人眼视角

2024年2月22日发(作者：蔚然成风的意思)

进一步而言，人眼的视角是有限的。并且因人而异。一般而言，映在人眼视网膜上的图像，只有中心部分能分辨清楚，这叫分辨视域，约15度。从十几度到30度之间则称为有效视域，观众能立刻看清物体的存在和有什么动作。还不到需要转动头部才能辨别清楚的程度，但分辨能力已经下降了。超过水平方向视野角30度的周边部分称为诱导视野，俗称眼睛的余光。只能感觉到物体的存在或有动作出现，并不能看清楚是什么物体或什么动作。当人们感觉到有动体或变化的时候，就会把眼珠或头颈转过去，让动体落入视角正中以便分清何物。这一角度为30度到100度，不同人之间的差异就更大。

标准镜头是指焦距大约等于感光面（底片，CCD或CMOS） 的对角线长度的镜头。其“看”（拍摄）对象的视角和人眼的视角（当然不能把人眼的余光也考虑进去）非常相近。对135相机而言，其感光面尺寸为36×24mm，对角线长度为43mm。因此43mm左右焦距的镜头就是标准镜头，习惯上取50mm左右的镜头为标准镜头。对120中幅相机，其感光面尺寸有三种：45×60mm、60×60mm和90×60mm，因此其标准镜头的焦距范围为75～110mm。焦距小于标准镜头的称广角镜头，而大于标准镜头的称远摄镜头。50mm标准镜头的视角（感光面对角线两端点到镜头中心的连线所成的角度）为47度 ，显然广角镜头的视角比标准镜头的大，能拍摄更大的范围，远摄镜头的视角比标准镜头的小，拍摄的范围也小。一个简单的法则就是，焦距越大视角越小，焦距越小视角越大。

。50MM镜头也叫“标准镜头”因为她的视角和人眼的视角是基本一致的，人的视野其实真的很狭窄，只有45°！）

人眼的水平视角为160度，垂直视角为80度。

试验表明，观看图像的最佳距离应当是画面高度的4倍至5倍，这时的总视角约为15度，在这种情况下，可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。这个距离，既可以避免因过近观看时眼球需要不停地转动而引起眼疲劳，又可以避免过远观看时对图像辨别能力的降低，以及防止画面以外的景像进入视野中。如果选择观看距离L为画面高度H的5倍，即L＝5H，将其与视敏度θ＝1.5分一起代入上式后，则为

M＝3438（1/5）（1/1.5）

＝458（线）

标准焦距摄影镜头与短焦距和长焦距摄影镜头相比，它的焦距比较适中，因而它的视角、拍摄范围、影像放大率、景深等也比较适中。由于标准摄影镜头的水平视角接近于人眼正常的视角感受，因此在摄影中无论哪种类型的摄影镜头，都依据人眼的正常视角来确定照相机、摄影机、摄像机的镜头标准。人眼的水平视角约为24°，因此，摄影摄像中使用的各类镜头，凡是接近于这一视角的均称为该系列镜头中的标准镜头。16毫米的电影摄影机和电视摄像机（2/3英寸）接近人眼水平视角的镜头焦距为25毫米。，因此，标准镜头的焦距为25毫米。它们的水平视角分别为23.1°和21.9°。运用标准镜头所摄画面中的景深的比例关系和透视关系与人眼直接观察该景物时所感受到的正常视角效果基本一致，既不会夸张，又不压缩，无变形，使观众感到所摄画面自然、真实、可信。

标准镜头的特点是，成象质量好，分辨率高，从而使摄影像清晰度高，反差适中，色彩还原好，还有标准镜头的相对孔径大，透光性能好，在低照度下也能进行正常拍摄。因此，在摄影中，能用标准镜头拍摄的，一般不在使用其它焦距的镜头，以便获得最佳的画面效果。

在生物界中，人眼可算最高级了。只要看上一眼，就能确定物体的形状、大小和距离。可是，人眼也有不足之处。比如，能观看的角度，也就是视角，太小；上下左右能看到的范围，也就是视场，很小。如果以看得见的标准来计算，人眼的视角约为150度；但是按看得清楚的标准，视角就只有5度左右了。正因为这样，人为了扩大视野范围，就得骨碌碌地转动眼球，左右顾盼，有时还得转动一下头部。

在这方面，鱼眼就得天独厚了。在所有的动物中，它们眼睛的视角最大，有的大到160度～170度，甚至还有更大的。人们模仿鱼眼制成一种视角为180度的超广角镜。使用这种镜头拍照，能使整个空间的物像，一下子都“尽收眼底”，投射到小小的一张底片上。这时的图像就像鱼眼看到的那样，变成了圆形。

海豹在水中洞察目标的本领是很大的。它在清澈的水中虽谈不上明察秋毫，但也能。眼就认出只有5克重的小鱼。即便在比较混浊的水中或幽暗的水下，海豹也能看到极小的鱼类。到

了陆地上，这种动物同样也能准确无误地发现敌害。这是因为在海豹的捕食、定向和其他活动中，眼睛有着举足轻重的作用。长期的海中和陆上生活，使它的眼睛发生了适应环境的变异。海豹的眼睛大而有神，晶状体很大，近似球形，便于接收大量的光线。海豹眼睛的外层有透明的瞬膜，既能保护眼睛，又可提高视力。它的视网膜还有招皱，使眼球的容积能随水压变化而改变，有利于在深水中看清其他动物的行踪。此外，海豹视网膜上的感光细胞很多，使它在陆地上也有较好的视力。

不过，与陆地上的高等动物相比，海豹的陆上视力毕竟要差一些。因而有人说，海豹的眼睛在水中是“正视眼”，而在陆上是“近视眼”。这是很有道理的。因为海豹在陆地上的活动主要是休息或产仔，对视力的要求不是太高；而在水里就不一样了，寻觅和追捕鱼类，对视力的要求很高。因而，它的眼睛结构主要是适应水中的活动。

青蛙是捕捉昆虫的能手，它的眼睛十分奇特：对运动的物体几乎能“明察秋毫”，然而对静止不动的东西，它却“视而不见”。苍蝇即使与青蛙并排站着，也不会引起青蛙的注意。但只要苍蝇一动弹，马上就会成为青蛙的口中之物。

猫和兔子是人们非常熟悉的动物。生物学家发现，这两种动物的眼睛在视觉上有较大的差异：猫眼对从视野中心向边缘移动的物体特别敏感，而兔眼却对从视野边缘向中心移动的物体十分敏感。如何解释这一有趣的现象呢？

根据动物的生活习性、行为与生存环境进行分析，猫主要以捕鼠为生。对于它来说，重要的是不能让已发现的食物溜掉，否则就只能饿肚子。为此，猫特别注意从视野中心向边缘移动的物体。猫眼的特征是由猫追踪老鼠的本能决定的，具有重要的生物学意义。而兔子是草食性动物，食物是不会溜掉的。对于这种弱小的动物来说，抵御猛兽的袭击是至关重要的。因而它时刻关注着进人视野的物体，一旦发现敌情，赶快溜之大吉。

“一朝被蛇咬，三年怕井绳。”人们为什么如此惧怕毒蛇呢？这不光是因为它动作神速，还由于它感觉灵敏，即使在漆黑的夜晚，也能发现目标，发起攻击。那么蛇的一双眼睛就特别好吗？不是，它的视力并不是特别好，只是它另有一种能看见热线（也就是红外线）的“眼睛”，这就是热定位器。这种热定位器就长在眼睛和鼻孔之间叫做颊窝的地方，人们又将它

称为“第三眼”。因为每一个动物都会发出热线，因而依靠这“第三眼”，蛇就能寻找和辨别活的目标了。而人对于这种热线，却是“视而不见”的。

对热线最敏感的，莫过于热带地区的响尾蛇了。即使1／1000摄氏度的温度变化，也会使它的神经变得兴奋起来，并能够在夜幕笼罩下清楚地知道，别的动物究竟在何处。正因为响尾蛇具备了热定位器，所以在伸手不见五指的情况下，也能百发百中地捕获猎物。

蛇能看见热线，许多昆虫的眼睛则有另外一个功能，它们能清楚地看见紫外线。在农村夜间的田野上，人们常可看到“黑光灯”在诱杀害虫，这种灯能发出紫外线，吸引害虫前来“自投罗网”。但是，人眼是看不见紫外线的，正因为这一点，对紫外线以及昆虫“紫外眼”的研究在军事上显示出了重要的意义。

视场角一般以人眼观看一定距离景物的有效范围为依据，人眼的水平夹角约为40度—60度之间

家庭影院的摆位

随着VCD机的逐渐普及和片源的日趋丰富，在家中设立个人电影院成为一种娱乐时尚，以大屏幕电视、影碟机，配以杜比解码放大器，即可成为一套家庭影院系统。为了保证良好的视听效果和丰富的临场惑，需要合理地布置一个最佳视听位置，笔者认为这个家庭影院中的“皇帝位”应从视觉距离、音响效果来考虑。

一 . 最佳视觉距离

大多数家庭影院是采用25·至34·不等的大屏幕彩电作为画面显示器材，合理确定观看距离，对这个“皇帝位”很重要，根据人眼的视觉特性，人眼对垂直视角15”，水平视角20”的长方体看得最清晰，不易疲劳。于是，家庭影院的最佳视觉距离（L），跟屏幕高度（H）有一定关系（如图一）．利用它们的关系可估算出“皇帝位" 最佳距离。例如。25·、29”彩电最佳距离为1．9m和2．2m。

二、最佳音响效果

1．家庭影院 至少需4至6只音箱，合理地摆放这些音箱，对“皇帝位”布置非常重要（如图二），（1）在确定最佳视觉距离之后，再调整前方左右音箱的距离，使2只音箱至听音

者连线成夹角为45”，高音单元与听音者耳朵齐平; (2）中置音箱前后位置与左右主音箱平齐，并且与左右音箱处于同一水平高度，一般把防磁中置音箱置于电视机的顶上，（3）环绕音箱摆位采用“侧墙安装法””为最佳，就是把两只环绕音箱面对

面指向，放在与听音着等距离的两侧墙上。并使其比听音者高60～100cm。若室内限制只能装在后墙上或者无邻近墙的放在地面支架上的环绕音箱，安装方法与”侧墙安装法”相同。也可把环绕音箱放在听音者的后面，但应离地面一段高度，指向朝上;（4）至于低音音箱没有方向性，可放在家具下面或后面，只要使低音丰满而清晰即可。

此外，能否正确使用杜比定向逻辑解码家庭影院系统，也会影响“皇帝位”定位感和临场感。使用时： （1）把系统置于四声道状态，（2）选择合理的中置声道模式，不同模式下作用效果不尽相同。展宽下，语言对白、音乐和效果声都从中置声道播放，中置箱特性要求较高;幻像下，中置声的信号被平分到主音箱，在

左右两只音箱中央产生合成“幻像”的中置声，这时，中置音箱不起作用;对于一般家庭影院应置于正常模式下，中置声道的低音将分配到左右主音播放，而不通过中置箱，这时中置音箱可使用较小的音箱，目前市售的中置箱都是供这种模式下使用的。（3）音箱系统音量平衡调整，打开定向测试开关。按说明书操作步骤，调整各声道功放音量电位器使输出雪花噪声，在”皇帝位”上听起来各声道的音量都是一样即可。

在画面效果上达到视觉最佳，再兼顾音响效果。二者的重合才是真正的“皇帝位”。

画幅比例实际上是根据人类的视觉特点来的。根据解陂学和人体工程学来看，人眼是一个复杂光学系统，静态的时候看人眼，人眼是一个横向视野46度，垂直视野38度的定焦光学系统，因此一般照相机的标准镜头都是大约在这个视角范围的。实际上人类并并不是整个视野范围内的东西都看得清楚的，人眼的黄斑是主要起到精细分辨的，在人类视野中，投射到黄斑上的视角实际上只有8-12度，因此，使用镜头的时候135中的135mm，200mm的镜头往往比较容易被接受（135，200mm镜头在无限远的时候刚好适配黄斑视角，而在近距离，80-100mm的镜头视野更适合黄斑），也正是因为如此，70-200的镜头才会成为目前最接近的类标准镜头之一。

人眼并不是一个单纯的静态光学系统，它以眼球的扫描作为视觉的累积，根据人眼的特点，横向扫描活动比较多而且也比较轻松，正常状态下，人眼最轻松的扫描一眼的横向幅宽为120度，极限接近180度，垂直方向38-30度，因为人眼最舒适的视角中心垂直方向是0到-15度，垂直扫描超过50度就会觉得明显的累。

宽画幅的出现完全是依据人类的视觉特点，135及其相关比例的画幅的诞生可以说是借助人类的第一眼凝视的特点，这一类片子如果在你第一眼看上去不够吸引，迫使你需要扫描视线才能建立印象，那么它永远不会是一张好照片，如果第一眼印象不错，确没有真正能让你集中的视觉中心点，或者说让你感觉有趣的趣味点，那么这张照片再好也有限。而宽幅来源于人眼120度比38度的视野特点，一般近似的人为1：3的高宽比例是最合适的，它借助人扫描的实现来得以拓宽视野的感觉，由于是扫描才能建立印象，看宽幅的画册往往超过30张以后就会感觉到很疲劳，特别是画册印刷的必须要摇动头部才能完成的时候，这也是比例超过1：3的画幅的特点，尽管可以提供更宽阔的印象，但并不利于人的习惯视觉，注定就是不能常用的画幅。

普通的电影宽荧幕的底片是23x52.5mm的，比例接近1：2.3，这主要是考虑到电影作为持续性视觉扫描，过于宽阔容易使疲劳积累，对人的视觉有害，但近年来的研究发现，随着电影院的条件改善，绝大多数观众的观看距离都能够满足更宽的电影比例，因此。超宽的70mm影片逐渐成为潮流，许多大片都利用这一片幅提供更加强烈的视觉冲击。

对于617而言，因为人眼的视觉特点，大多数人选择超广角镜头作为标准镜头使用，和其他相机不同。宽幅相机的标准镜头提供的拍摄感觉往往是人感觉视觉最为夸张的角度，所更换镜头一般都往更长的焦距方向走。这也从另一个侧面说明，为什么今天的617非常强调超广角镜头的使用能力，对于目前的光学水平，人眼的120度横向视野还无法用光学镜头完成，尽量接近标准视野的角度是所有617孜孜不倦的追求。

由于617或者xpan这类相机利用的观察方式是横向连续视线扫描，那么根据人类对视觉的判读习惯是采用对比的方式，好的宽幅照片应该体现出两个具有对比的主体的一个共用主题，视线的趣味点不能过于单一或者过于复杂。呵呵，扯远了。

对于很多提倡画幅比例1：2，1：2.5的，实际上大多都是从目前相机的物理极限来说的，612就是这样的典型，使用过612的人大多都有612不容易构图的感觉，因为他不管怎么看，从视觉特点上都不够舒适，属于比例不够调和，1：2.5的产品主要是普通的宽荧幕电影，也有人最近叫嚣的614，615画幅，1：2.5在视觉上比1：2时要舒服多了，它同样属于视线扫描的阅读类型，因为镜头的表现宽度和比例宽度依然不如617，给人的广阔感觉也不如617，预留给人表现的空间也少了些，电影和照片不同，电影可以通过时间连续画面的积累

来达到表现的目的，因此电影画面可以相对单一，而照片则必须在同一个画面有限的空间内完成电影多个画面的累积，空间的控制尤其重要，视觉比例带来的好处积累也非常重要，如果说135比例的照片是一个瞬间的凝固，那么宽幅照片则必须是一个故事的凝固，xpan的出现，越来越多的人都发现实际上宽幅更适合来表现人文，而不是仅仅在风光上体现原野的广阔。如果仅仅是在单一画面的效果，617实际还不如624给人的空间大，视觉冲击力强，但624这种1：4的画幅过于接近人类极限视野，观看时如果达不到极其富于冲击的视觉效果，反而会因阅读的疲劳影响画面的表现感受。

解读电视的分辨率和清晰度

文章来源：家庭影院技术 文章作者：陈俊文 阅读次数： 1053-对视频图像及其显示的浅见（之一）

家庭影院的图像显示设备的种类、性能和功能永远是一个新鲜话题，但其有关的基础知识，或更确切的说是有关电视、电视机和其它视频播放设备的基础知识的话题，却是一个古老而有趣的话题，也是许多家庭影院爱好者一致关心和感兴趣的话题。由于对电视、电视机和其它视频播放设备的基础知识并非每个家庭影院爱好者都明白，对现在正在蓬勃发展着的新技术、新设备的特点也不能正确地理解。不但如此，即使就是现在自己正在使用着的设备，也不懂得如何去将它的性能充分发挥出来，不懂得如何去将它的功能充分利用起来。笔者作为一个普通家庭影院爱好者，在这里希望能从探讨的角度出发，和大家一起来解读有关家庭影院图像技术和显示设备的一系列常用的、实用的和重要的基本知识，其中还包括设备的使用和调整等方面的知识。在目前五彩纷呈的显示技术和显示设备中，我们拟从电视说

起，在电视中，又打算从大家都最关心的分辨率和清晰度问题说起。

一、分辨率和清晰度还用得着讨论吗？

说起电视的分辨率和清晰度，似乎是尽人皆知、谁人都懂的问题，好像没有什么值得可谈的，更没有必要作专文加以讨论。

在与清晰度有关的用语中，除了清晰度一词以外，我们经常还可以见到分辨力、分辨率、解析力、解析度、解像力、解像度这些词语。对于这些词语分别的含义和所指的具体内容是什么，怎样使用才合适，目前流行的看法是很不统一的，归纳起来主要有3种不见的看法。

第一种：分辨率就是清晰度

这是一种最普遍的看法。这种看法认为，这些词语的意义是一样的或者说是一致的，有的人习惯于用分辨力（率）、分解力、解析力（度）和解像力（度）这一类词，而另一些人习惯于用清晰度这一个词。或者说，这些词的意义是一样的，但在习惯上对不同的对象使用不同的词汇，如习惯于将清晰度一词用于电视机，将分辨率一词用于计算机之类的显示器。

第二种：分辨率和清晰度是两回事

这种意见认为清晰度与分辨率（还包括分辨力、解析度、解像度等几个词语）有着本质的区别，它们所指的具体内容本来就不一样。具体说来，清晰度是指人眼宏观看到的图像的清晰程度，是由系统和设备的客观性能的综合结果造成的人们对最终图像的主观感觉。(虽然是主观感觉，但不像主观听音评价那样不能用一个客观标准来计量，清晰度这种主观感觉是可以进行定量测试的，即可以用黑白相间的线条的粗细来衡量，并有标准的测试方法和测试图，其测量数据有明确的单位，即电视线TVL）。而分辨率与清晰度不同，它不是指人的主观感觉，而是指在摄录、传输和显示过程中所使用的图像质量记录指标，以及显示设备自身具有的表现图像细致程度的固有屏幕结构，说具体点就是指单幅图像信号的扫描格式和显示设备的像素规格。图像信号的扫描格式也好，显示设备的像素规格也好，都是用“水平像素×垂直像素”来表达的，其单位不是“线”，而是“点”。图像信号的分辨率和显示设备的分辨率是制式和规格决定了的，是固定不变的，而清晰度是因条件而可改变的。清晰

度的线数永远小于图像信号分辨率像素所连成的线数。比如，对于PAL制电视720×576的扫描格式，其水平像素为720点，也就是可以得到720条垂直竖线，但不论用什么高清晰度的显示器，也不可能获得720条电视线的水平清晰度。

第三种：分辨率和清晰度可以互换使用，但概念不同

这种意见实际上是介于上述两种极端意见之间的意见。这种意见认为：电视系统有一个清晰度，也可叫分辨率、分解力、解析力和解像度等；电视机最终反映的图像也有一个清晰度，也可以叫分辨率、分解力、解析力和解像度等，因此二者是可以互换使用的。但是，二者的概念并

解读电视的分辨率和清晰度

文章来源：家庭影院技术 文章作者：陈俊文 阅读次数： 1054

不一样，因此虽然清晰度一词和分辨率那几个词可以随便互换使用，但在心目中不能将“电视制式的清晰度”和“电视机所达到的图像清晰度”两者混淆。

对于以上3种意见，不知您赞同哪一种？不管赞同哪一种，现在的实际情况是，3种意见是并存着的；说不要将两者混淆，实际上这种混淆的情况是随处可见的。就以身边刚刚发生的一件小事为例，就可以知道不搞清这个问题的麻烦了。事情是这样的：一位同事将一份新方特出版的《数码影像产品导购手册》（2003.8总第24期）给我看，问为什么索尼的和松下的总共20款数字摄录机的“水平解像度”分别是500线、520线和530线3种情况，而佳能在手册上仅有的6款摄录机的“水平解像度”全部都是625线，难道佳能的摄录机比索尼和松下的摄录机清晰度要高100多线吗？我向他解释说，索尼的和松下的是指摄录的图像信号可以达到的水平清晰度的“电视线”数，而佳能的是指摄录的图像信号制式的扫描线数，即PAL制720×625中的625线。前者是水平解像力所具备的清晰度，后者直接就是垂直解像力，也就是我们所说的垂直分辨率。因此，索尼和松下摄录机表示的“水平解像度”多少线，与佳能摄录机表示的“水平解像度”多少线是完全不同的两回事。那位同事听来听去很难搞得清楚，最后只好抱怨说：一个是水平的，一个是垂直的；一个是转换过的，一个是没有转换的，那为什么都一律说成是“水平解像度”呢？——我还能说什么呢？只好

说：我也闹不明白，为什么许多人都不但认同将清晰度与分辨率、解像度等词混用，而且还要近乎顽固地维护这种让明白的人可能明白，不明白的人就让他不明白的做法！

为了让不明白的人也能明白一点，我们在下面将对电视的清晰度、分辨率和电视制式的概念和来源作一个简单介绍，使上面所说的这个问题能得到比较统一和合理的认识。

二、电视的清晰度

1、人眼的分辨力和电视的清晰度

人眼的分辨力是指人眼对所观察的实物细节或图像细节的辨别能力，具体量化起来就是能分辨出平面上的两个点的能力。人眼的分辨力是有限的，在一定距离、一定对比度和一定亮度的条件下，人眼只能区分出小到一定程度的点，如果点更小，就无法看清了。根据人眼的分辨力，决定了影视工作者力求达到的影像清晰度的指标，也决定了采用图像像素的合理值。

人眼分辨图像细节的能力也称为“视觉锐度”，视觉锐度的大小可以用能观察清楚的两个点的视角来表示，这个最小分辨视角称为“视敏角”。视敏角越大，能鉴别的图像细节越粗糙；视敏角越小，能鉴别的图像细节越细致。在中等亮度和中等对比度的条件下，观察静止图像时，对正常视力的人来说，其视敏角在1～1.5分之间，观察运动图像时，视敏角更大一些。关于视敏角的示意图见图1。

为了将研究的对象从两个点扩大到一个面，所以将视敏角从人眼到两个点之间的夹角，引伸到从观察点（人眼）到一定距离的一条相邻黑、线条”之间的夹角。如果观察的是在垂直方向上排列的一系列连续水平黑白线条，则能表现出图像的垂直清晰度；如果观察的是在水平方向排列的一系列连续垂直黑白线条，则能表现出图像的水平清晰度。测量垂直清晰度的水平黑白线条的示意图见图2，测量水平清晰度的垂直黑白线条的示意图见图3。

电视正是利用了这个原理，确定出了电视应当设计成具有多高的垂直清晰度和多高的水平清晰度，再从清晰度推算出需要多少条

解读电视的分辨率和清晰度

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水平扫描线和多少条垂直扫描线，从扫描线又推导出需要多少水平像素和多少垂直像素，也即建立起了相应的图像的分辨率和单幅电视图像的扫描格式，将它再与每秒钟图像的显示次数和其它指标结合起来，最终建立起了相应的电视制式。下面，我们以PAL制电视为例，说明其清晰度和分辨率是怎样演变出来的。

2、垂直清晰度

上面已经提到过，根据视敏角原理，人眼能辨别在垂直方向上排列的相邻黑白水平线条的细致程度叫垂直清晰度，但是怎么来鉴别和量度这个细致程度呢？下面参照图4来加以说明。假设画面高度为H，在垂直方向上有M条黑白相间、具有一定宽度的水平线条，每条水平线条在垂直方向上的宽度为h。如果人眼在距离为L处刚好可以分辨清楚这些水平线条，则视敏角θ可表示为：

θ＝h/L（弧度）

因为每条线对的宽度为

h＝H/M

则有

θ＝H/（LM）（弧度）

将弧度化为角度后，则为

θ＝3438H/（LM）（分）

也就是

M＝3438（H/L）（1/θ）

试验表明，观看图像的最佳距离应当是画面高度的4倍至5倍，这时的总视角约为15度，在这种情况下，可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。这个距离，既可以避免因过近观看时眼球需要不停地转动而引起眼疲劳，又可以避免过远观看时对图像辨别能力的降低，以及防止画面以外的景像进入视野中。如果选择观看距离L为画面高度H的5倍，即L＝5H，将其与视敏度θ＝1.5分一起代入上式后，则为

M＝3438（1/5）（1/1.5）

＝458（线）

这个458线也就是我们所说的458条电视线，简称“线”。从上面的计算可以看到，在5倍画面高度的距离观看图像时，人眼的垂直分辨力是约458线，这时图像所具有的垂直清晰度正是458线。这样，在制定电视制式的扫描格式时，其垂直像素应当基于458线清晰度来考虑。

3、水平清晰度

水平清晰度的确定，与确定垂直清晰度的思路是一样的。不过，由于电视机画面的宽高比，以及垂直清晰度和水平清晰度对整体图像质量影响的关系，不经过上述复杂的推导，也可以很方便地算出水平清晰度线数来。

传统电视屏幕的宽高比是4:3，这是根据原来的电影银幕的长宽比预先确定下来的。试验说明，在图像显示时，水平清晰度和垂直清晰度应当接近或一样，才能获得最佳的图像质量。利用这两点，再根据垂直清晰度计算原理，将垂直清晰度线数乘以屏幕幅型比4/3，立即可以算出图像的水平清晰度线数N为

N＝4/3 M

＝4/3×458

＝610（线）

这就是说，在5倍画面高度距离观看4：3画面的图像时，人眼的水平分辨力约为610线，这时图像所具有的水平清晰度正是610线。

以上就是电视垂直清晰度和水平清晰度的来源。从这里不难看出，在明确了人眼的垂直和水平“分辨力”后，也明确了电视的“清晰度”的概念:电视的清晰度是指电视机已经显示出来的黑白相间的直线，在垂直方向或水平方向将屏幕排满时，人眼所能辨别的最细线条数，或者说能辨别的最多线条数。在垂直方向排列的这种水平线条的最大数量，是电视的垂直清晰度；在水平方向排列的这种垂直线条的最大数量，是电视的水平清晰度。

可见，清晰度是在确定电视图像的扫描线数和像素数之前就提出来了的一个重要概

念和物理量，而与“水平像系×垂直像素”所表示的分辨

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率概念和物理量完全不是一个东西。分辨率对图像信号来说也好，对显示器材的屏幕像素来说也好，都是固定不变的，而清晰度却是可变的。虽然图像信号分辨率的高低对电视机图像清晰度有影响，但信号分辨率并不是人们看到的图像清晰度；显示设备的像素对图像清晰度也有影响，但它也并不是人们看到的图像清晰度。图像信号分辨率是源头，最终显示的图像清晰度是结果；从数量上来说，清晰度永远小于分辨率。同一分辨率的图像信号，通过不同的传输渠道和不同的显示设备，最终得到的图像清晰度是各不相同的。因此，分辨率与清晰度之间并没有直接换算关系。如果说有换算关系的话，也只能是“自己与自己”换算，而不能进行源头与结尾、源头与中间以及中间与结尾之间的换算。有关这方面的问题，我们以后将要谈到。

三、PAL制电视图像分辨率的由来

从上面的介绍已经知道，将处在同一垂线上的所有水平扫描点（水平像素）从垂直方向连接起来，可以构成垂直方向的许多线条；将每一条水平扫描线的所有扫描点（水平像素）从水平方向连接起来，可以构成许多水平线条。那么，如果已经有458条水平扫描线和610条垂直线条将屏幕布满，这些线条是否就可以再现出上面计算出来的458线垂直清晰度和610线水平清晰度来呢？回答是否定的，因为这牵涉到“孔阑效应”和扫描线的有效性问题。

所谓孔阑效应，是指当扫描电子束光点尺寸小到与实物细节或图像细节光点尺寸相同和相近时，会造成对应尺寸的图像细节模糊的现象，也就是图像清晰度受电子束孔径（直径）大小限制的现象。这种现象既存在于摄像过程中，也存在于显像过程中。以摄像为例，具体说来是这样的：由于扫描电子束光点的电信号是被摄取的实物细节光点所具有的面积内的平均值，当扫描电信号光点与实物细节在尺寸上差不多时，如果扫描电子束在扫过两个黑白相邻的实物细节时，电子束正好扫在实物细节光点上，那么就能真实地重现黑、白光点的

突变边界，保持了高的水平清晰度；相反，如果扫描电子束扫过的不是两个黑白相邻的光点本身，而是它的边缘，这时，就不能重现出光点黑白突变的边界，而是重现出一个明暗过渡的边界，从而使图像细节变得模糊，使图像水平清晰度下降，其下降的程度为50％。从统计规律来说，刚好扫在光点上和刚好扫在光点的边界上各有50％的可能性。这样一来，对整幅图像来说，有50％面积维持了原有的清晰度；有50％面积的清晰度只有原来的一半，即还保留了原图像总清晰度的25％。因此，整幅图像最后50％和25％的清晰度加起来，得到了相当于原来75％的清晰度。

在垂直方向上的扫描线也与孔阑效应有相类似的情况。当扫描线的宽度与线条的宽度相当时，如果正好扫在黑白线条上，则能够保持原有的垂直清晰度；如果扫描线正好扫在黑白线条之间，则重现的黑白线条是灰的，黑白线条边界变得模糊，清晰度降低，使这一条扫描线的有效率降低到50％，垂直清晰度相应也降低到50％。根据统计学的道理，正好扫在黑白线条上和正好扫在黑白线条之间的情况各占50％的几率，所以同样也可以得到最后显示的图像垂直清晰度只有扫描信号所具有的垂直清晰度的75％的结果。

需要说明的是，我们在这里所说的“正好扫在线条上”或“正好扫在线条间”，是一种简化的说法，实际还有无数中间状态，但在中间状态时清晰度下降的比例不同，没有50%这么大，但各种状态对清晰度影响的综合效果，与简化为“正好扫在线条上”或“正好扫在线条间”的效果是相同的，即整幅图像最后只相当于原来75％的清晰度，孔阑效应的综合情况也是如此。

因此，为了保证复原100％的清晰度，就应当增加垂直和水平扫描线，也就是在上面所计算出的垂直清晰度458线上需要乘以一个系数K，这个系数K称为有效系数，这个系数一般取1.3～1.4。乘以有效系数以后，所得到的扫描线数肯定大于458线。

如果不采用乘以有效系数的办法，我们姑取就以上面计算出的75％的总有效率来计算，也可以反推出要还原出100%的清晰度时应当具有的扫描线的行数m：

m＝458÷0.75＝611（行）

同样，根据电视屏幕4：3的比例，也可以很方便地计

解读电视的分辨率和清晰度

文章来源：家庭影院技术 文章作者：陈俊文 阅读次数： 1057

算出垂直扫描线n的数量：

n＝611×4/3＝815（行）

可见，要达到普通人在正常收视条件下获得458线的垂直清晰度和610线的水平清晰度图像，原则上需要611行水平扫描线和815行垂直扫描线。因为垂直扫描线并非直接从竖向扫出来的，而是水平扫描线上的像素点在垂直方向上排列起来构成的一条线，所以人们也可能将其叫做垂直扫描线，也可能将其叫做水平像素点。

以上讲到的水平扫描线是构成图像的有效扫描线，如果加上逆程扫描线，水平扫描线的数字还要大些。由于在制定电视制式时考虑到视频带宽和其他技术条件的限制，最后将PAL制的扫描格式确定为：

水平像素×垂直方向的水平扫描线＝720×625

在625条扫描线中，包括了50行左右的逆程线，实际有效扫描线为575～576左右。

由于制定电视制式时，PAL制电视最后安排的视频带宽为6MHz，这种带宽连720×625都不能完全满足，实际使用时，只好将PAL制电视的图像格式在720×625的基础上又有所压缩，压缩的是水平像素点，保留了625行水平扫描线。因此，PAL制电视的分辨率经过由815×611到720×625的降低，再经过为满足6MHz视频带宽的压缩，PAL制电视并不能达到458线的垂直清晰度和610线的水平清晰度，而只能达到431线的垂直清晰度和468线的水平清晰度。有关这些问题，将在后续的文章中加以介绍。

什么是DC的等效焦距

数码相机镜头的焦距总是以135相机的镜头作为参照物的，主要原因是因为135相机普及得最广泛，文章对它的介绍也最多，人们对它了解的程度也最大。相机的镜头焦距是衡量镜头所拍摄范围的一个重要参量，不同焦距的镜头适应不同的拍摄需要。固定焦距的镜头一般分为广角镜头、标准镜头和远摄镜头。

标准镜头是指焦距大约等于感光面（底片，CCD或CMOS） 的对角线长度的镜头。其“看”（拍摄）对象的视角和人眼的视角（当然不能把人眼的余光也考虑进去）非常相近。对135相机而言，其感光面尺寸为36×24mm，对角线长度为43mm。因此43mm左右焦距的镜头就是标准镜头，习惯上取50mm左右的镜头为标准镜头。对120中幅相机，其感光面尺寸有三种：45×60mm、60×60mm和90×60mm，因此其标准镜头的焦距范围为75～110mm。焦距小于标准镜头的称广角镜头，而大于标准镜头的称远摄镜头。50mm标准镜头的视角（感光面对角线两端点到镜头中心的连线所成的角度）为47度 ，显然广角镜头的视角比标准镜头的大，能拍摄更大的范围，远摄镜头的视角比标准镜头的小，拍摄的范围也小。一个简单的法则就是，焦距越大视角越小，焦距越小视角越大。

数码相机由于其感光面（CCD或CMOS）的尺寸是随相机不同而不同（135相机的感光面是固定不变的）。仅以相机镜头的真实焦距是难以比较不同相机的拍摄范围的，所以都换算到等价的135相机的镜头焦距，然后才进行比较。到目前为止，除了Canon EOS-1Ds、Kodak DCS

14n和Contax N DIGITAL三款相机和135相机有相同的感光面积外，其余的都比135相机的小，因此这三款相机镜头的焦距和135相机的镜头焦距是没有区别的。

换算焦距分为两类，一类是针对感光面尺寸的长宽比例为3：2，也就是与135相机的感光面的长宽比例相同的数码相机。这一类相机都是一些单反可交换镜头的相机（除了Canon EOS

300D外，基本上都是专业相机） 。另一类是针对感光面尺寸的长宽比例为4：3，和计算机显示器屏幕长宽比例相同的数码相机。这类相机大部份是民用相机（也有极少数是单反的专业相机，比如Olympus E-1）。

对第一类数码相机，尽管它们都使用135相机的镜头，但视角是不一样的。怎样把它们的镜头焦距换算成等效焦距呢？依据是两者的对角线视角必须相等。设f是等效的镜头焦距（单位：mm），f1是数码相机镜头的真实焦距（单位：mm），d1是数码相机感光面对角线的长度（单位：mm），由三角形的相似性质不难得到即其中称为镜头因子例如Nikon D1x的CCD尺寸为23.7×15.6mm，则d1=28.37mm，α=1.5，因此如果相机用一个17～35mm的变焦镜头，其等效的135相机镜头是25.5～52.5mm的变焦镜头。前者对135相机来说是一个从超广角

到一般广角的变焦镜头，适应的拍摄范围相当地广，后者是一个普通广角到标准镜头的变焦镜头，适应的拍摄范围要小得多得多。因此这种17～35mm的变焦镜头用在这里真有点浪费，为此Nikon公司专门为其专业数码相机设计了一个焦距为12～24mm的变焦镜头。此镜头用在这里，其等效焦距为18～36mm。

对第二类数码相机，由于其感光面的长宽比例和135相机的不一样，所以相机制造商用以换算成等效的135相机镜头焦距的方法也有所不同。一般有两种换算法：

1、对角线视角相等的换算法：由前面的叙述可知

2、感光面的水平线视角（过感光面中点的水平线的两个端点和镜头中心点的连线所成的角）相等的换算法：由三角形的相似性质同样可以得到：

显然按第一种换算得到的等效焦距f的值要小些，即视角要大些，但差不了太多。例如Nikon

coolpix 5700 其CCD的感光面尺寸为8.8×6.6mm，它的镜头的焦距为8.9～71.2mm，则d1=11mm，按第一种换算法，等效焦距为35～280mm，和厂家给出的等效焦距一致。若按第二种换算法，等效焦距为36～290mm，两者差不太多。有些人会说280mm和290mm的镜头差了10mm应该很多了，但用过这种焦距的人都知道，这两种焦距的效果差别非常小。

据说有的数码相机厂商还这样换算等效焦距：以数码相机的镜头焦距等于感光面对角线长度作为等价于135相机的50mm标准镜头，其余焦距换算按比例进行，即也就是这种换算比前面两种换算要差不少。我估计前面的两种换算还是占主流的。这些公式非常容易计算，但有一个问题，d1一般是不知道的。尽管数码相机的技术参考数据中有CCD的尺寸，如1/1.8、

1/2.5 、2/3英寸等，但这并不是真实的感光面上的对角线尺寸，真实的感光面上的对角线尺寸要比这个值小。不过由于等效焦距都会在数码相机的说明书上给出，我们可以用这些公式反算出感光面的真实尺寸。这个真实的感光面尺寸可以为我们估算数码相机的景深提供一个必要的数据。

1.1 光和视觉性

1.1.1 人眼构造和感光机理

一、人眼的构造

眼睛的外形是一个直径大约为23mm的球体，其水平断面，如图1.1－1所示。

眼球由多层组成，最外层是较硬的膜，前面1/6部分是透明的角膜，光线由此进入，其余5/6部分为巩膜，作为外壳保护眼球。角膜内是前室，含有水状液，对可见光是透明的，能吸收一部分紫外光。前室后面是虹膜，其中间有一直径可在2～8mm间变化的小孔，称为瞳孔，相当于照相机的光圈，调节进入眼睛的光通量。瞳孔后面是永晶体，它是扁球形弹性透明体，能起透镜作用，其曲率由两旁的睫状肌调节，从而改变它的焦距，使远近不同的景物都在视网膜上清晰成象。永晶体的后面是后室，它充满了透明的胶质，起着保护眼睛的滤光作用。后壁则为视网膜，它由无数的光敏细胞组成光敏细胞按其形状分为杆状的细胞和锥状细胞，锥状细胞有700万个，主要集中在正对瞳孔的视网膜中央区域称为黄斑区。此处无杆状细胞，越远离黄斑区，锥状细胞越少，杆状细胞越多，在接近加缘区域，几乎全是杆状细胞。

杆状细胞只能感光，不能感色，但感光灵敏度极高，是锥状细胞感光灵敏度的10，000倍。锥状细胞既能感光，又能感色。两者有明确的分工：在强光作用下，主要由锥状细胞起作用，所以在白天或明亮环境中，看到的景象既有明亮感，又有彩色感，这种视觉叫做明视觉（或白日视觉）。在弱光作用下，主要由杆状细胞起作用，所以在黑夜或弱光环境中，看到的景物全是灰黑色，只有明暗感，没有彩色感，这种视觉叫做暗视觉。

锥体细胞和杆状细胞经过双极经胞与视神经相连，视神经细胞经过视经纤维通向大脑，视神经汇集视网膜的一点，此点无光敏细胞，称为盲点。

二、感光机理

感光过程大致分为四个步骤：

第一步：景物经过水晶体聚焦于视网膜形成“光象”。视网膜上各点光敏细胞受到不同强度有光刺激，锥体细胞和杆状细胞中的感光包色素分别是视紫蓝质和视紫红质，它们受光照后

发生化学变化，化学变化向相反方向进行。

第二步：因上述光学变化使视网膜上点产生与光照度成正比的电位，即在视网膜上将“光象”变成“电位象”。

第三步：视网膜上各点的民位分别促使各对应的视神经放电，放电电流是振幅恒定而频率随视网膜电位大小变化的电脉冲。换句话说，视神经将网膜的“电位象”按频率偏码方式传送给视觉皮质。

第四步：视觉皮质通常用接收到多达200万个频率编码的电脉冲信号，首先将它们分别存入视网膜光敏细胞相对应的细胞特殊表面中，然后进行综合的图像信息处理使人产生视觉，看到景物的图象。关于视觉皮质图像信息处理，还是一个谜，人们正处于研究与探索之中。

1.1.2 光特性与度量

一、光的特性

光学和电磁场理论指出：光是一种可以看得见的电磁波，它具有波粒二象性－－波形性和微粒性。电磁波的谱极为宽广，它包适无线电波、可见光谱、紫外线、X射线和宇宙射线等，它们分别占据的频率范围如图1.1－2所示。

可见光谱的波长范围在380～780mm之间，随着波长的变化，人眼主观感随之变化，表现为两个重要特性：

1、不同波长的不具有不同的光颜色。若光的波从780nm依次递减变化到380nm，光的颜色红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，比780nm更长的电磁辐射是红外线，比380nm更短的电磁辐射是紫外线。

2、辐射功率相同但波长不同的光给人眼的亮度不相同。下面将详细说明这一重要特性。

二、辐射通量

所谓光源辐射通量就是指其辐射功率，而光源对某面积的辐射通量是指单位时间内通过该面积的辐射能量；光源总的辐射功率（或总辐射通量）是指单位时间内通过包含光源的任一球面的辐射能量。其单位是尔格/秒或者瓦（焦耳/秒）。

通常光源发出的光是由各种波长组成的，每种波长都是具有各自的辐射通量。光源总的辐射

通量应该是各个波长辐射通量之和。例如图1.1－3表示甲、乙两种光源辐射功率波谱P（l ）的曲线，它表示辐射通量按波长分布的情况。甲光源是等能分布的，乙光源是非等能分布的。在某一极窄范围内的辐射通量（图中阴影线所示面积）为：

Wl ..l ＋dl ＝P（l ）dl (1.1－1）

总的辐射通量为

(1.1－2）

式中，W的单位为工率单位，如瓦。

三、相对视敏度函数

辐射功率相同波长不同的光对人眼产生的亮度感觉是不相同的。1933年国际照明委员会（CIE）经过大量实验和统计，给出人眼对不同波长光亮度感觉的相对灵敏度，称为相同视敏度。表1－1给出了相对视敏度的最佳数据，图1.1－4是根据表1－1作出的曲线，称为相同视敏函数曲线。它的意义是：人眼对各种波长光的亮度感觉灵敏度是不相同的。实验表明：在同一亮度环境中，辐射功率相同的条件下，波长等于555nm的黄绿光对人的亮度觉最大，并令其亮度感觉灵敏度为1；人眼对其它波长光的亮度感觉灵敏度均于黄绿光（555nm），故其它波长光的相对视敏度V（l ）都小于1。例如波长为660nm的线光的相对视敏度V（660）－0.061，所以，这种红光的的辐射功率应比黄绿光（555nm）大16倍（即1/0.061＝16），才能给人相同的亮度感觉。

当l <380nm和l >780nm时，V（l ）＝0。这说明紫外线和红外线的射功率再大，也不能引亮度感觉，所以红外线和紫外线是不可见光。这也是自然选择的结果。假如人眼对红外线也能反映，那么这种近似光雾的热辐射将会成为人们观察外部世界的一种干扰。

四、光通道

如前所述，在相同的亮度环境条件下，辐射功率相同波长不同的光所引起的亮度感觉不同；辐射功率不同，波长也不相同的光可能引起相同的亮度感觉。为了按人眼的光感觉去度量辐射功率，特引入光通量的概念，单一波长的光称为单色光称为单色光。其光通量F （l 1）等于辐射功率P（l ）与相对视敏度的乘积，

F（l 1）＝P（l 1）V（l 1）光瓦 （1.1-3）

两个或两个以上波长的光称为复合光。其光通量等于各波长光通量之和，

光瓦 (1.1-4）

光通量的单位是光瓦和流明，1光瓦第于辐射率为1瓦波长为555nm的黄绿光产生的光通量。1流明等于绝对黑体在铂的凝固点温度下，从5.303×10-3平方厘米面积上辐射出的光通量。它们的互换关系是：

1光瓦＝680流明，1流明＝1/680光瓦。

1.1.3 人眼的亮度感觉特性

一、明暗视觉

在1.1.2节中讨论了人眼的相对视敏函数曲线，这条曲线表明的是在白天正常光照下人眼对各种不同波长光的敏感程度，它称为明视觉视敏函数曲线，如图1.1－5中粗曲线所示。明视觉过程主要是由锥状细胞完成的，它既产生明感觉，又产生彩色感觉。因此，这条曲线主要反映锥状细胞对不同波长光的亮度敏感特性。

在弱光条件下，人眼的视觉过程主要由杆状细胞完成。而杆状细胞对各种不同波长光的敏程度将不同于明显视觉视敏函数曲线，表现为对波长短的光敏度感有所增大。即曲线向左移，这条曲线称暗视觉敏函数曲线，如图1.1－5中细曲线所示。在弱光条件下，杆状细胞只有明暗感觉，而没有彩色感觉。

二、人眼察觉亮度变化能力的有限性

人眼察觉亮度变化的能力是有限的。请看下面的实验：让人眼观察如图1.1－6（a）所示P1和P2两个画面，P1和P2的亮度均可调节。保持P1亮度从B缓慢递增至B＋D Bmin，直到眼睛刚刚觉察到两者的亮度有差别为止。此时，我们认为在这个亮度下的亮度感觉差了一级。用相同的方法，可以求出不同亮度的主观亮度感觉级数，并制成如图1.1-6（b）所示的曲线。曲线的意义是实际亮度变化所引起的主观亮度感觉变化。图中横坐标代表实际亮度的变化，以尼特（1nit=1cd/m2）为单位：纵坐标代表主观亮度感觉的级数。以上实验说明：

1、要使人眼感觉到P1和P2两个画面有亮度差别，必须使两者的亮度差3 D Bnin，D Bmin

是有限小量，而不是无限小量。因此，人眼察觉亮度变化的能力是有限的。

2、对于不同的环境亮度B。人眼可觉察的最小亮度差D Bmin/B是相同的，并等于一个常数。换句话说，人眼亮度感觉的增量D S不是正比于客观亮度的增量D B，而是正比于亮度的相对增量D B/B，即

D S＝k（1.1－5） （1.1-5）

上式经积分后得

S＝k'1nB+R0=k1gB+r0 (1.1－6)

式中k=k' n10，k'、k0均为常数。上式表明：主观亮度感觉与客观亮度的对数成线性关系。并称之为韦伯费赫涅尔定律（Weber－FechnerLaw）。图1.1－6所示的曲线完全证明了这一点。

＝D Bmin/B称为对比度灵敏度阈或韦伯－费赫涅尔系数（Weber－FecnerRatio）。通常＝0.005～0.02，在亮很高或很低时，增大至0.05。在观看电视时，因杂散光影响，的值也可大些。

人眼亮度感觉的增量与客观亮度数成对比，这与人耳的听觉规律很相似；人耳对声音感觉的增量与客观声音响度的对数也是成正比的。它们都是长期生态演变的结果，使人眼形成对光强弱变化的适应性，否则人将无法受自然界光的刺激。

三、视觉范围

人眼能够感觉的亮度范围（称为视觉范围）极宽，从千分之几尼特直到几百万尼特。其所以如此之宽，是由于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用。瞳孔根据外界光的强弱调节其大小，使射到视网膜上的光通量尽可能是适中的。在强光和弱光下，分别由锥状细胞和杆状细胞作用，而后者的灵敏度是前者的1万倍。图1.1－6所示的两条交叉曲线，分别表示杆状细胞和锥状细胞察觉亮度变化的关系。

四、明暗感觉的相对性

在不同的亮度环境下，人眼对于同一实际亮度所产生的相对亮度感觉是不相同的。例如对同一电灯，在白天和黑夜它对人眼产生的相对亮度感觉是不相同的。另外，当人眼适应了某一

环境亮度时，所能感觉范围将变小。例如，在白天环境亮度10，000特时，人眼大约能分辨的亮度范围为200～20，000尼特，低于200尼特的亮度同感觉为黑色。而夜间环境为30尼特时，可分辨的亮度范围为1～200尼特，这时100尼特的亮度就引起相当亮的感觉。只有低于1尼特的亮度才引起黑色感觉。图1.1－6的曲线也说明了这一点，当人眼分别适应了A、B、C点的环境亮度时，人眼感觉到“白”和“黑”的范围如虚线所示，它们所对应的实际亮度范围比人眼的视觉范围小很多。并且A点的实际亮度对于适应了B点亮度的眼睛来说感觉很暗；而对于适应了C点亮度的眼睛来说，却感觉很亮。

根据人眼对实际亮度明暗感觉的相对性的察觉实际亮度变化能力有限性，在电视系统中，不必传送原景物的实际亮度，只需保持原景物点的相对亮度不变。通常只要保证景物最大亮度Bmax和最小亮度Bmin的比值C不变；C＝Bmin称为对比度。另外，对于人眼不能察觉的亮度变化，不必精确地重现，只要保证重视图像和原景物有相同的亮度级数。简言之，只要重视图象与原景物对人眼具有相同的对比度和相同的亮度级数，就能给人以真实的感觉。

1.1.4 人眼的分辨力与视觉惰性

1.1.3节已经指出人眼觉察亮度最小变化的能力是有限的。不仅如此，人眼对黑白细节的分辨力也是有限的；另外，人眼主观亮度感觉总是滞后于实际高密度的变化即存在所谓“视觉惰性”。下面分别加以说明。

一、人眼的分辨力

1.视角

观看景物时，景物大小对眼睛形成的张角叫做视角。其大小既决定景物本身的大小，也决定于景物与眼睛的距离。图1.1－7中A表示物体的大小，D表示由眼睛角膜到该物体的距离，则视角a按下式计算：

当视角a较小时，则aA/D。

2.视敏角

当与人眼相隔一定距离的两个黑点靠近到一定程度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，而只感觉到是连在一起的一个点。这种现象表明人眼分辨景物细节的能力是有一定极限的。我

们可以用视敏角来定义人眼的分辨力。视敏角即人眼对被观察物体刚能分辨出它上面最紧邻两黑点或两白点的视角。

在图1.1－8中，L表示人眼与图象之间的距离，d表示能分辨的最紧邻两黑点之间的距离。q 表示视敏角，若q 以分为单位，则得到：

3.视觉锐度

人眼分辨景物细节的能力称为分辨力，又称为视觉锐度。它等于人眼视敏角的倒数，即分辨力＝。

4.影响分辨力的因素：

从生理上讲，视敏角决定于视网膜相邻光敏细胞间的距离，已加锥状细胞直径d' =5m m，眼睛焦距| ＝17mm，所以人眼日间视觉下的视敏角约为

视敏角为1' 的眼，其视力为1.0；2' 的视力对应于0.5，这与医学上是相对应的。

影响分辨力的因素有：与物体在视网膜上成象的位置有关，黄斑区锥状细胞密度最大，分辨力最高。越是偏离黄斑区，光敏细胞的分布越稀，分辨力也就低。与照明强度有关。照度太低，仅杆状细胞起作用，分辨力大大下降，且无彩色感；照度太大，分辨力不会增加，甚至由于“眩目”现象而降低。与对比度Cr有关。Cr=[(B-B0)/B0]×100％，其中B为物体亮度与背景亮度接近，分辨力自然要降低。 与被观察物体运动速度有关。运动速度快，分辨力将要下降。

若把人眼直线与目标方向的夹角（距眼球中心凹的度数）称为视线角，则人眼力辨力与视线角的关系如图1.1－9所示，它表明当目标方向偏离直视线时分辨力显著下降。因此，为了看清目标人眼将不断转动，以使目标的象落在中心凹上（即黄斑区）。

二、视觉惰性

视觉惰性是人眼看重要特性之一，它描述了主观亮度与光作用时间的关系。当一定强度的光突然作用于视网膜时，人眼并不能立即产生稳定的亮度感觉，而须经过一个短暂的变化过程才能达到稳定的亮度感觉。在过渡过程中，亮度感觉先随时间变化由小到大，达到最大值后，再回降到稳定的亮度感觉值，图1.1－10示出在不同亮度下亮度感觉随时间的变化过程。

另外，当作用于人眼的光线突然消失后，亮度感觉并非立即消失，亮度感觉并非立即消失，而是近似按指数规律下降而逐渐消失的。图1.1－11示出人眼对于较短时间的光脉冲B0的亮度感觉S变化的情况。

当光线消失后的视觉残留现象称为视觉暂留或视觉残留。人眼视觉暂觉留时间，在日间视觉时约为0.02秒，中介视觉时为0.1秒，夜间视觉时为0.2秒，中介视觉是介于日视觉与夜视觉之间的状态。人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化，以及视觉暂留特性，总称为视觉惰性。

眼睛在周期性的光脉冲刺激下，如果频率不高，则会产生一明一暗的闪烁感觉，长期观看容易疲劳。如果将光脉冲频率提高到某一定值以上，由于视觉惰性，则不会再感觉到闪烁，则刚好不感觉到闪烁的最低频率称为临界闪烁频率（fk），它主要与光脉冲的亮度有关。计算它的经验公式是：

fk=9.61gBm+26.6(Hz）

式中Bm为画面的最大亮度，单位为cd/m2。例如画面的最大亮度Bm＝100尼特时，fk＝45.8Hz，这一经验公式只能做近似计算，因为还有许多与临界闪烁频率有关的因素未考虑。比方，相邻画面的亮度、颜色的分布及其变化、观察者画面的距离和环境等。

当光脉冲的频率大于临界闪烁频率时，感觉到的亮度是实际亮度的平均值，即

S＝

式中B（t）为实际亮度的变化规律，T为光变化周期。

电影和电视正是利用视觉惰性产生活动图象的。在电影中每 秒放24幅固定的画面，而电视每秒传送25幅或30幅图象，由于人眼的视学暂留特性，从而在大脑中形成了连续活动的图像。假设人眼不存在视觉惰性，人们将只会看到每秒跳动24次静止画面的电影，如同观看快速变换的幻灯片一样；同样，电视也将没有连续活动的感觉。

为了不产生闪烁感觉，在电影中每幅画面曝光两次，其闪烁频率为fv=48Hz。电视中，采用隔行扫描方式，每帧（幅）画面用两场传送，使场频（fv=50Hz或60Hz）高于临界闪烁频率，因此正常的电影和电视都不会出现闪烁感觉，并能呈现较好连续活动的图象。

§1.2 黑白电视系统组成原理

1.2.1 图象分解与顺序传送

语言广播基于声电转换原理。各种声音作用于人耳的声强是时间的单值函数，故声音电信号是关于时间的一维函数，即。这种电信号容易传送。而图象信号则不然，景物各点的亮度不同，是随空间位置变化的，且每一点的亮度又随时间而变化，故景物之亮度B是空间坐标x、y、z和时间t的四维函数，即

上式为黑白立体图象信号表达式。对平面图象而言有

因此，即使传遂平面图象信号也不容易，因任一平面均为无穷个点之集合，对于任一时刻t0，拥有无限大的信息量。

仿“传真”技术，将平面图象分解成若干个小面积之和。当这些小面积小于一定程度时，由于人眼分辩黑白细节能力是有限的，故它在人眼看来是一个点。它们是组成图象的基本元素。用这些象素的亮度变化，代替整幅平面图象的亮度变化，这实质是对图象信号的空间抽样，将静止图象的信息从无限变成有限。

按我国的电视制式计算，一幅静止电视图象约包含48万个象素，传送这些象素的方法有两种：其一是同时传送，即采用48万个信道，对各象素的亮度分别进行传送，这在实际中显然是办不到的。其二是顺序传送，如图1.2－1所示系统。

将平面图象各象素的亮度按一定顺序转变成电信号，一个接一个地传送出去，在接收端按相同顺序在同幅型比之平面上恢复发端图象。当其传送速度快到一定程度时，由于视觉惰性和发光材料的余辉特性，我们将会感到整幅图象是同时发光而无顺序感，这就完成了一幅平面静止图象的传送。

对于活动图象，任一瞬间都有一幅对应的静止图象，在任一有限时间内将包含无穷多幅图象。利用视觉的惰性，电影技术每秒钟只传送24幅连续静止图象便可以获得活动图象，故广播电视每秒也只传送25帧（幅）或30帧图象，亦可得到活动的电视图象。这种方法可以看作是对活动图象信号的时间抽样。对图象信息的空间抽样和时间抽样极大地压缩了被传送的图象信息，使之从无限变成有限，从而达到技术可以传送的程度。

图1.2－1所示开关K1和K2是一种同步控制开关，当K1和K2按相同顺序依次接通收发两端对应象素时，发端图象的亮度分布就传送到收端并重现于显示平面上。实际顺序传送系统中的开关是由电子束扫描来实现的，其扫描顺序如看书的视线一样，从左至右，从上至下，一行行，一页页地扫过。在电视中，从左至右的扫描称为行扫描，从上至下的扫描称为场扫描。

使收发两端的扫描按照相同的规律进行称为同步。显而易见，同步乃是顺序传送的关键，一旦失去同步，收端就无法正确重现发端的图象。

从数学的角度看，扫描就是把空间坐标x和y变换成时间t的函数

将上式代入式（1.2－2）中，平面图象信号能转化成时间的一维函数，即

故能用单一信道传送，因此扫描实现了空间到时间的转换，简称为时空转换。

1.5.1 图象的几何特性

图象的几何特性

根据人眼视觉特性，视觉最清楚的范围是在垂直视角约15°、水平视角约20°的矩形面积之内。根据这一特点，目前各国电视机屏幕都采用矩形，宽高比为4∶3；但有些显象管为了节约扫描功率，采用5∶4的宽高比。在高清晰度电视中，普遍认为幅型比取5∶3更为适宜。屏幕的大小常用对角线尺寸来衡量，并习惯于用英寸表示，如9英寸（23cm）、12英寸（31cm）、16英寸（40cm）、19英寸（47cm）等。

另外，电视屏幕上重现图象的形状、大小、相对位置应该与原来景物相似。几何形状的不一致叫图象畸变，畸变程度可用棋盘图形来测定。图1.5-1（a）的电视测试信号发生器发出的棋盘格图形，收端如果正确重现这个图形，则电视系统没有图象畸变。可是，由于行、场扫描锯齿波电流线性不良，如图1.5-1（d）、（e）所示，将会产生图象非线性畸变，如图1.5-1（b）和（c）所示。

对于这类图象的非线性畸变，可以分别用行、场非线性失真系数βH和βV表示，即：

实验表明：当非线性系数小于10％时，观众一般是不会感觉到有图象畸变的。另外，由于显象管或偏转系统不良等原因，还会产生另一种图象畸变，如图1.5-2所示。图（a）称为枕形畸变（失真），图（b）称为桶形失真，可用几何畸变系统Dg表示光栅几何畸变的程度，即：

； （1.5-2）

实验表明：Dg小于3％时，图象几何畸变尚不显著。通常，在接收机的扫描电路中设有校正电路，对上述两种畸变加以校正。

1.5.2 图象的亮度、对比度与灰度

一、电视图象的亮度

这里是指图象的平均亮度。根据人眼视觉特性，并不要求电视图象恢复原来景物的亮度，这就给确定电视图象的亮度较大的自由度；但是不同的环境亮度要求电视图象具有不同的平均亮度，以保证重显必需的对比度和亮度层次（灰度），使人们长时间观看时不致于过分疲劳。

根据实际要求，电视图象的平均亮度应不小于30尼特，最大亮度应大于60～150尼特。

二、电视图象的对比度与灰度

图象中最亮处的亮度（Bmax）和最暗处亮度（Bmin）之比称为对比度（C），即：C＝Bmax/Bmin。当计及环境亮度Bφ时的对比度。

因此，观看电视时外界的杂散光线照射到屏幕上，就会使屏幕暗处的亮度增加而造成对比度下降。

电视图象是由许多亮度不同的象素组成的，图象从亮到暗之间的亮度层次称为灰度。如果能分辨的亮度层次越多，图象就显得越细腻、柔和。一般来说，对比度C越大，图象黑白层次应当越丰富。另外，能分辨的黑白层次还受ζ值的限制。若已知图象对比度，根据

人眼的对比度灵敏度阈ζ，可以用如下方法计算能分辨的亮度层次。

设图象最小亮度为Bmin=B1，人眼所能分辨的第二级亮度为：

B2＝B1＋ζB1＝（1＋ζ）B1

第三级亮度为：

B3＝B2＋ζB2＝（1＋ζ）2B1

依此类推，所能分辨出的第n级亮度Bn为：

Bn=（1＋ζ）n-1B1＝Bmax

所以对比度

如果对等式两边取对数，经整理后，可得眼睛所能分辨的亮度层次为：

当ζ<<1时，上式简化为：

由上式可知，人眼所能分辨的亮度层次与图象对比度的对数成比例，与对比度灵敏度阈ζ成反比变化。

根据人眼视觉特性，对主观感觉来说，重现图象应与实际景物具有相同的对比度和灰度，这样，就能给人以真实感觉。

实际景物的对比度一般都不超过100。因为，在一定照度下，最后的募过于白石膏，其反向系数接近于1；最黑的募过于黑丝绒，其反射系数为0.01。因此为了不失真地传送图象，要求重现图象的对比度也为100。由于实际环境亮度的影响，所以重现图象的对比度往往达不到100，一般能达到30～40也就满意了。

当C＝40，ζ＝0.05时，得n=74；而C＝10时，n=46。在电视屏幕亮度高时，50Hz场频引起闪烁感，造成分辨力下降，因此实际ζ值比0.05还大些，结果使得电视图象的黑白层次有所降低。

1.5.3 图象清晰度与电视系统分解力

一、图象清晰度

它是指人主观感觉到的图象重现景物细节的可懂与逼真的程度。分别用人眼在水平方向或垂直方向所能分辨的象素数来定量描述，相对应的称为水平清晰度和垂直清晰度；并用“级

数”或“行数”作单位。清晰度既与电视系统本身的分解力有关，也与观察者的视力状况有关。在评价图象清晰度时，应由一批视力正常的观众或专家来进行。

如果人眼最小分辨角（视敏角）为θ，在分辨力最高的垂直视线角15°内所能分辨的线数应为：

Z＝15°/θ

当θ分别为1′、1.5′、2′时，Z对应的为900线、600线、450线。由于人眼长期观看图象容易疲劳，一般取θ＝1.5′。所以，电视图象的垂直清晰度应为600线左右。

二、电视系统的分解力

它是指电视系统本身分解象素的能力，它不受人眼视力的影响。电视系统分解力的高低，可以通过专用仪器来测定。一般来说扫描行数越多，电子束聚焦适中，信道通频带越宽，电视系统的分解力越高。

1. 垂直分解力（M）

垂直分解力是指沿着图象垂直方向上能够分辨的象素数目。其一，它与分解图象有效行数（1－β）Z成正比；其二，它与扫描电子束和被扫描象素的相对位置有关，如图1.5-3所示。当电子束与被扫描象素位置最佳时，如图（a）的左列所示，分解力M＝

（1－β）Z为最高；当两者相互位置如图（a）的中列所示时，分解力最低。只有将垂直象素点减半，方可分解，故M＝（1－β）Z/2。根据大量图象的统计平均得到：

式中，k1=0.7是克尔（Kell）系数。按我国电视标准，Z＝625，β＝0.08，故M≈400线。这相当于视力只有0.5（即视敏角为2′）的人所能分辨的线数，故目前的电视图象是不够清晰的，要实现高清晰度电视，增加行数势在必行。

2.水平分解力（N）

电视系统沿着图象水平方向能分解的象素数目叫做水平分解力。水平方向的分解力由电视通道设备的通频带宽度和电子束横截面的大小决定。

图1.5-4是一幅黑白相间的竖条图象，对应电视信号是以行周期重复的一串矩形脉

冲。显然，沿水平方向条弦数越多，一行内的电压变化次数越多，信号频谱也就越宽。由于传送通道的频带宽度总是有一定限制的，因而水平分解力也受到限制。

下面讨论电子束的横截面对水平分解力的影响。①在图1.5－4中，如果电子束截面无穷小，则相应信号波形是理想的矩形脉冲；若电子束直径与条纹宽度相当时，则相应信号将是具有一定直流成分的正弦波。②设所传送图象亮度如图1.5-5（a）所示，从左到右亮度从L1跃降到L2，由于发端电子束直径d不是无穷小，故摄象管输出信号不能从U1跃降到U2，产生一定宽度的过渡（如图b）；另外，设显象管的电子束直径与象素的相对尺寸与发端相同，则重现的亮度将延伸2倍象素的宽度，如图1.5-5（c）所示。使图象的边缘和细节展宽。③当图象细节的尺寸小于电子束直径时，不仅产生边界的模糊，还导致形成的电视信号幅度减小，如图1.5-6所示。当细节小到一定程度时，电视信号的幅度变化甚至看不出来，使水平方向图象细节对比度降低。

综上所述，水平分解力受到收发端电子束直径大小的限制，这种现象称为孔辣阑效应。其中，摄象管的孔阑效应影响是主要的。为此，在发送端的通道中采用孔阑校正电路来加以补偿。研究表明：孔阑效应虽使图象信号的高频分量幅度下降，但是这些频率分量的相位并不改变，这一点对设计孔阑校正电路是重要的。

可见，要提高水平分解力，必须要求扫描电子束足够细；但如果太细了，在规定的扫描行数下，又不足以覆盖整个画面，使行与行之间有明显的空隙，从而降低了传输效率。因此，电子束直径的大小要适当，一般以等于一帧画面的高度除以扫描行数为宜。这样，当扫描行数选定后，电子束直径的大小和水平方向的分解力也就大致决定了。

实验表明，水平分解力与垂直分解力相当时图象质量为最佳。因此，考虑到光栅宽度为高度的k（幅型比）倍，所以，水平方向的分解力（也就是一行内所必须分解的黑白条纹数）为

（1.5-7）

视频通道的通频带则应当满足这一水平分解力的要求。

1.5.4 视频信号带宽、场频与扫描行数的确定

一、视频信号的频带宽度

图象信号又称视频信号。欲求其频带宽度，必须知其最高和最低频率。图象信号的最低频率几乎接近于零。图1.5-7（a）、（b）、（c）所示的图象对应的频率分别为：15625Hz、31250Hz和50Hz。任一景物（或图象）都有一定的背景亮度，反映在图象信号上是信号的直流分量，其频率接近于零。

图象细节越细，信号的频率越高。假设传送一幅全是细节的图象，其细节大小相当于一个象素，即等于一个扫描点的大小。由式（1.5-7）知，在行正程时间THt内水平方向能分解N=kk1（1－β）Z个象素，所以沿水平方向扫过一个象素所需的时间为：孔阑效应表明：扫描电子束直径与象素大小相当时，其图象信号近似为正弦波，故图象信号的最高频率为：在逐行扫描情况下，fv＝fp，所以在隔行扫描情况下，，因此

按我国电视标准：k=4/3，fv＝50Hz，Z＝625，α＝18％，β＝8％，k1＝0.7。若采用逐行扫描，则Δf＝fmax－fmin=fmax≈10.2MHz；若采用隔行扫描，则Δf≈5.1MHz。上述结果正符合通信系统中传送信息的时间和带宽成反比例的基本规律。对于每帧图象信息，逐行扫描所需要时间为：1/fF=1/fV=1/50=20ms，而隔行扫描所需要时间为：1/fF=1/0.5fV=1/25＝40ms。由于隔行扫描的传送时间增加一倍，所以传送信号带宽减少一倍。又因为隔行扫描的场频仍然是50Hz，故可以保证图象无闪烁感觉，因此世界各国的电视都毫无例外地采用隔行扫描。根据上述计算结果，我国视频传输通道的通频带规定为6MHz。

二、场频的确定

选择场扫描频率时，主要考虑光栅无闪烁、不受电源干扰，传送活动图象有连续感、图象信号占用带宽尽可能窄等因素。

从式（1.5-9）知，若要图象信号频带窄，场频应降低。若要求电视图象中人物的动作有连续感，即没有跳动的感觉，根据电影的经验，利用人眼的视觉惰性，如果每秒钟换帧在20次以上，就能很好地反映一般运动速度的活动景象，使人产生连续感。场频定为20～25Hz，可以满足活动景物的连续感。但是，此时存在着大面积的光栅闪烁，长时间观看，容易造成疲劳。为了避免光栅的闪烁，场频一定要大于监界闪烁频率，即fv≥48Hz。

为了避免电源的干扰，场频应与电源频率相同并且锁定。若场频与电源频率不相同，接收机

电源滤波器不完善，以及杂散电源磁场的影响，电视图象会产生扭曲摆动和“滚道”现象（即图象上出现一条宽的横亮暗带上下滚动）。如果场频与电源频率同步锁定后，上述干扰就会固定不动，眼睛就会逐步习惯这种干扰，不会产生不适应的感觉。随着彩色电视的发展，远距离传输电视信号的发展和国际间交换电视节目的日益频繁，场频与电源同频锁相的关系已经无法保持了。现代接收机的生产工艺水平已能克服这些电源的干扰，因此场频与电力网频率相同的要求并非必要。但是目前各国的场频还是与本国的电源频率相同，所以我国电视的场频等于50Hz。

由于新式显象管的屏幕亮度不断提高，临界闪烁频率已经超过50Hz，所以场频选60Hz为宜。

三、扫描行数Z的确定

扫描行数的确定，主要考虑图象的清晰度与图象信号带宽两方面的因素。由式（1.5-6）和式（1.5-7）可知，当行数Z增加时，图象清晰度增加。由于图象信号带宽Δf与行数Z的平方成正比，行数增加会使带宽急剧增加，视频带宽的增加会使在一定波段中可安排的电视频道数目减少；同时，视频带宽的增加将导致电视设备的复杂化。

当屏幕的高度h与观看距离L等于1：4时，整个屏幕（幅型比为4：3）恰好落入垂直视线角为15°、水平视线角为20°的区域，此时人眼分辨力最高。前面已经指出，当人眼分辨角为1′、1.5′和2′时，电视图象垂直方向（对应视线角为15°）极限的清晰度应为900线、600线和450线。若取垂直清晰度为600线考虑，则扫描行数Z 应为（线）

此时图象信号带宽按式（1.5-9）计算为Δf＝11.4MHz。即采用隔行扫描，信号带宽也接近12MHz。这样宽的频带对信道的利用很不经济，造成电视设备的复杂化。为了折中考虑，目前的广播电视一般取525行和625行，我国广播电视采用625行。

为了进一步提高电视的质量，使之达到35mm电影的水平，世界上发达的国家都在积极研究高清晰度电视，这种电视的扫描行数增加到1000行以上，视频信号带宽相应地在10MHz以上。