4、人类视觉特性深度解析

人类视觉特性深度解析

1. 视觉阈值相关概念

视觉阈值是理解人类视觉系统的重要基础。其中，最小可觉差（JND）曲线与视觉阈值密切相关。由于背景条件会影响视觉阈值，JND曲线可以表示在恒定背景下看到目标刺激的频率，或者是在不同背景照明下辨别给定目标的能力。通过实验得出，对于JND，最低刺激水平是6个量子（有60%的肯定响应），统计平均值约为10个量子。虽然这种依赖刺激的阈值曲线是高度主观的响应，但经过统计平均后的形状，为推导视觉系统复杂的光化学反应提供了基础。

在许多应用中，除了最小亮度的测试补丁，还需要考虑微分阈值。微分阈值是指现有刺激需要增加或减少多少才能产生感觉变化的量，它对于确定视觉系统适应背景亮度变化的能力至关重要。根据JND准则，当前阈值L（亮度）和微分阈值∆L（阈限增量）的关系可以表示为增量感觉幅度∆B(L)：
[
\Delta B(L) \triangleq \text{视觉亮度变化} = \frac{\Delta L}{L + L_0}
]
这里，L相当于刺激幅度，$L_0$代表视觉机制中的噪声（韦伯定律）。$\frac{\Delta L}{L}$被称为韦伯分数。实验结果表明，在低亮度水平下，亮度辨别能力较差，但随着背景亮度的增加，辨别能力显著提高，即$\frac{\Delta L}{L}$减小时。如果对上述公式两边进行积分，以a和c作为积分常数，感知的亮度水平变为：
[
B(L) = a + c \log(L + L_0)
]
这种对数关系是几种对比度增强数值方法的基础。

视觉系统还存在适应现象。当眼睛在低光照水平下停留一段时间后，会变得更加敏感，相同的光线会显得更亮，这就是暗适应。