人类视觉系统

人类视觉系统，即Human visual system。人类视觉系统只有3 种视锥细胞，因此在缤纷的世界中，即使面对似锦的繁花，我们也可 能犹如色盲，常常对一些色彩“视而不见”而鸟类独特的视觉系统， 拥有4种视锥细胞，能辨别出更多色彩，看见的世界也更加绚丽多彩， 远远超越了人类。对颜色/亮度的感知人类对光的感知是依靠视网膜(retina)细胞。cones(圆锥细胞) 负责感知光度(较强光)和色彩，rods(杆状细胞)仅能感知光度，不能 感知颜色，但其对光的敏感度是cones的一万倍。在微弱光环境下 rods起主要作用，因此我们不能在暗环境中分辨颜色。一些数码相 机的夜光拍摄模式也模拟了这一特性。视网膜中三种圆锥细胞(cones)有重叠的频率响应曲线，但响应 强度有所不同，他们 分别对红(570nm),绿(535nm),蓝(445nm)光有 最敏感，共同决定了色彩感觉。光度(luminance)正比于视网膜细胞 接受到的光强度能量，但人类对相同强度不同波长的光具有不同的敏 感度。可感知的波长范围380nm780nm，称为可见光。其中对绿色 (550nm)光产生最大的光强敏感度。视力眼睛的空间分辨能力，即视力，通常用可分辨视角(degree)的倒 数为单位。正常人的最少可辨视觉阀值约0.5”，最大视觉范围200度 （宽）X135度（高）。空间频率即影像在空间中的变化速度。用亮度呈空间正弦变化的条纹做测 试，亮度Y（x,y） = B（1+mcos2 n fx）,给定条纹频率f为一固定值（看 作是宽度），改变振幅m（看作对比度），测试分辨能力。显然m越大 分辨越清楚，测试不同条件下（不同cpd）可分辨的最少m值，定义 1/mmin为对比敏感度（contrast sensitivity）。定义人眼的对空间 感觉的角度频率：cpd: cycle / degree ,表示眼球每转动一度扫过 的黑白条纹周期数。对给定的条纹，这个值与人眼到显示屏的距离有 关，对于同样大小的屏幕，离开越远，cpd越大。通常人眼对空间的感觉相当于一个带通滤波器。最敏感在25个 cpd，空间截止频率为30cpd。比如我们看油画和电视机屏幕时，当 距离离开一定远，cpd增大，人的眼睛就分辨不了象素点细节，便感 觉不到颗粒感了。当人观察一个静止影像时，眼球不会静止一处（精神病人除外）， 通常停留在一处几百毫秒完成取像后，移到别处取像，如此持续不断。 这种运动称为跳跃性运动（saccadic eye movement）。研究表明跳跃 性运动可以增大对比敏感度，但敏感度峰值却减少。对时间频率的感知时间频率即画面随时间变化的快慢。Kelly.D.H用亮度按时间正 弦变化的条纹做实验，亮度Yt）=B（1+mcos2nft）。改变巾，测试不 同时间频率f下的对比敏感度。实验表明时间频率响应还和平均亮度有关。在一般室内光强下， 人眼对时间频率的响应近似一个带通滤波器。对1520Hz信号最敏感， 有很强闪烁感（flick），大于75Hz响应为0，闪烁感消失。刚到达闪 烁感消失的频率叫做临界融合频率（CFF）。在较暗的环境下，呈低通 特性，且CFF会降低，这时对5Hz信号最敏感，大于25Hz闪烁基本消 失。电影院环境很暗，放映机的刷新率为24Hz也不感到闪烁，这样 可以减少胶卷用量和机器的转速。而电脑显示器亮度较大，需要75Hz 闪烁感才消失。闪烁消失后，亮度感知等于亮度时间平均值（塔鲁伯 法则）。这种低通特性，也可以解析为视觉暂留特性，即当影像消失/ 变化时，大脑的影像不会立刻消失，而是保留一个短暂时间。生活中 常感受到的动态模糊，运动残像也和这个有关。有很多电子产品设计 利用了这一现象，例如LED数码管的动态扫描，LED旋转字幕等。对运动物体感知观察一个运动物体，眼球会自动跟随其运动，这种现象叫随从运 动（eye pursuit movement） o这时眼球和物体的相对速度会降低，我 们能更清晰地辨认物体。例如观看球类比赛（如棒球），尽管棒球的运 动速度很快，由于随从运动，我们仍够看得到球的大概样子（但会有 运动模糊）。如果我们把眼睛跟着风扇转动方向转动，会发现对扇叶 细节看得较清楚。眼球随从最大速度为45度/秒，因此我们不可能 看清楚一颗子弹飞行。应用这些动画，电影，魔术等就成为现实.人类的视觉源于7亿年前的水母据英国每日邮报报道，最新一项研究显示，视觉能力进化形成于7 亿年前。之前科学家曾激烈地争辩远古生物最早形成视觉能力的精确 时间。英国科学家最新研究称，月球水母等刺胞生物是最早进化形成探 测光线能力的生物关于海绵或者水母类型生物最早具备视蛋白的科学观点产生了很 大的分歧，视蛋白是视网膜感光细胞中的光敏蛋白质结合受体。英国 布里斯托尔地球科学学院的科学家对比分析了 Oscarella carmela海 绵体和这种7亿年前的水母类型刺胞生物，该水母类型刺胞动物被认 为具有世界上最早期的眼睛。使用计算机模型可提供视蛋白在什么时间以及如何进化的过程， 维德-皮萨尼博士进行了一项计算分析，测试了迄今为止每一种视蛋 白的进化假设。这项分析结合了所有相关动物血统的全部有效基因信息，结果显 示所有动物体共有的视蛋白祖先出现于7亿年前。当时这种视蛋白被认为处于“失明状态”，历经1100万年的关键性遗传学变化，才逐渐过渡形成具有探测光线的能力。皮萨尼博士称，布里斯托尔地球科学院的这项研究显示，该研究 能够分析显示动物视觉能力的最早起源，我们发现它仅起源于动物 体。这是一项惊人的发现，它有助于揭晓人类视觉能力什么时间以及 如何进化形成。