浙江大学通识课程—视觉奥秘及应用 第四章 视觉的基本功能 章海军 浙江大学 2016-03-29

4.0 动物的视力漫谈 4.1 人眼对光与颜色的感知能力 4.2 视觉的空间辨别能力 4.3 时间辨别能力 4.4 明视、间视和暗视 第四章 视觉的基本功能 4.0 动物的视力漫谈 4.1 人眼对光与颜色的感知能力 4.2 视觉的空间辨别能力 4.3 时间辨别能力 4.4 明视、间视和暗视 4.5 眼球运动—主眼与非主眼

4.0 动物的视力漫谈 动物的眼睛，包括光感受器、复眼、多眼和双眼等形式，由于动物的眼睛结构和功能各异，由此而产 生的动物的视力也千差万别。 4.0 动物的视力漫谈 动物的眼睛，包括光感受器、复眼、多眼和双眼等形式，由于动物的眼睛结构和功能各异，由此而产 生的动物的视力也千差万别。 蜘蛛的多眼 昆虫的复眼 高等动物的双眼

4.1 人眼对光与颜色的感知能力  瞳孔直径：1.5～8 mm，平均2.5～4 mm   视觉的基本刺激（光刺激） E ＝ h 4.1 人眼对光与颜色的感知能力  瞳孔直径：1.5～8 mm，平均2.5～4 mm  调节照度，改善像质  视觉的基本刺激（光刺激）  光波长：可见光 nm 红外，可见，紫外。  光速度：30 万 km/s。  光能量：  380～780 光子动量？ E ＝ h E ＝ hc/

CIE＝The International Commission on Illumination 光谱相对视亮度 (相对光谱效率)曲线 相 对 视 亮 度 V － 1 － 2 中国人 CIE －3 波长（nm） 400 500 600 700 CIE＝The International Commission on Illumination

中午太阳表面 108 ～ 1010 损伤 白炽灯丝 105 ～ 107 日光下的白纸 102 ～ 104 明视 舒适的阅读 10 1 间视  光强度或光亮度（mL） 中午太阳表面 108 ～ 1010 损伤 白炽灯丝 105 ～ 107 日光下的白纸 102 ～ 104 明视 舒适的阅读 10 1 间视 月光下的白纸 10－3～ 10－1 星光下的白纸 10－5～ 10－4 暗视 绝对刺激阈 10－6  主观亮度：视网膜上的照度 E ＝  Ld2/ (4f2)

4.2 视觉的空间辨别能力 视觉的空间分辨能力，包括觉察与分辨，极限分辨角，视敏度与视力，最小空间分辨阈等。 4.2 视觉的空间辨别能力 视觉的空间分辨能力，包括觉察与分辨，极限分辨角，视敏度与视力，最小空间分辨阈等。 正常眼能看清楚的目标的最小尺寸，约为明视距离处一百微米，对应于视角约1分， 小数视力1.0。

4.2.1 觉察与分辨 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应 觉察 分辨  觉察：感知或辨认目标是否存在； 4.2.1 觉察与分辨  觉察：感知或辨认目标是否存在；  分辨：区分目标的细节。 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉奥秘及应用 视觉奥秘及应用 视觉奥秘及应用 觉察 分辨 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应用技术 视觉信息应

4.2.2 视敏度及视力  视角：被观察目标相对于眼睛（单眼）所张的夹角。 在人眼看来，太阳、月亮、星星的视角有多大？ 视角 视角 视角

视敏度与视力：V ＝ 1 /[ (分)] 目标的能力。  极限分辨角：眼睛能分辨两点的最小视角。 倒数，记为V，也称为视力。  视觉分辨能力：眼睛能够分辨出两个邻近物体或 目标的能力。  极限分辨角：眼睛能分辨两点的最小视角。  视敏度：以角度分为单位的人眼极限分辨角的 倒数，记为V，也称为视力。 视敏度与视力：V ＝ 1 /[ (分)]

光学衍射极限： ＝ 1.22 /d ，约1 分 瞳孔直径：d ＝ 3 mm 光波长： ＝ 560 nm  ＝ 1.22 /d  极限分辨角的计算 光学衍射极限： ＝ 1.22 /d ，约1 分 瞳孔直径：d ＝ 3 mm 光波长： ＝ 560 nm  ＝ 1.22 /d ＝ 1.220.56/(3103)6060180/ ＝ 47”  1 分 视锥细胞直径：2～4 m，也约 1 分  视觉光学系统与神经生理学系统高度统一 ! 也与物理学统一 ！

4.2.3 空间辨别阈 1. 最小觉察阈：眼睛能觉察或辨认出点或线存在的最 小尺寸。 在地球上看 星星 ？ 星星的直径远小于10’’ 在地球上看 星星 ？ 星星的直径远小于10’’ 在月球上看 长城 ？ 长城的线宽远小于4’’ 白底黑点30” 黑底白点10” 白底黑线4” 黑底白线0.5”

2. 最小认知阈 E C  最小认知阈：人眼能够认知出字幕或图形的最小视角 约 30”～40”视角。 姬忠鹏 张 澄 覃 明 倪 良 葛 湃 陈 磊 胡 开 付志洋 谭 迪 张 鸾 黄小恒 易 可 梁斯静 黄加紫 余文俊 王世鹏 盛亚茗 范真涛 赵宇峰 朱 琦 马超璇 周佳栋 丁 涧 朱泽斌 杜雪原 金 璐 高 飞 李 卓 刘 昊 景 洋 邱思遥 刘天宇 张 津 赵 凡 郑靖奎 郭怡明 胡倚天 孙显赫 申晓曼 孙玉琢 吕伟超 张 璇 张海生 李东宇 宋凌南 陈安秋 田静逸 陈佩雯 盛世鹏 诸葛明华 4

3. 最小分离阈 最小分离阈：人眼能够分辨出两点或两线的最小间隔 约 20”～30”视角。

4. 最小差别(符合)阈 最小差别阈：也称最小符合阈，即人眼能够感知的最 小错位， 约 2 ～ 4”视角。

4.3 时间辨别能力 视觉的时间辨别能力，指的是人眼对不同频率的光刺激的察觉能力。 太快或太慢的运动变化过程，视觉都无法分辨

4.3.3 时间特性——闪光、闪烁与连续 感觉闪光：光刺激频率 8 ～ 10 Hz 感觉闪烁：光刺激频率 10 ～ 16 Hz 人眼对不同时间频率的光刺激的感知结果并不相 同，可分为闪光、闪烁与连续几种结果。 感觉闪光：光刺激频率 8 ～ 10 Hz 感觉闪烁：光刺激频率 10 ～ 16 Hz 感觉连续：光刺激频率 20 ～ 50 Hz 感觉恒定：光刺激频率 50 ～ Hz

4.3.4 视觉暂留 光刺激信息作用于人眼视觉系统后会形成视觉影 像，当光刺激撤去后，影像并不立即消失，而是会短 暂保持一段时间，这一现象称为视觉暂留，约40ms。

4.4 明视、暗视与间视 视锥细胞， 分辨颜色和细节。  暗视觉：亮度范围 10－6 mL ～1 mL， 视杆细胞， 不能分辨颜色与细节。 4.4 明视、暗视与间视  明视觉：亮度范围 1 mL ～107 mL， 视锥细胞， 分辨颜色和细节。  暗视觉：亮度范围 10－6 mL ～1 mL， 视杆细胞， 不能分辨颜色与细节。  间 视：明视与暗视之间的过渡视觉。

 人眼的明视与暗视及其与视细胞之间的关系

家 禽 几乎无视杆细胞

猫头鹰 几乎无视锥细胞

 暗适应：在黑暗中, 由明视觉向暗视觉过渡的过程。 较慢，完全暗适应需45分钟。  明适应：在明亮处, 由暗视觉向明视觉过渡的过程。 较快，瞬间完成，完全明适应2分钟。 视觉亮度阈值 0 5 10 15 20 25 30 35 min

基于暗适应原理的隧道口光照设计

4.5 眼球运动及主眼与非主眼 4.5.1 眼球运动的目的 4.5.0 为何要眼球运动  355/113 周围世界的立体角：4  人眼中央凹的视角：120 << 4   解决之道：眼球运动 （＋头部运动＋身体转动）  355/113 4.5.1 眼球运动的目的  注视：使视轴（中央凹）对准目标，  辐辏：双眼视轴向内集合，  补偿：眼球的反射性运动，保持视线稳定。

4.5.2 眼球运动的生理机制 上直肌、下直肌、 内直肌、外直肌、 上斜肌、下斜肌。  眼外肌的作用  眼外肌完成的动作类型  眼外肌（共6条） 上直肌、下直肌、 内直肌、外直肌、 上斜肌、下斜肌。  眼外肌的作用 协同作用和对抗作用。  眼外肌完成的动作类型 内转、外转、上转、下转、内旋、外旋。 上直肌 上斜肌 外直肌 内直肌 下直肌 下斜肌  眼外肌结构与功能的缺陷，可能会导致斜视。

4.5.3 眼球运动的类型  眼球运动的类型：双眼注视运动、追踪运动、跳跃 运动。  注视运动：眼球将视网膜中央凹对准注视目标所作  5-4  眼球运动的类型：双眼注视运动、追踪运动、跳跃 运动。  注视运动：眼球将视网膜中央凹对准注视目标所作 的运动。 仍有微小颤动

 主眼与非主眼 主眼与非主眼 主手与非主手 两两之间有何 联系？左手吃 饭与右手吃饭  主眼与非主眼：双眼观察视野中的目标时，总是 先以某一只眼睛先注视该目标，然后另一只眼睛 将目光汇合于目标上，前者起主导作用，称为主 眼，后者称为非主眼。 主眼与非主眼 主手与非主手 两两之间有何 联系？左手吃 饭与右手吃饭

第五章 视觉识别与奇趣视错觉 浙江大学 2016-04-05 章海军 浙江大学通识课程—视觉奥秘及应用

5.0 引言 5.1 形状与图形视觉 5.2 视觉对图像的识别 5.3 奇趣视错觉 5.4 图形后效与运动后效 第五章 视觉对图形图像的识别及奇趣视错觉 5.0 引言 5.1 形状与图形视觉 5.2 视觉对图像的识别 5.3 奇趣视错觉 5.4 图形后效与运动后效

5.0 引言 视觉的识别，遵循从轮廓到形状、图形与图像的 认知过程。 阴影产生轮廓

5.1 形状与图形视觉 人们之所以能看到物体的形状，是因为有一个可见的轮廓把它与视野的其他部分区分开来，在看到物体的形状以前，必定先看到它的轮廓。 轮廓与形状 形状与图形 图形与图像

5.1.1 轮廓的作用及主观轮廓  明度的渐变不产生轮廓 ！  轮廓：轮廓是形状视觉中最基本的概念，它是指 明度级差的突然变化。 5.1.1 轮廓的作用及主观轮廓  轮廓：轮廓是形状视觉中最基本的概念，它是指 明度级差的突然变化。  明度的渐变不产生轮廓 ！  6-1

 形状：由轮廓将之与其他部分分离开来的主体。 轮廓不等于形状，相同的轮廓，不同的形状 A B

5.1.2 图形的组织与发展 视觉对图形的感知，是将图形按照一定的规律或原则组织起来的 。

 图形：由简单刺激构成的视觉客体。

1. 图形与背景的分离 明度分离 运动分离 工工工工工工工工工工工工工工 工工工工工工工工工工工工工工工工工图图图图图图图图工工工工工工图图图图图图图图工工工工工工工工工图图工工工工工工工工工工工工图图工工工工工工工工工工工工图图工工工工工工工工工工工工图图工工工工工工工工工图图图图图图图图工工工工工工图图图图图图图图工工工工工工工工工工工工工工工工工

结构在图形－背景分离中的主导作用

2. 图形的接近性：较接近的部分易被视作整体

3. 图形的相似性：相似的图形，易被视作整体

4. 图形的连续性：具有一定顺序的成分易成整体

5. 图形的封闭性：封闭的图形易被视作整体

6. 图形的良好性：有意义的图形易成整体

7. 心理学因素：主观定势与经验的影响

5.1.4 图形的形状视觉理论  格式塔视觉理论 格式塔心理学派认为，图形视觉的组织性是大脑本身所具有机能的表现；知觉的组织性是脑的原始物理过程的体现。它是无须学习而自生的心理现象，属于先念论的范畴。  细胞联合学说 Hebb的细胞联合学说认为，视知觉是后天学习得到的，是细胞联合作用的结果。  进一步的学说展望 视觉过程涉及物理学、光学、神经生理学及心理学等方面的因素是一个极为复杂的认知过程，人们对这个问题的认识还处于很初步的阶段，需要进一步研究。

5.2 视觉对图像的识别  图像：由复杂刺激构成，曾经经验过的有意义的 客体。  人眼对图像识别的特点：从大量视觉信息中识别 5.2 视觉对图像的识别  图像：由复杂刺激构成，曾经经验过的有意义的 客体。  人眼对图像识别的特点：从大量视觉信息中识别 出熟悉的图像或客体。

5.2.1 人眼对图像识别的特点  空间框架的影响 

 旋转使视觉结果发生变化 

5.2.2 模板匹配理论  模板匹配理论(template matching)：视觉系统通 过与过去经验过、记忆过的模板匹配，实现图形与 5.2.2 模板匹配理论  模板匹配理论(template matching)：视觉系统通 过与过去经验过、记忆过的模板匹配，实现图形与 图像的识别。 亿万种模板？ 例：杯子

例：A &   原型匹配理论(Prototype matching)：将图像的 相似性特征作为模板，即原型，实现图形与图像的 识别。 AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 中国浙江杭州浙江大学中国浙江杭州浙江大学

原型及特征

5.3 奇趣视错觉（此处从略） 视错觉（Visual illusion）是指人眼观察物体时基于主观经验或不当的参照而形成的对物体的错误判断和感知，包括几何图形错觉、大小错觉、远近错觉、明暗错觉、颜色错觉、运动错觉等。

5.4 图形后效与运动后效  图形后效：受某种前提刺激影响（适应）后而产 生的异常图形视觉现象。  图形后效的分类：形变后效、倾斜后效、空间频 率后效、附随性后效、单眼特定后效、双眼特定 后效、瀑布后效、运动后效等。