解析人眼的视觉原理

数字图像处理以数学和概率统计为基础，但在理论技术发展的过程中，人的直觉和分析会发挥重要的作用，人的选择常常是主观的视觉判断。数字图像处理的目的在于帮助人们更好地观察、理解图像中的内容，并能够通过人眼来判断处理的结果，因此，对人眼的了解应作为学习数字图像处理的第一步。本小节将详细介绍人眼的组成及成像原理、人眼的视觉范围、人眼的视觉适应性和人眼的视觉错误，以此作为读者学习数字图像处理知识的基础。

2.1.1.1　人眼的组成及成像原理

人眼是人类感观中最重要的器官，大脑中约有80%的知识和记忆都是通过眼睛获取的，读书认字、看图赏画、看人物、欣赏美景等都要用到眼睛，此外，眼睛还能辨别不同的颜色、不同的光线。总的来说，眼睛是获取大部分信息的源泉。

1)人眼的组成

人眼主要由角膜、瞳孔、晶状体、脉络膜、视网膜组成，如图2－2所示。

图2－2　人眼的结构

(1)角膜:角膜位于眼球的最前面，是清澈透明的，眼睑的眨眼动作会使泪液均匀地润湿角膜表面，使得光线能直接进入眼内，不受阻挡，它就像是照相机的镜头。

(2)瞳孔:透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，从而控制进入人眼内的光通量，瞳孔就相当于照相机的光圈。

(3)晶状体:瞳孔后是一扁球形弹性透明体，这个透明体就是晶状体，其曲率可调节，以改变焦距，使不同距离的图在视网膜上成像，晶状体就相当于照相机的透镜。

(4)脉络膜:眼内腔充满着玻璃体，眼球壁中的脉络膜含有相当多的色素，有遮光作用，使得眼内腔变得像暗箱一样。

(5)视网膜:视网膜上集中了大量视细胞，视网膜就相当于照相机的底片；视细胞分为两类，第一类是锥状视细胞，即明视细胞，可在强光下检测亮度和颜色，每个锥状视细胞都连接着一个视神经末梢，故分辨率高，可分辨细节、颜色信息；第二类是杆(柱)状视细胞，即暗视细胞，可在弱光下检测亮度，无色彩感觉，多个杆状视细胞连接一个视神经末梢，故分辨率低，仅分辨图的轮廓。

2)人眼成像原理

如图2－3所示，自然界的光线进入眼睛后，经过角膜、晶状体、玻璃体^[1]等屈光系统^[2]的折射后，聚集在视网膜上，形成光的刺激。视网膜上的感光细胞受到光的刺激后，经过一系列的物理化学变化，产生了电流(注:就是神经冲动)，经由视网膜神经纤维传导至视神经。两眼的视神经在脑垂体附近会合，最后到达大脑皮层的视觉中枢，产生视觉，然后我们才能看见东西。在视网膜上的影像是上下颠倒、左右相反的，到了脑部时又将影像转了回来，所以我们的视觉跟实际景象一样。

图2－3　人眼成像原理图

2.1.1.2　人眼视觉范围

人眼能感受的亮度范围为10－2～106cd/m2，虽然人眼总的视觉范围很宽，但不能在同一时间感受如此大的亮度范围。当平均亮度适中，即亮度范围为10～104cd/m2，人眼可分辨的最大和最小亮度比为1 000∶1，平均亮度较高或较低时可分辨的最大和最小亮度比只有10∶1，通常情况下为100∶1；人眼可分辨的电影银幕最大和最小亮度比大致为100∶1，可分辨的显像管最大和最小亮度比约为30∶1。

如图2－4所示，人眼可识别的电磁波的波长为380～780 nm，按照波长由长至短的光色排序为红橙黄绿青蓝紫。人眼对不同颜色的可见光的敏感程度不同，在较亮环境中对黄光最敏感，在较暗环境中对绿光最敏感，对白光^[3]较敏感。但无论在任何情况下，人眼对红光和蓝紫光都不敏感。例如，将人眼对黄绿色的敏感度设为100%，则人眼对蓝色光和红色光的敏感度就只有10%左右。在亮度低于10－2cd/m2的很暗的环境中，如无灯光照射的夜间，人眼的锥状视细胞失去感光作用，视觉功能由杆状视细胞取代，人眼失去感觉彩色的能力，仅能辨别白色和灰色。

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图2－4　可见光谱(附彩插)

2.1.1.3　人眼的视觉适应性

视觉适应，是指视觉器官^[4]的感觉随外界亮度的刺激而变化的过程或这一过程达到的最终状态，人眼的视觉适应性分为明适应、暗适应、视觉暂留、视觉连带集中和视觉的心理学特性5个部分。

(1)明适应。由暗处到亮处，特别是强光下，最初一瞬间会感到光线刺眼发眩，几乎看不清外界事物，几秒钟之后才逐渐看清，这种现象称为明适应。

(2)暗适应。从光亮处进入暗处，人眼对光的敏感度逐渐增加，约30 min达到最大限度，称暗适应，暗适应是视细胞的基本功能——感光功能的反映，在营养缺乏、眼底病变的情况下，常有暗适应功能变化。

(3)视觉暂留。视觉暂留又称视觉惰性，指在视网膜上形成的光像消失后，视觉系统对这个光像的感觉仍会持续一段时间。视觉暂留的时间长短与光线的颜色、强弱、观看时间长短有关，一般在1/20 s到1/10 s之间。人眼的视觉暂留在电视技术中得到了具体应用，成为顺序扫描分解与合成电视图像的基础。视觉的残留时间有一定限度，当作用人眼的光脉冲重复频率不够高时，人眼已能分辨出有光和无光的亮度差别，因而产生一明一暗的感觉，这种现象称为闪烁效应。当光脉冲的重复频率增加到某个数值时，人眼觉察不到有闪烁效应，而是一个连续的感觉，把刚好感觉不到有闪烁效应的频率称为临界闪烁频率。经研究发现，临界闪烁频率大概为每秒48次，电视应当满足这个要求，每秒画面切换的次数应当大于或等于48次，这样才能使人眼察觉不到视频中图像切换过程中的闪烁现象。

(4)视觉连带集中。人眼一旦发现缺陷，视觉立即集中在这片小区域，密集缺陷比较容易发现。

(5)视觉的心理学特性。视觉过程，除了包括基于生理基础的一些物理过程之外，还有许多先验知识在起作用，这些先验知识被归结为视觉的心理学知识，它们往往引导出现视觉错误。

2.1.1.4　人眼的视觉错误

人眼的视觉错误是在特定条件下对客观事物产生的一种不正确的、歪曲的知觉，是任何人都会产生的共同现象。对于视觉错误产生原因的解释很多，但只有对大脑功能进一步认识后，才能得到满意的答案。如图2－5所示的马赫带现象、几何错觉、主观轮廓都说明了人眼视觉存在的一些错误。

图2－5　视觉错误

(a)马赫带现象；(b)几何错觉；(c)主观轮廓

1)马赫带(Mach带)现象

人眼在观察均匀黑区与白区形成的边界时，与实际情况不一致，如图2－5(a)所示，在亮度变化部位附近有暗区更暗，亮区更亮的感觉，这一更暗和更亮的带称为马赫带。

2)几何错觉

几何错觉是指在由线条组合成的几何图形中几何元素之间彼此影响而使观察者对几何图形的长度、方向、大小和形状等产生与事实不符的错觉的现象。如图2－5(b)所示，上下两条线段是等长的，但等长的线段在不同的情景下看起来好像不一样长了，下面的线段比上面的线段看起来更长些，这就是几何错觉。

3)主观轮廓

主观轮廓，又称认知轮廓、错觉轮廓，是指在物理刺激为同质的视野中直觉到的轮廓，通常是指实际上并不存在，只是视觉上认为存在的轮廓线。如图2－5(c)所示，人眼能够看到实际并不存在的圆形轮廓线，这就是人眼看到的主观轮廓。