人眼視覺原理

人眼視覺原理第1頁/共60頁22.1光的特性電磁波譜分布光是一種電磁波！在真空的速度是每秒30萬公里第2頁/共60頁32.1光的特性微粒說，統(tǒng)治17、18世紀(jì)，可以解釋光的直線傳播和反射、折射，但是得出光在水中的速度比空氣中大的錯誤結(jié)論。波動說，認(rèn)為光是縱波，無法解釋“靜止以太”的矛盾性質(zhì)（密度極小，彈性模量極大）?；莞梗?629～1695）：牛頓（1643～1727）：第3頁/共60頁42.1光的特性托馬斯.楊和菲涅爾于19世紀(jì)初解決光是橫波的問題菲涅爾托馬斯.楊傅科1862年證實光在水中的速度小于空氣中的速度傅科1773.6-1829，英國醫(yī)生兼物理學(xué)家，以“雙縫干涉”實驗聞名1788.5-1827，法國土木工程師兼物理學(xué)家，以“泊松亮斑”聞名1819.9-1868.2，法國物理學(xué)家，實驗天才，以“傅科擺”聞名于世第4頁/共60頁519世紀(jì)60年代，麥克斯韋的電磁理論確信光是一種電磁現(xiàn)象。麥克斯韋2.1光的特性1831-1879，英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，預(yù)言電磁波的存在。以麥克斯韋電磁方程聞名。

物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度。一切物理現(xiàn)象似乎都能夠從相應(yīng)的理論中得到滿意的回答。

例如，一切力學(xué)現(xiàn)象原則上都能夠從經(jīng)典力學(xué)得到解釋，牛頓力學(xué)以及分析力學(xué)已成為解決力學(xué)問題的有效的工具。對于電磁現(xiàn)象的分析，已形成麥克斯韋電磁場理論，這是電磁場統(tǒng)一理論，這種理論還可用來闡述波動光學(xué)的基本問題。至于熱現(xiàn)象，也已經(jīng)有了唯象熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的理論，它們對于物質(zhì)熱運(yùn)動的宏觀規(guī)律和分子熱運(yùn)動的微觀統(tǒng)計規(guī)律，幾乎都能夠作出合理的說明。

總之，以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電磁場理論和經(jīng)典統(tǒng)計力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理大廈已經(jīng)建成，而且基礎(chǔ)牢固，宏偉壯觀！在這種形勢下，物理學(xué)家大多感到陶醉，感到物理學(xué)已大功告成，因而斷言往后難有作為了。這種思想當(dāng)時在物理界不但普遍存在，而且由來已久。第5頁/共60頁62.1光的特性

19世紀(jì)的最后一天，歐洲著名的科學(xué)家歡聚一堂。會上，開爾文勛爵發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時說，物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時，卻若有所思地講道：“動力理論肯定了熱和光是運(yùn)動的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了……第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上……第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上。（Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.）

W．湯姆孫在1900年4月曾發(fā)表過題為《19世紀(jì)熱和光的動力學(xué)理論上空的烏云》的文章。他所說的第一朵烏云，主要是指邁克爾孫實驗結(jié)果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。

英國著名物理學(xué)家W．湯姆孫（即開爾文勛爵）是19世紀(jì)英國杰出的理論物理和實驗物理學(xué)家，是一位頗有影響的物理學(xué)權(quán)威，他的說法道出了物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期的基本狀況，反映了當(dāng)時物理學(xué)界的主要思潮：第6頁/共60頁7

第一朵烏云——邁克耳孫—莫雷實驗與“以太”說破滅2.1光的特性

水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介，它們離開了介質(zhì)都不能傳播。太陽光穿過真空傳到地球上，幾十億光年以外的星系發(fā)出的光，也穿過宇宙空間傳到地球上。光波為什么能在真空中傳播？它的傳播介質(zhì)是什么？物理學(xué)家給光找了個傳播介質(zhì)——“以太”。

最早提出“以太”的是古希臘哲學(xué)家亞里士多德。亞里士多德認(rèn)為下界為火、水、土、氣四元素組成；上界加第五元素—“以太”。牛頓在發(fā)現(xiàn)了萬有引力之后，碰上了難題：在宇宙真空中，引力由什么介質(zhì)傳播呢？為了求得完整的解決，牛頓復(fù)活了亞里士多德的“以太”說，認(rèn)為“以太”是宇宙真空中引力的傳播介質(zhì)。后來，物理學(xué)家又發(fā)展了“以太”說，認(rèn)為“以太”也是光波的傳播介質(zhì)。光和引力一樣，是由“以太”傳播的。他們還假定整個宇宙空間都充滿了“以太”，“以太”是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。19世紀(jì)時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質(zhì)說成是一種沒有重量，可以絕對滲透的“以太”?！耙蕴奔染哂须姶诺男再|(zhì)，又是電磁作用的傳遞者，又具有機(jī)械力學(xué)的性質(zhì)，它是絕對靜止的參考系，一切運(yùn)動都相對于它進(jìn)行。這樣，電磁理論與牛頓力學(xué)取得協(xié)調(diào)一致。“以太”是光、電、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)”。

但是，肯定了“以太”的存在，新的問題又產(chǎn)生了：地球以每秒30公里的速度繞太陽運(yùn)動，就必須會遇到每秒30公里的“以太風(fēng)”迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產(chǎn)生影響。這個問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接憽耙蕴L(fēng)”存在與否。

為了觀測“以太風(fēng)”是否存在，1887年，美國物理學(xué)家邁克爾孫與美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷合作，在克利夫蘭進(jìn)行了一個著名的實驗-邁克耳遜-莫雷實驗，即“以太漂移”實驗。實驗結(jié)果證明，不論地球運(yùn)動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設(shè)想的“以太”之間沒有相對運(yùn)動。因而，根本找不到“以太”或“絕對靜止的空間”。由于這個實驗在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實驗結(jié)果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。

邁克耳孫—莫雷實驗使科學(xué)家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經(jīng)說明電磁及光的許多現(xiàn)象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那么，他們必須放棄比“以太學(xué)”更古老的哥白尼的地動說。經(jīng)典物理學(xué)在這個著名實驗面前，真是一籌莫展。第7頁/共60頁8

第二朵烏云——黑體輻射與“紫外災(zāi)難”2.1光的特性

在同樣的溫度下，不同物體的發(fā)光亮度和顏色（波長）不同。顏色深的物體吸收輻射的本領(lǐng)比較強(qiáng)，比如煤炭對電磁波的吸收率可達(dá)到80％左右。所謂“黑體”是指能夠全部吸收外來的輻射而毫無任何反射和透射，吸收率是100％的理想物體。真正的黑體并不存在，但是，一個表面開有一個小孔的空腔，可以看作是一個近似的黑體。因為通過小孔進(jìn)入空腔的輻射，在腔里經(jīng)過多次反射和吸收以后，不會再從小孔透出。

19世紀(jì)末，盧梅爾（1860－1925）等人通過著名實驗—黑體輻射實驗，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學(xué)的角度看來，這個實驗的結(jié)果是不可思議的。

怎樣解釋黑體輻射實驗的結(jié)果呢？當(dāng)時，人們都從經(jīng)典物理學(xué)出發(fā)尋找實驗的規(guī)律。前提和出發(fā)點不正確，最后都導(dǎo)致了失敗的結(jié)果。例如，德國物理學(xué)家維恩（1864—1928）建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在波長比較短、溫度比較低的時候才和實驗事實符合。英國物理學(xué)家瑞利和物理學(xué)家、天文學(xué)家金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實驗事實比較符合的黑體輻射公式。但是，從瑞利-金斯公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實驗數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。它的失敗無可懷疑地表明經(jīng)典物理學(xué)理論在黑體輻射問題上的失敗，所以這也是整個經(jīng)典物理學(xué)的“災(zāi)難”。第8頁/共60頁9

物理學(xué)發(fā)展的歷史表明，正是這兩朵小小的烏云，終于釀成了一場大風(fēng)暴。第一朵烏云，導(dǎo)致相對論的產(chǎn)生；第二朵烏云，導(dǎo)致了量子論的出現(xiàn)。這“兩朵烏云”恰恰是世紀(jì)之交物理學(xué)革命的導(dǎo)火線，發(fā)展起了全新的物理學(xué)理論。2.1光的特性邁克爾遜莫雷瑞利愛因斯坦普朗克1852-1931，美國物理學(xué)家1839-1923，美國化學(xué)家1842-1919，英國物理學(xué)家1879-1955，美國物理學(xué)家1858-1947，德國物理學(xué)家第9頁/共60頁102.1光的特性紅外、可見光、紫外線X射線宇宙射線光的產(chǎn)生機(jī)理內(nèi)層電子外層電子原子核第10頁/共60頁112.2光度學(xué)基本概念輻射功率相同，波長不同的光，亮度感覺不同（相同亮度環(huán)境）輻射功率不同，波長不同的光，亮度感覺相同光的強(qiáng)弱的度量：光度學(xué)說明功率和波長都是影響亮度感覺的因素。第11頁/共60頁122.2光度學(xué)基本概念

光度學(xué)中采用發(fā)光強(qiáng)度的單位坎德拉為基本單位。1979年第16屆國際計量大會決定：坎德拉是一個光源在指定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，而且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683（W/Sr）。第12頁/共60頁132.2光度學(xué)基本概念光照度（勒克斯lx）單位面積（每平方米）接收面的照明程度光通量（流明lm）反映一束光引起光亮感覺的能力，可以描述光源、接收面指定方向（球面度）發(fā)光強(qiáng)度(坎德拉cd)單位面積（每平方米）亮度(cd/m2)第13頁/共60頁14典型照度>50lx1000lx10000～20000lx0.lx教室陰天陽光直射夜間滿月第14頁/共60頁15典型亮度（cd/mm2）15億500萬50002500陽光白熾燈滿月蠟燭第15頁/共60頁162.3人眼器官結(jié)構(gòu)人的眼睛是一個平均直徑約為20mm的球體第16頁/共60頁17

白色、堅固的鞏膜，保護(hù)眼球

脈絡(luò)膜，黑色不透光，營養(yǎng)眼球

視網(wǎng)膜，含有許多對光線敏感的細(xì)胞，能感受光的刺激

后房，玻璃體，透明膠狀物質(zhì)

晶狀體，透明，有彈性，像雙凸透鏡，能折射光線

角膜，無色透明

虹膜，有色素，可以調(diào)節(jié)瞳孔大小

前房，充滿透明淡鹽溶液三膜、兩房、一晶體第17頁/共60頁182.3人眼器官結(jié)構(gòu)光學(xué)過程＋化學(xué)過程＋神經(jīng)處理過程客觀景物（發(fā)光體或者散射體）發(fā)出的光束，攜帶光能量進(jìn)入左右眼睛并同時作用在視網(wǎng)膜上引起視感覺。光刺激在視網(wǎng)膜上經(jīng)神經(jīng)處理產(chǎn)生的神經(jīng)沖動（電流脈沖）沿視神經(jīng)纖維傳到大腦皮層，產(chǎn)生視知覺。第18頁/共60頁192.4人眼視覺特性1.人眼的光譜響應(yīng)特性輻射功率相同，波長（頻率）不同不同彩色感覺不同亮度感覺人眼視敏度第19頁/共60頁20四、人眼視覺特性

視敏度的定義在相同亮度感覺的情況下，測出各種波長光的輻射功率。

越大，說明人眼對該波長的光越不敏感，越小，人眼對該波長的光越敏感。

習(xí)慣上定義的倒數(shù)為視敏度。第20頁/共60頁212.4人眼視覺特性相對視敏度曲線（光譜響應(yīng)曲線）明亮環(huán)境下，對黃綠光視敏度的歸一化曲線第21頁/共60頁222.4人眼視覺特性觀察視敏度曲線可以發(fā)現(xiàn)：在等能量分布的光譜中，人眼感覺最暗的是紅色，其次是藍(lán)色和紫色，感覺最亮的是黃綠色（波長為555nm）。第22頁/共60頁232.4人眼視覺特性譜爾金效應(yīng)不同亮度下，人眼的視敏度曲線會發(fā)生變化。弱光條件下，視敏度曲線會向左移。

源于視網(wǎng)膜內(nèi)錐狀細(xì)胞和柱狀細(xì)胞的不同工作特點2.人眼亮度感覺特性第23頁/共60頁242.4人眼視覺特性明視覺與暗視覺的視敏度曲線

白天不懂夜的黑晚上看花花不同第24頁/共60頁252.4人眼視覺特性

韋伯定律在均勻亮度背景下，（韋伯－費(fèi)赫涅爾系數(shù)）。其中，B是背景亮度，是人眼可覺察的最小亮度差。

說明人眼的亮度感覺不僅與物體自身亮度有關(guān)，還與周圍環(huán)境亮度有關(guān)。一般地，背景越亮，越不易分辨。第25頁/共60頁26不同亮度下的路燈感覺不一樣第26頁/共60頁272.4人眼視覺特性

明暗感覺的相對性

晴朗的白天（10000cd/mm2），人眼可分辨的亮度范圍為200～20000cd/mm2，200cd/mm2以下就感覺黑；而在夜間（30cd/mm2），可分辨的亮度范圍為1～200cd/mm2，100cd/mm2的亮度就感覺很亮。第27頁/共60頁282.4人眼視覺特性

視覺范圍

實際感受亮度是以適應(yīng)亮度為中心的一部分（1000:1～10:1）指人眼所能感覺到的亮度范圍，可以從千分之幾到幾百萬cd/mm2。第28頁/共60頁292.4人眼視覺特性這種感覺很有用！

重現(xiàn)圖像的亮度不需要等于實際景象的亮度，只要保持二者的對比度不變；

對于人眼不能察覺的亮度差別，在重現(xiàn)圖像時也不必精確復(fù)制出來，只要保證重現(xiàn)圖像和原景物有相同的亮度層次。第29頁/共60頁302.4人眼視覺特性3.人眼分辨力：對景物細(xì)節(jié)的分辨能力。

一般將被觀察物體上剛能分辨的最近鄰兩黑點或兩白點的視角的倒數(shù)稱為人眼的分辨力。P15：分辨率1’，0.03mm是分辨極限第30頁/共60頁312.4人眼視覺特性人眼分辨力的影響因素光照度物體運(yùn)動速度相對對比度色彩第31頁/共60頁322.4人眼視覺特性4.人眼視覺惰性

一般將人眼亮度感覺變化滯后于實際亮度變化，以及視覺暫留特性，總稱為視覺惰性。

視覺惰性是人眼的重要特性之一，它描述了主觀亮度與光作用時間的關(guān)系。第32頁/共60頁332.4人眼視覺特性與視覺惰性緊密聯(lián)系的還有臨界閃爍頻率，它是指剛好不引起閃爍感覺的最低頻率。如果光脈沖頻率不高，會使人眼產(chǎn)生一明一暗的閃爍感覺，長期觀看容易疲勞。第33頁/共60頁342.4人眼視覺特性一般在電影播放中每秒放24幅固定的畫面，電視每秒傳送25～30幅圖像，就可以使人眼感覺為連續(xù)活動的圖像。

第34頁/共60頁352.5顏色視覺我是色盲…第35頁/共60頁362.5顏色視覺彩色非彩色顏色第36頁/共60頁37五、顏色視覺

顏色感覺射入眼內(nèi)的是含有不同顏色成分單色光的復(fù)合光；視網(wǎng)膜上錐細(xì)胞內(nèi)含有感受紅、綠、藍(lán)三種基色的感色成分。第37頁/共60頁38彩色三要素亮度：指光作用于人眼時所引起的明亮程度的感覺，與色光所含能量有關(guān)。色調(diào)：指顏色的類別，與光的波長有關(guān)。改變光的波譜成分，光的色調(diào)會發(fā)生變化。色飽和度：指色調(diào)深淺的程度(純度)，對物體而言，色飽和度與物體的反射光譜選擇性有關(guān)。第38頁/共60頁392.5顏色視覺色調(diào)＋色飽和度≡色度

色度既說明彩色光的顏色類別，又說明顏色的深淺程度。色度＋亮度＝完整彩色

非彩色只有亮度的差別，而沒有色調(diào)和飽和度這兩種特性。第39頁/共60頁40三基色原理指自然界中常見的大部分彩色都可由三種相互獨立的基色按照一定比例混合得到。所謂獨立，是指其中任何一種基色都不能由另外兩種基色合成。第40頁/共60頁411931年，國際照明委員會（CIE）規(guī)定水銀光譜中R～700nm；G～546.1nm；B～435.8nm為紅、綠、藍(lán)基色光。當(dāng)紅、綠、藍(lán)三束光比例合適時，就可以合成自然界中常見的大多數(shù)彩色。

第41頁/共60頁42五、顏色視覺混色方法

（定性）

不同顏色混合在一起，能產(chǎn)生新的顏色，這種方法稱為混色法。

混色分為相加混色和相減混色。第42頁/共60頁432.5顏色視覺相加混色各分色的光譜成分相加，混色所得彩色光的亮度等于成分基色的亮度之和。

彩色電視就是利用紅、綠、藍(lán)基色相加產(chǎn)生各種不同的彩色。第43頁/共60頁442.5顏色視覺相加混色規(guī)律紅色＋綠色＋藍(lán)色＝白色紅色＋綠色＝黃色紅色＋藍(lán)色＝品紅（紫）

綠色＋藍(lán)色＝青色

第44頁/共60頁452.5顏色視覺黃色＋藍(lán)色＝白色(互補(bǔ)）品紅＋綠色＝白色(互補(bǔ)）青色＋紅色＝白色(互補(bǔ)）第45頁/共60頁46三基色與互補(bǔ)色第46頁/共60頁472.5顏色視覺相減混色

相減混色是利用顏料、染料的吸色性質(zhì)來實現(xiàn)的。多用于彩色印刷、彩色膠片和繪畫。第47頁/共60頁482.5顏色視覺相減混色規(guī)律

青色＝白色－紅色

品紅＝白色－綠色黃色＝白色－藍(lán)色第48頁/共60頁492.5顏色視覺相減混色規(guī)律黃色＋品紅＝白色－藍(lán)色－綠色＝紅色黃色＋青色＝白色－藍(lán)色－紅色＝綠色品紅＋青色＝白色－綠色－紅色＝藍(lán)色黃色＋青色＋品紅＝白色－藍(lán)色－紅色

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綠色＝黑色第49頁/共60頁502.5顏色視覺答：因藍(lán)光、紅光均被吸收而呈現(xiàn)綠色。提問：白光照射下，黃色顏料呈現(xiàn)什么顏色？答：吸收藍(lán)色光而呈現(xiàn)黃色。2.白光照射下，黃、青兩色相混顏料呈現(xiàn)什么顏色？第50頁/共60頁512.5顏色視覺

CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)