視覺的亮度特性

視覺的亮度對應(yīng)人眼感受到的物體的光強度。與亮度密切相關(guān)的一個心理學(xué)名詞是主觀亮度，主觀亮度指人眼依據(jù)視網(wǎng)膜感受到的光刺激的強弱判斷出的被觀察物體的亮度。

1.同時對比度

從物體表面感受到的主觀亮度不僅與表面自身亮度有關(guān)，也與表面和周圍環(huán)境（背景）亮度之間的相對關(guān)系有關(guān)。

如果兩個自身亮度不同的物體與各自的背景有類似的亮度相對關(guān)系（比值），則它們可能看起來有相同的亮度。此時，人們感知到的主觀亮度與物體自身亮度的絕對值無關(guān)。

反之，同一個物體表面，如果放在較暗的背景里就會顯得比較亮，而放在較亮的背景里就會顯得比較暗。這種現(xiàn)象稱為同時對比度，也稱為條件對比度。

圖1：同時對比度示例

在圖1中，所有位于中心的小正方形都有完全一樣的亮度（自身亮度）。但是，當(dāng)它處在暗背景中時看起來要亮些，而當(dāng)它處在亮背景中時看起來要暗些。所以，感覺上這4幅圖像從左向右，中心的小正方形逐漸變暗。

2.馬赫帶效應(yīng)

在物體亮度不同的區(qū)域邊界處，人類視覺有可能過高或過低地估計亮度值。換句話說，從一個物體表面感受到的主觀亮度并不是物體所受照度的簡單比例函數(shù)。這個現(xiàn)象由馬赫發(fā)現(xiàn)，所以稱為馬赫帶效應(yīng)。

圖2：馬赫帶效應(yīng)

圖2（a）是一個馬赫帶圖形，包括三個部分：左側(cè)是均勻的低亮度區(qū)，右側(cè)是均勻的高亮度區(qū)，中間是從低亮度向高亮度逐漸過渡的區(qū)域。

圖2（b）給出從左到右的實際亮度分布（三段直線）。人們用眼睛觀察圖2（a）可以發(fā)現(xiàn)：在左側(cè)區(qū)和中間區(qū)的交界處有一條比左側(cè)區(qū)更暗的暗帶，在中間區(qū)和右側(cè)區(qū)的交界處有一條比右側(cè)區(qū)更亮的亮帶，即有如圖2（c）所示的主觀亮度。

事實上，暗帶和亮帶在客觀上都不存在，它們只是主觀亮度的感受結(jié)果。

圖3：馬赫帶效應(yīng) 同樣，在圖3中，每個色條，從左到右亮度逐漸增加，但是人眼會看到兩條色條之間的過渡區(qū)域，在左邊低亮度區(qū)域會更暗，在右邊高亮度區(qū)域會更亮。

3.對比敏感度

對比敏感度（也稱為對比感受性）反映人眼區(qū)分亮度差別的能力，受觀察時間和被觀察目標(biāo)的大小影響。

如果用由粗細不同、對比度不同的線條組成的柵格進行測試，人眼所覺察到的柵格亮暗線條之間的對比度與原測試柵格亮暗線條之間的對比度越接近，就認為對比敏感度越大。

在理想條件下，視力好的人能夠分辨0.01的亮度對比，即對比敏感度最大可達100。

如果用橫坐標(biāo)代表測試柵格亮暗線條的粗細程度，用縱坐標(biāo)代表對比敏感度，則實測結(jié)果給出視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，即給出人的視覺系統(tǒng)將測試圖像準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換成光學(xué)圖像的能力。這里測試柵格亮暗線條的粗細程度可用空間頻率表示，其單位為每度視角中包含的周數(shù)（線條數(shù)目），即周/度（CPD）。

對比敏感度可用光的調(diào)制系數(shù)M來規(guī)范，設(shè)Lmax、Lmin和Lav分別代表最大、最小和平均亮度值，則有