的

那么我们看下面这两个图

我们在观看左边这个黑白条的图的时候

我们会感觉非常的清晰

而且离一定的距离我们也能够看清

但是对于右边这个彩色

红蓝条组成的这样子的一个图的话

那么离开一定的距离

我们可能就看出来的是

红和蓝混合出来的彩色

那么就看不清上面的条带

假设我们以黑白

分辩率为百分之百来计量

那么其它颜色组合情况下

我们人眼的分辨能力

这个表中列出来了

我们会看到不同颜色的组合

我们所具有的人眼类

对这种信息的分辨能力是不一样的

临界闪烁频率

这个频率指的是

不引起人眼闪烁感觉的最低重复频率

临界闪烁频率跟光脉冲亮度有关系

假设我们用必然来作为光脉冲亮度的表示

那么临界闪烁频率和

光脉冲亮度之间是这样一个对数关系

在这个表达式中a b是常数

从这个表达式 我们可以看到

随着背景亮度必然的增加

那么我们人眼的临界闪烁频率

FC是增加的

那么在我们

平时看电影的这样一个亮度环境下

我们人眼的临界闪烁频率大概是每秒钟46Hz

那么 我们通常看电脑

使用电脑是在一个非常光亮的环境下

所以说

我们的计算机的屏幕

它的刷新频率一般都是高于50Hz

一般常用的是60Hz

或者有到七十赫兹

那么这一点其实是由

我们人的眼睛的临界闪烁频率所决定的