Dr. Optoglass 日志:人类眼睛构成、视觉原理、色彩空间等解析

综合资料 Mr.R 5个月前 (02-15) 996次浏览 已收录 20个评论 扫描二维码

内容概要:
为摄像师和摄影师绘制的人眼图像
瞳孔,虹膜和晶状体
玻璃体躯干

闭上眼,未必在沉睡,睁开眼,未必能看清 —— Bill Cosby

首先要知道:人眼比任何相机都要复杂,而且可能比每台相机加起来还要复杂。
它具有很大的优势,同样也有巨大的局限性。
不管它有什么价值,它帮助人类看到了世俗、荒谬、伟大、恐惧和崇高。

关于成像的一切都是从人眼开始的。这就是它的样子:
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对于摄像师和摄影师来说,眼睛可以想象成这样:

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快速看一下上面的图表,你会发现光线通过一个透镜(不是在实验室里制作和测试的),穿过凝胶状的材料层,最后到达一个小点(只要眼睛是睁开的,杆状和锥状的物质就会发出咔嗒声)。哇,你可以知道相机和镜头的设计了。
眼睛的设计告诉我们,光线进入大脑的路径非常复杂,没有什么比光线,如何击中传感器或相机的胶片更简单的了。
这么复杂的设计,怎么可能让眼睛看得那么清楚呢?我不知道,但确实如此。很好,谢谢。

瞳孔、虹膜和晶状体

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维基百科:Petr Novák

中间的黑洞是瞳孔。为什么是黑色的?因为这能让眼睛有效地吸收内部所有的光线,所以没有光线反射出去。
彩色的部分——有很多阴影的部分——是虹膜。它决定了瞳孔的大小。
当强光进入瞳孔时,虹膜会将其关闭(如果你真的想完全关闭光线,那是因为你有眼睑)。
当可用的光线不够亮时,虹膜通过扩大瞳孔进行补偿。
最小瞳孔尺寸约为3mm至5mm,最大约为9mm。根据年龄和其他因素,这在人类中差别很大。
白色的外部区域是巩膜,中间透明的部分(你看不见但是在那里)是角膜。
晶状体和角膜一起悬浮在空中,折射(也就是穿过)光线,帮助聚焦(晶状体还有什么用?)与相机镜头不同,这款相机可以根据拍摄对象的距离改变形状。
这种水晶体(Lens)形状的改变叫做适应。为什么水晶体(Lens)需要适应?因为,整个眼睛需要扩张和收缩(就像相机上的风箱)来聚焦。

水晶体(Lens)直径约10毫米,成人约4毫米长,但这是由于适应变化。
水晶体(Lens)的折射率大约在1.406到1.386之间。它是玻璃做的吗? 不是真的。
它主要由结晶蛋白或水溶性蛋白质组成。问题不大,如果你喜欢眼镜,我可以给你开一副眼镜。

一旦光线穿过水晶体(Lens),它必须穿过一个胶状的海洋,这个海洋被称为玻璃体或玻璃体液体,99%是水。
另外1%是终生研究的课题。不足为奇的是,这1%使玻璃体的粘度是纯水的2到4倍。其折射率约为1.336。它能保持眼睛的形状。
如果我们有空气而不是胶体,我们的眼睛很容易像一个乒乓球一样塌下来。

注意事项:

眼睛足够复杂,可以研究一辈子。
瞳孔是一个通光的孔。
虹膜控制瞳孔的大小。
人眼的晶状体适应(也就是说它改变形状)聚焦。在角膜的帮助下,它控制着光的路径。
玻璃体把眼睛连在一起,让光线通过。

内容概要:
视网膜,黄斑和中央凹
关于杆和锥

人类的眼睛是一架显微镜,它使世界看起来比实际更大——哈利勒·纪伯伦

光线穿过玻璃体后,进入覆盖眼睛内层的视网膜。
视网膜这个词来源于网络(net),它的作用就像照相机里的传感器或胶片。
视网膜收集光线并将其转化为信号的化学过程,我们的大脑将其解释为视觉。
在成年人中,视网膜所覆盖的整个区域约为1000平方毫米。
它有一个孔,通过这个孔,光纤将眼睛传输到大脑。
这个洞是造成盲点的原因。这个点的面积大约是3平方毫米。

视网膜是这样分布的:

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视网膜最有趣的方面,至少对我们来说,是它的光感受器细胞的集合——把光转换成信号的神经元。
光感受器细胞有很多种,其中两种对我们很重要——视杆细胞和视锥细胞。
它们就像披萨上的奶酪和配料一样,遍布视网膜。

如上图所示,正是视杆细胞和视锥细胞的分布使我们能够对视网膜的不同区域进行分类。
整个视网膜包含大约700万个视锥细胞和7500万到1.5亿根视杆细胞。
问题是,如果有150个光感受器细胞分布在视网膜上,那么有1.5亿个光纤进入大脑吗?不,没有。世界上只有大约100万根光纤。
这意味着必须存在信号的收敛或混合。奇怪,但我们的视网膜以100:1的顺序压缩图像!

视网膜图也解释了我们的视觉——边缘模糊,集中在中心(不管我们引导他们去的是什么)。
这告诉我们中央凹是光线聚焦在视网膜上的点。
锥细胞的浓度随着我们向中心移动而增加。当我们移动到视网膜的外围时,视杆细胞的数量增加,视锥细胞的数量减少。

黄斑围绕着中央凹,实际上是一个黄斑,就像中央凹的太阳镜一样,挡住了明亮的光线。

视杆细胞和视锥细胞

视杆细胞和视锥细胞是表现不同的光感受器细胞。杆子看起来像杆子,圆锥看起来像圆锥。

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简单地说,光杆在弱光和黑白(实际上是浅蓝色)的情况下表现得很好。锥细胞在强光下表现良好。视锥细胞是我们视觉中颜色的来源。
这就解释了中央凹是如何工作的(中央凹没有杆)。
在明亮的灯光下,我们的视觉是最敏锐的,色彩也是最明亮的。
到了晚上,我们的视觉就不那么敏锐了,色彩也变得柔和,几乎是单色的。
对于任何需要对细节进行取样的活动,眼睛都使用中央窝。例如阅读、驾驶等。
中央凹对于颜色视觉和运动检测也是至关重要的。

中央凹也有一个中心,它被称为中央凹——直径约0.2毫米。
凹内锥体的大小小于凹外锥体的大小。
这也告诉我们,中央凹在人眼中分辨率最高。
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中央窝仅能承受2度左右的人类视觉,尽管它只占视网膜的1%,却能接触到50%左右的视觉皮层。
一个有趣的事实是,你会认为中央凹在光轴上,和透镜的中心在一条线上,但它不是。它实际上在4到8度之间。

杆状细胞对弱光很敏感。杆状细胞对单个光子的反应足够灵敏,比锥细胞的反应灵敏100倍。
杆状体对于夜视来说是必不可少的,并且对498纳米(蓝绿色)左右的光波长最为敏感——对我们大多数人来说,这是夜晚的颜色。
这就导致了普肯耶效应,即人眼在低照度下倾向于光谱的蓝色端。

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可以看到,中央可以达到350000锥的锥密度每平方毫米。
他们通常是40 – 50µm长,和他们的直径从0.5到4.0µm不等。

接下来,我们将讨论颜色。

注意事项:
视网膜是眼睛内部用来捕捉光线的网。视网膜由光受体细胞组成。
两种最重要的光受体细胞是视杆细胞和视锥细胞。
棒是敏感的低光和蓝色单色类型的颜色。
视锥细胞对强光敏感,是引起颜色视觉的原因。锥细胞还负责分辨细节和运动检测。
眼睛“压缩”视觉信息。它究竟是如何以及为什么这样做的,目前还不是很清楚。

内容概要:
锥细胞如何产生颜色
可见光谱
定义颜色空间
CIE XYZ 1931颜色空间

是别人的眼睛毁了我们。如果我是盲人,我想要的不是漂亮的衣服、漂亮的房子或漂亮的家具 —— 本杰明·富兰克林

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人类通常有三种锥细胞。它们被称为L、M和S——长、中、短(我知道你期待的是RGB)——基于它们对光波长的敏感性。
L响应红光(564-580 nm)。M响应绿光534-545 nm)。S响应蓝光(420-440 nm)。

如果你还记得,杆状细胞在498 nm处有一个峰值灵敏度,大约在S和M之间。
人类可见光的下限是380纳米。除此之外的都是紫外线。上限是750纳米。除此之外的都是红外线。
在正常的光线水平下,眼睛对黄绿色的光(555 nm)最敏感——这是因为这种波长同样刺激两种最常见的锥体类型,M和L。
S锥体是随机放置的,出现的频率远远低于M和L锥体。
这可能是由于可用的杆体。L和M锥体与S锥体的比例约为100:1。

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关于眼睛的颜色理论之一(是的,有很多)是,视杆细胞和S锥细胞决定亮度,L和M锥细胞决定颜色,非常类似于用于广播的YCbCr颜色模型。
这应该会告诉你,设计出这个模型的工程师都是才华横溢的天才。
总的来说,据估计人类的眼睛可以感知大约1000万种颜色。
普通人一生中最多只能分辨和命名100种颜色(有些颜色无法通过VIBGYOR)。
一个艺术家或专家可能会分辨和命名数千种颜色。
但是我们所有人都能看到数以百万计的颜色。进化就是这样民主的。
所以,不要抱怨我们的生活缺乏色彩,那并非真的!

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白光是人眼看到的所有颜色的组合。
有时很难预测眼睛看到的场景的实际颜色。
例如,我们对物体颜色的记忆,如白纸或黑头发等,会使我们的眼睛在不同的光照条件下看到同样的物体时产生补偿。
我们的大脑一直保持着白色平衡,但不像照相机那样。

就颜色而言,中央凹外锥体的质量是无可挑剔的。
如果低于标准值,我们只能在视觉中心看到颜色。
就目前而言,我们看不到“联接(joins)”,即使我们的眼睛只盯着一小块区域,视觉场景的其余部分也不会失去颜色。

拥有三种锥体的另一个事实是,我们的眼睛本质上是“拼接的”,类似于(但比)拜耳传感器阵列先进得多。它必须在不破坏视觉流的情况下进行实时色彩操作。

在“面纱之下”发生了如此多的事情,眼睛几千年来一直设法保守其工作原理的秘密,直到今天仍未被我们发现,这真是一个奇迹。

那么工程师们是如何掌握颜色的呢?他们使用所谓的色度图:

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注意事项:
视锥细胞有三种类型——L、M和S——它们是彩色视觉的基础。
颜色只是我们的大脑根据特定波长的光产生的感觉。
一个颜色空间就是一个给定系统可以复制的所有颜色。
CIE XYZ 1931颜色空间代表人眼看到的颜色,是所有其他空间测量和比较的基础。
眼睛可以看到1000万种颜色,但是大脑不能一次解析所有的颜色。

相关资料:
http://en.wikipedia.org/wiki/Human_eye
http://en.wikipedia.org/wiki/Eye
http://en.wikipedia.org/wiki/Pupil
http://en.wikipedia.org/wiki/Iris_(anatomy)
http://en.wikipedia.org/wiki/Lens_cortex
http://en.wikipedia.org/wiki/Vitreous_body
http://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
http://en.wikipedia.org/wiki/Colour_vision
http://en.wikipedia.org/wiki/Color_space
http://en.wikipedia.org/wiki/CIE_1931_color_space


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  2. ydys
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  3. 谢谢分享~~~~~~~~~~~~~
    q7926153262019-06-02 23:25 回复 Windows 10 | 搜狗浏览器 2.X
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  14. 厉害~
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