在之前“會議室報告廳到底需要多亮的投影機的“文章中簡單介紹了圖像對比度，本文通過對人眼視覺特性和各“對比度”的深入了解，更能深刻認(rèn)識和理解圖像對比度，從而設(shè)計好顯示系統(tǒng)。圖像、視頻是供人眼觀看的,投影和視頻顯示系統(tǒng)的綜合質(zhì)量，最終要由人眼做出鑒定，因此投影顯示系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)精確地模擬人眼的視覺特性。只有掌握了人眼視覺特性及對顯示系統(tǒng)的要求，才能合理選擇投影系統(tǒng)的主要參數(shù),以保證其視覺質(zhì)量符合人眼的視覺特性。

  究竟什么是人眼的視覺特性？

  答：

  人眼的視覺特性是因人而異的，我們在這里討論的是正常人的統(tǒng)計平均狀況。而且只討論跟亮度有關(guān)系的視覺特性。

  要了解人眼的視覺特性，首先得知道有關(guān)人眼感光的一些基本知識

  01明視覺和暗視覺

  人眼的感光細胞層有兩種視細胞,錐狀細胞Cones和桿狀細胞Rods，用來感受光線的明暗和顏色刺激。

  錐狀細胞分布在視網(wǎng)膜中心部分：

 1）錐狀細胞分布在視網(wǎng)膜中心部分

  a. 數(shù)目:600~700萬, 位于中心凹附近

  b. 空間分辨率高,

  c. 分辨色彩能力強

  d. 感光靈敏度低（明視覺）

  e. 主要負責(zé)高亮度的視覺過程

  2) 桿狀細胞分布在視網(wǎng)膜邊緣部分

  a. 數(shù)目:7500萬~1.5億

  b.空間分辨率低

  c.不能分辨別色彩

  d.感光靈敏度高（暗視覺）

  e.主要負責(zé)低亮度的視覺過程

 

 

  02 視覺范圍與視覺適應(yīng)性

  視覺范圍是指人眼所能感覺的亮度的范圍，這一范圍非常寬，可以感受到10-4 cd/m²—106cd/m²的亮度：

  1）人的視覺系統(tǒng)能適應(yīng)的光強度級別范圍很寬，從夜視域到閃光高達1010數(shù)量級；

  2）與整個巨大的適應(yīng)范圍相比, 人眼在某一時刻能鑒別的亮度級別范圍卻很??；

  3）對于某種給定條件, 視覺系統(tǒng)當(dāng)前的靈敏度級別稱為亮度適應(yīng)級別(Brightness Level)；

  4）主觀亮度是進入人眼的光強的對數(shù)函數(shù)，圖中Ba附近的曲線稱為對應(yīng)亮度適應(yīng)級Ba的主觀亮度感覺范圍

  感覺亮度（主觀亮度）與實際亮度的關(guān)系(韋伯-費赫涅爾定理)：亮度感覺（主觀亮度）S與實際亮度B的對數(shù)成線性關(guān)系，用公式表示就是：

  韋伯定理說明以下幾個問題：

  1、人眼在適應(yīng)于某一環(huán)境的平均亮度級后，視覺范圍要小得多，人眼在某一時刻所能感受到的主觀亮度是以此平均亮度為中心，在較小的亮度范圍內(nèi)就會有黑——白的感覺，而不是由絕對亮度來決定黑白感覺。

  2、人眼視覺系統(tǒng)對亮度的對比度敏感,而非亮度值本身。

  3、人眼對某個區(qū)域感覺到的亮度不僅依賴于它自身的亮度還與它的背景有關(guān)。

  圖中中間灰塊的亮度都是一樣的，但在最左邊感覺比較暗，最右邊的感覺比較亮。

  4、當(dāng)平均亮度適中時, 人眼能分辨的最大亮度與最小亮度之比為1000:1; 這也稱為人眼的動態(tài)對比度，而當(dāng)平均亮度很低時, 這個比值只有10:1。

  任何落在1000:1場景的“1”端的值在眼睛看來都是黑色的，即使它不是黑色的實體。

  任何落在“1000”端的值都將顯示為白色。

  舉例說明：

  1.盛夏晴天中午，你從明亮的戶外快速走進一間昏暗的屋子，這時突然會感覺眼前一片漆黑，感覺什么也看不見，眼睛眨幾下過一會兒就覺著屋里也挺明亮。其實屋里的亮度并沒發(fā)生任何變化，只是眼晴從屋外的平均亮度級適應(yīng)成屋里的平均亮度級。

  2.去看電影時，從大廳走進放映屋里，也是感覺眼前一片漆黑，腳都不知往哪邁，過了幾秒，覺得屋里看得也挺清楚，座位也能找到，雖然屋里還是很昏暗。

  3.晚上在屋里開著燈看手機，覺得屏幕亮度剛好，要是把燈都關(guān)了，覺得屏幕亮度好刺眼

  4.晚上起來上洗手間，開了燈覺得太亮了，太刺眼以至眼睛都睜不開得瞇著，過一會才緩過來。

  人眼的這種視覺特性給景物的傳送和重現(xiàn)帶來了方便。

  一方面，重現(xiàn)景物的亮度范圍無需與實際景物的亮度相同，而只需保持二者的具有相同的對比度即可重現(xiàn)。

  另一方面，人眼不能察覺的亮度差別，在重現(xiàn)景物時也無需精確的體現(xiàn)出來。

  總之，要重現(xiàn)的景物與實際景物對人眼的主觀感覺來說具有相同的對比度和亮度差別級數(shù), 就能給人以真實的感覺。

  除光源外，自然界中各種物體的亮度決定于它所反射的光的強弱。因此,在相同的照明條件下,各種物體的亮度決定于物體對入射光的反射能力。

 （白石膏的反射系數(shù)最大,可達100%，黑絨的反射系數(shù)最小，只有1%?？梢?大部分景物的對比度不超過100。

  例如,當(dāng)從電視機屏幕上觀看運動會的實況轉(zhuǎn)播時,雖然現(xiàn)場的亮度范圍可能是:200~20000cd/m2, 而屏幕上的亮度范圍卻僅有:2~ 200cd/m2, 但仍可獲得真實的主觀感覺,因為對比度同為100。