第二章 人的知觉

第2章人的知觉2.1人的五感人的五感:视觉听觉嗅觉触觉味觉≠韦伯—费克纳法则•S—人通过感觉器官感觉到的信号•I—物理刺激量•k，c为常数使感觉强度成等差级数增加，必须使刺激大小成等比级数增加•S—人通过感觉器官感觉到的信号•I—物理刺激量•k，c为常数lgSkIc/II/SkII—韦伯比心理感觉量的变化比与韦伯比成正比lgSkIc1dSkdII对I求导2.2眼睛结构和特性2.2.1眼睛结构从生理上讲，眼睛可比作一个照相机，因为它们都包含一个暗箱，一端打开让光线进入，还包括一个可变组合镜头，用于将图像聚焦在暗箱后壁的光敏物质是视网膜。2.2.2光亮度的知觉光亮度—人对光的心理感受程度。与光强度对应与光波长和眼的感受能力有关光觉阈—人要感知光的存在，必须要有一定量的光进入眼中，这种最小光量叫光觉阈。光的波长、光刺激的持续时间、光刺激的面积，以及光在视网膜上的位置等都能影响光觉阈。•光觉阈I与刺激面积A的关系–A值小时满足里克(Ricco)法则：IA=常数–A值大时满足派伯(Piper)法则：IA1/2=常数•光觉阈I与刺激时间T的关系–T值小时：IT=常数–T值大时：I=常数•辨别阀–区分明亮度差所需的最小光量度，最小值为△I。–根据当时的光强度I不同而不同–随着I的增大，△I/I减少；当I大到一定程度时，△I/I接近一定值。•相对辨别阀—韦伯比/II•人在心理上感觉到的光亮度并不单单决定于光的物理量，也受当时地域周围环境状况的影响（例：白天和晚上的手机屏幕）•马赫现象：光亮度与反差的一个典型例子环境影响边界处亮度对比加强，使轮廓表现得特别明显，但感知（红线）与实际（黑线）不重合。2.2.3色觉•色觉——不同波长的光线作用于视网膜而在人脑引起的感觉。色觉是视觉系统的基本机能之一，•三色视觉太阳光经过一个棱镜后会分解成多色光带，称为光谱。人类具有三个分开的彩色视觉处理，所以属于三色视觉者。•锥体细胞中包含三种光敏化学物质，每一种都在光谱中有一个大的敏感区，锥体对三种波长有反应。•三个分开但又相互重叠的光化学处理：一个是低频（长波长）处理（对应于红色570nm），一个中频处理（对应于绿色530nm），一个高频处理（对应于蓝色440nm）。•当某个特定频率的光进入视网膜后，就会有选择性地与能够区分频率的组织结构起作用。三色视觉三基色三基色：锥体细胞包含三种化学物质，因此，我们只用三种颜色（称为三基色）的组合就能看到所有颜色。电视选择红（R，Red）、绿（G,Green）、蓝（B,Blue）三基色。三基色以不同的比例相混合，可成为各种色光，但基色却不能由其他色光混合而成。三基色相混合（相加）而成白光。三基色和相加混色R--Red，红B--Blue，蓝G--Green，绿C--Cyan，青M--Magenta，品红Y--Yellow，黄互补色•互补色(ComplementaryColors)：两种相混合能形成白光的色光。•互补色是彼此之间最不一样的颜色。•示例：R（红）与C（青），G（绿）与M（品红），B（蓝）与Y（黄）反相色•三个对称组：蓝-黄，红-绿，黑-白。–示例：若注视绿色，则它周围就会出现绿红色；当注视黑色，则其周围就会出现白色；当长时间注视蓝色，而再将眼睛移向白色时，就会看到黄色的残留。–解释：即被刺激的受信器产生疲劳的时候，若移动视线，则对应的另一方受信器就开始活跃地动作。色调、饱和度和亮度•颜色的三要素：色调、饱和度和亮度•色调与光波的波长有直接关系•亮度和饱和度与光波的幅度有关•人眼看到的任一彩色光都是这三个特性的综合效果色调•色调：指颜色的外观，用于区别颜色的名称或颜色的种类。•色调取决于可见光谱中的光波的频率。色调是视觉系统对一个区域所呈现颜色的感觉，就是视觉系统对可见物体辐射或者发射的光波波长的感觉。•色调的种类很多（一千万种以上）。专业人士可辨认出的颜色大约可达三百至四百种。•色调次序：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。当人们混合相邻颜色时，可以获得在这两种颜色之间连续变化的色调。黑、灰、白则为无色彩。•色彩(colorfulness)：描述感知色调的一个术语，是视觉系统对一个区域呈现的色调多少的感觉（例如，浅蓝，深蓝）。色调表示圆周表示色环饱和度•饱和度：颜色的纯洁性，可用来区别颜色明暗的程度。•饱和度用颜色圆上的半径来表示。•不饱和：当一种颜色渗入其他光成分愈多时，就说颜色愈不饱和。•完全饱和：没有渗入白光所呈现的颜色（例如，仅由单一波长组成的光谱色）。明度•明度(brightness)是视觉系统对可见物体辐射或者发光多少的感知属性。•有色表面的明度取决于亮度和表面的反射率。•明度的一个极端是黑色(没有光)，另一个极端是白色，在这两个极端之间是灰色。•在纯正光谱中，黄色的明度最高，显得最亮；其次是橙、绿；再其次是红、蓝；紫色明度最低，显得最暗。•明度和人的感知有关，目前还无法用物理设备来测量。垂直轴表示明度纯正颜色的明暗差别垂直轴表示明度纯正颜色的明暗差别亮度•亮度(luminance)是用反映视觉特性的光谱敏感函数加权之后得到的辐射功率(radiantpower)，用单位面积上反射或者发射的光的强度表示。•与物理功率成正比，并在555nm处达到峰值。•量度：用指定的亮度即白光作参考，并把它标称化为1或者100个单位。–例如，监视器用亮度为80cd/m2的白光作参考，并指定Y=1。亮度与明度•明度是一种心理亮度的度量单位,同样一幅照片,如果用32级等差明度来表示质量要比32级等差亮度好得多。要达到同等表现质量,用亮度表示要比用明度多用150%以上的数据量,即255级亮度约只相当于100级的明度,在实际使用中,如果用明度来表示,则128级明度就有很高的质量了。32级亮度32级明度色调、饱和度与亮度的关系»淡色的饱和度比浓色要低一些同一色调越亮或越暗越不纯同一色调的彩色光，饱和度越深，颜色越鲜明或说越纯，相反则越淡2.2.4视觉的时间特性•阶梯状的光刺激时对亮度的感觉：当时间从50ms变化到100ms，其间光亮度达到一个峰值，然后再逐渐减少，达到一个定值。•Broca-Sulzer现象：刺激的光越强，出现峰值的上升时间越短。•临界闪烁频率（CFF）：光以某个周期作明、暗变化时，人所能感知的连续光的频率。F=algI+bF-CFF,I-光强度,a、b-常数。2.2.5形状和景深的知觉•人有几种途径获得视觉深度显示第一类只需一只眼的眼力就可获得，称为单眼视觉深度线索。另一类深度线索依赖于双眼视觉。当我们将视觉集中在视野内的一个物体上时（定位），两只眼睛相互朝对方转动（会聚），以使物体在视网膜上的图像落在每只眼睛的黄斑区。这时眼睛会无意识地调节晶状体的曲度以尽量保证图像清楚，这个过程称为调节。还有一些以调节和会聚为基础的动觉的、非视觉的深度感线索，有时也称为双眼差异或立体镜视觉。•图形和背景的感知问题（图底反转）Ponzo错觉Ponzo错觉：由于两条斜线的影响，被夹在中间的两条长度相等的水平线看起来并不一样长错觉现象实际不存在的图形（眼睛欺骗）文字认知的文脉存在性2.3耳朵结构和特性2.3.1耳朵结构•耳朵的结构声波－外耳道－鼓膜－耳小骨－前庭－听神经－大脑2.3.2声音的基本特性•声音是机械振动或气流振动引起周围传播媒质发生波动的现象，产生声音的发声体称为声源。当声源体产生振动时，引起相邻近的空气的振动，产生声波。•声波传到人耳，经过人类听觉系统的感知就是声音。•f为基音频率，决定了声音音调的高低；Ak为第k次谐波分量的振幅，与声音的响度有关；kf为谐音的频率，与声音的音色有关；为第k次谐波的初始相位。k)2sin()(0kkkkftAtA1.频率•频率是单位时间内信号振动的次数，用f表示，单位是赫兹（Hz）。•声波的频率范围：10-4～1012Hz。•频率低于20Hz的声波为次声波；频率高于20kHz的声波为超声波；人耳可以听到的声音是频率在20Hz～20kHz的声波，称为音频信号。•人说话的信号频率通常在300～3400Hz之间，即语音信号。音频信号分类•窄带语音–信号频带为300-3400Hz，用于电话通信。•宽带语音–信号频带为50-7000Hz，用于电话会议、视频会议。•数字音频（DAB）广播–信号频带为20-15000Hz。•高保真立体声音频信号–信号频带为20-20000Hz，用于VCD、DVD、CD、HDTV伴音。2、频谱•纯音：频率单一、声压随时间按正弦函数规律变化的声音。•复合音：由频率不同、振幅不同和相位不同的正弦波叠加形成的。在复合音中频率最低的成分称为基音。频率与基音成整倍数的分音称为谐音（谐波）。•声音的频谱结构是用基音、谐音数目、各谐音幅度大小及相位关系来描述的。•声音的音色由其频谱成分决定，音调相同而音色不同的声音是由于它们的谐音数目、谐音振幅及其随时间衰减的频率不同而造成的。3、声压及声压级•声压：单位为帕（Pa）或微巴（bar）。•声压的大小反映了声音振动的强弱，同时也决定了声波的幅度大小。•瞬时声压：某点的瞬时总压强减去静压强。•峰值声压：在某一时间间隔中最大的瞬时声压。•有效声压：在一定时间内，瞬时声压对时间取均方根值。（一般所说的声压）•人们对声音强弱的主观感觉大至正比于声压的对数值。•常采用按对数方式分级的方法来表示声音的强弱，这就是声压级。•声压级用符号Lp表示，单位是分贝（dB）•p为有效声压值；pref为基准声压，一般取2*10-5Pa，这个数值是人耳所能听到的1kHz声音的最低声压，低于这一声压，人耳就无法觉察出声波的存在了。refpppLlg202.3.3声音的主观感觉•人的听感是一个非常复杂的物理－生理－心理过程。•人对声音的感知有响度、音调和音色三个主观听感要素。•人的主观听感要素与声波的客观物理量—声压、频率和频谱成分之间既有着密不可分的联系，又有一定区别。–声音的响度与声波振动的幅度有关；–音调高低取决于声波的基音频率；–音色由声波的频谱成分决定。1、响度—声音大小•响度是人耳对声音强弱的主观感觉程度，单位为宋（sone），用符号N表示。在客观的度量中，声音的强弱是由声波的振幅（声压）决定的。一般来说，响度同声压级大体成比例，即声压级越大响度也越大，但这只对同一频率的声音来说是正确的。频率也在一定程度上影响响度。1宋定义为频率为1kHz的纯音在声压级为40dB时的响度。2、响度级•人耳对声音强弱的主观感觉还可以用响度级来表示。响度级的单位为方（phon），一般用符号LN表示。•响度级LN与响度N之间的换算公式为•声压级为40dB时，响度级定为40phon，响度为1sone。•响度级每增加10phon，响度增加1倍。NLN2log10403、等响度曲线•响度是指人耳对声音强弱的一种主观感觉，当听到其他任何频率的纯音同声压级为40dB的1kHz的纯音一样响时，虽然其它频率的声压级不是40dB，但也定义为40phon。•这种利用与基准音比较的实验方法，测得一组一般人对不同频率的纯音感觉一样向的响度级、声压级与频率三者之间的关系曲线，称为等响度曲线。•等感曲线反映出响度听觉的如下特点：响度主要有声音的强度决定，随声强提高而提高；频率也在一定程度上影响响度；不同频率的声音的响度增长率也不同，低频纯音的响度增长率较快。4、音调—声音高度•音调也称音高，表示人耳对声音调子高低的主观感觉。音调与声波基频相对应。频率低的调子给人以低沉、厚实、粗旷的感觉，频率高的调子给人以亮丽、明快的感觉。•音调与频率有正相关的关系。5、音色•音色主要由声音的频谱结构决定。•一般来说，声音的频率成分（谐波数目）越多，音色便越丰富，听起来就越宽广、感人肺腑、扣人心弦、娓娓动听。如果声音中的频率成分很少，甚至是单一频率，音色则很单调乏味、平淡无奇。6、听觉空间的知觉•音源定位：人可以利用信息到达两耳的时间差别判断音源的位置。•在低频范围内人是根据到达两耳的时间差来判断音源位置的，而在高频范围内可利用到达两耳的