明暗、對比與恆常性
10/26 交大視知覺上課筆記　鄭炳煌
一、 明暗知覺的物理面

甲、

絕對量與變動量：
明暗知覺所處理是亮度的變動量而非絕對量的問題。

絕對量：物體所反射的光量→越多則越亮、越少則越暗。

乙、 為何是變動量而非絕對量：

最主要的原因為環境中亮度之變化幅度為10^8~10^12，而神經細胞的反應動態範圍卻只有10^3，而利用對比性來偵測亮度可以避免先天硬體不足的缺陷所造成的一些問題。處理對比訊息比較容易獲得恆常性。

丙、 訊息恆常性：

處理對比訊息比較容易獲得恆常性。即白者恆白，黑者恆黑，而不陷入夜晚的“白”紙比白天的“黑”字暗所引發的錯亂情形。

二、 處理明暗知覺的生理機制
甲、

再談網膜細胞的接受域（ＲＴ）：

•

接收域範圍呈現同心圓的形狀，中心與外圍呈現“興奮”與“抑制”對比的特性，我們稱中央呈現興奮反應的細胞為 on-center cell， 中央呈現抑制反應的則稱作 off-center cell。
如圖例：

on-center cell off-center cell

•

對全黑全白的均質刺激不反應 ，必須是要變動快速且差異明顯的明暗刺激。

•

Difference of Gaussian（DOG）－兩個高斯函數的差值來模擬視覺接受器的反應區域。

•

邊緣強調（Edge Enhancement）－在錐細胞“興奮”與“抑制”的作用之下，亮度交錯的圖形之間會產生靠近暗色的亮邊顯得最亮，而靠亮色的暗邊會顯得更黑，雖然實際上整片的亮與暗是均質沒有漸層的。

乙、 ＤＯＧ函數對明暗圖形的處理結果
1.

Simultaneous Brightness Contrast：


上圖是以明暗同時做亮度對比的實例，上一排與下一排各是同樣明暗的長方形 ，而下排是比上排更明亮一點的顏色。

下圖則是將上面兩排長方形以ＤＯＧ函數表示出來。

2.

Hermann Grid illusion：

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←在兩黑色方塊交錯處會感覺有黑點的出現，是由於位在黑色方塊角落十字交接的網膜細胞，其接受域抑制區域大於位在黑色方塊邊緣間的區塊，在抑制效果下，顯得的交接處較暗，而產生隱約的黑點在該處。

3.

Chevreul Illusion：

← 在亮度相近的兩個亮度之間，在亮度對比下，會對此漸層產生弧度的錯覺。而右圖則是以ＧＯＤ函數將現象呈現。
4. Mach Bands：

← 兩圖形交接出現一個發亮地帶，出現的原因在於亮度遞減圖形的規則排列。

右圖則是 Mach Bands 的DOC圖示。

5. O'brien Cornstweet Effect：

← 圖片中的兩個方塊是同一顏色，但非常小輻度地做亮度遞增，O'brien Cornstweet Effect 說明了我們的視覺系統，對於比較明顯的不同明暗度較敏感，但是對明暗度的漸變則否。因此，在這兩個同樣的方塊裡，在邊緣的差異比較容受到注意，而方塊裡漸層最末端則容易被忽視兩者間的色差。 意即，在ＤＯＧ函數的運算下，邊界的重要性遠大於平滑面的亮度值。
6. Troxler Effect： ←
三、 明暗對比訊號用於資料視覺化的問題
四、 Luminance、Brightness、Lightness
甲、 Luminance：

← 人類視覺系統對於各種波長光線的感受並不相同，因此視覺感受並不是單純的與光照強度(能量)呈現線性關係。國際照明學會(CIE)由大量受試者累積的資料，提出了 luminocity function (Vλ function) ，用以描述視覺系統對不同波長之光強度的感受，反應出視覺系統對中波長的光源有較強的敏感度。
乙、 Brightness：
光源的主觀亮度。
丙、 Lightness：
反射面的主觀亮度。
五、 表面亮度的知覺
甲、 光源與物體方向：
乙、 極亮值做為參考白：
人類視覺系統對於亮度的感受是相對性的，以眼睛移動一次的範圍內亮度最高者為參考白。
丙、 亮反射點與反亮反射點的比值：



上圖A及B，兩者雖然都是黑白圖，不過看到圖片，我們的視覺仍會感覺Ａ圖的話筒是黑色，而Ｂ則是白色，原因就在於“亮反射點與反亮反射點比值”這個因素。

丁、

Contrast Crisping：

前景與背景的亮度差異不大時，亮度敏感度會提升，確保資訊不會流失，我們稱這種特性為　contrast crispening。下圖中各sample越往右擺，其上端亮度與背景越接近，利用視覺系統對於亮度敏感度調整的特性，我們可以發現亮度較暗的區域似乎越來越往上移，意指著敏感度越來越佳。