本文的目的是阐述人眼感知特性，从而指导视觉仿真环节。
光学系统的设计目的在于满足“视觉”要求。这里的“视觉”包括机器视觉及人类视觉。在设计及仿真之前，自然有必要正确理解各类视觉感知仪器的相应特性，才能正确把控设计及仿真环节，从而保证仿真结果的可靠性。
在光学产品开发领域，精度和创新是关键。无论您是在设计汽车前照灯、显示器还是任何其他光学系统，了解人眼如何感知光线及其动态特性都至关重要。本文中我们将探讨这款尖端的光线追踪软件如何通过模拟人类视觉的复杂性来彻底改变您的研发项目。
基础原则
人类的视觉是一个非凡的感官系统。然而，各种因素会影响我们对世界的看法：
暗视（夜间）和明视（彩色）视觉
我们的视力从白天的鲜艳色彩变为晚上的单色灰色。
图 1 – 颜色感知的差异取决于明视或暗视。
随着年龄的增长而变化的灵敏度
随着年龄的增长，我们的视觉敏感度会发生变化，从而影响我们对对比度和亮度的感知。
图 2 – 对比敏感度随着年龄的增长而降低
景深
在不同的照明条件下，物体看起来可以接受的清晰距离范围可能会有很大差异。
图 3 – 景深与瞳孔大小的关系
瞳孔和角膜引起的眩光效应
眩光可能由强光源引起，会影响我们的视力，并可能成为各种应用中的安全问题。
图4：无眩光效果的夜景（中观）（左）和有眩光效果的夜景（右）
对光度变化的时间适应
当我们从明亮到昏暗时，我们的眼睛需要时间来调整，反之亦然。
图 5 – 暗适应曲线。Pirenne M. H.，黑暗适应和夜视。第 5 章。在：Davson，H.（编辑），The Eye，第2卷。伦敦，学术出版社，1962
同样重要的是要记住，显示器的动态范围有限，因为人眼的动态范围很宽。这种差异意味着我们在屏幕上看到的内容可能与我们在现实生活中看到的略有不同。
为了弥合模拟与现实之间的差距，Ocean介绍人类视觉模块。
ocean中的灵敏度函数
视觉敏感度是我们感知世界的基础，了解它对于先进光学产品的开发至关重要。在本节中，我们将探讨视觉敏感度的细微差别，特别是明视觉、暗视觉和中视视觉，以及年龄对视觉感知的影响。然后，我们将展示ocean如何复制这些灵敏度函数以增强光学模拟。
视见函数 – 明视觉
在白天，我们的视力主要基于视锥细胞的反应。视锥细胞有三种类型：S（短波长）、M（中波长）和L（长波长）。这产生了色觉，它与色彩空间有关，特别是CIE 1931 XYZ色彩空间。
图 6 – 人眼和视网膜的感光细胞。图 7 – CIE 1931 标准比色观测器函数，用于将黑体光谱映射到 XYZ 坐标
图8 – 取决于波长的眼睛敏感度
在ocean中，仿真过程涉及将光谱数据转换为 CIE XYZ 值，然后将其映射到 RGB 颜色以进行可视化。但是，增益因子用于确保准确的转换。该增益因子经过校准，以匹配标准中年观察者的最大响应，设置为每瓦 683 流明。
暗视 – 暗视觉
在弱光条件下，我们的视力转变为完全依赖视杆细胞。与明视不同，暗视缺乏颜色感知。暗视没有与CIE颜色空间等效的色空间，模拟涉及将接收到的光积分到暗视光度函数上。
在ocean中，模拟涉及使用暗视亮度函数将光谱数据转换为黑白图像。与明视一样，应用校准为标准中年观察者最大响应的增益因子，并将其设置为每瓦 1700 流明。
这两张图像显示了明视和暗视环境中的相同场景：
中间视觉 – 傍晚视觉
中观视觉发生在昼夜视觉之间的过渡区。它结合了视锥细胞和视杆细胞的响应，从而产生了一种更柔和的色觉形式。近视视觉没有标准化的 CIE 色彩空间，因为它取决于场景的整体亮度，并且没有针对近视视觉的标准化人体测试。
图9 – 人类视觉系统的动态范围
ocean使用基于论文的方法：适用于中视视觉的颜色外观模型 – Satoshi Shioiri – Optical Review 来模拟中视视觉，同时考虑暗视和中视值的混合。
图 10 – 海洋模拟中视视觉的方法
下面的三张图片显示了在摄影、中视和暗视环境中的相同场景：
下面的图片显示了夜间中视和明视视觉的相同场景：
随着年龄的增长而变化的视力：
为了设计出吸引广大受众的产品，了解视力如何随着年龄的增长而变化是很重要的。 基于本文的研究：成年期的暗视敏感性 – Gregory R. Jackson、Cynthia Owsley （2000）、 研究表明，敏感性随着年龄的增长而降低，特别是在暗视和明视方面。为了适应这些与年龄相关的变化，ocean调整仿真中使用的增益因子。这意味着对于老年人，模拟将考虑他们降低的灵敏度。
图 11 – 暗视和明视敏感性随年龄的变化。
具有时间适应性的愿景
人眼需要时间来适应亮度的快速变化。有两种类型的适应：
光适应：当从黑暗环境过渡到明亮环境时，就会发生这种情况，并且需要快速调整眼睛的检测阈值。
黑暗适应： 黑暗适应发生在从明亮的环境移动到黑暗的环境时，是一个缓慢得多的过程。
在Ocean仿真框架，通过修改光度函数（明视觉的光度函数，暗视觉的暗视光度函数）中的增益因子来模拟这些适应。这可确保您的光学设计考虑到人类视觉的动态特性。
图 12 – 光适应。对于中年观察者（20岁），在给定时间T下，通过降低光度函数的增益因子来模拟明暗适应。
图 13 – 暗适应。对于中年观察者（20岁），在给定时间T下，通过降低光度函数的增益因子来模拟明暗适应。
一个 20 岁个体的光适应示例：
一个 20 岁个体的黑暗适应示例（Mesopic）：
20 岁个体的黑暗适应示例（暗视）：
随年龄的变化
年龄也会影响明暗适应的速度。 G R Jackson 1 ， C Owsley， G McGwin Jr.， 衰老和黑暗适应的研究， 表明老年人需要更多时间才能恢复到基线敏感性水平。ocean结合这些数据，根据年龄和时间调整增益因子，以更准确地表示真实世界的视觉体验。
对于老年眼睛来说，光适应时间也会延长，大约是黑暗适应的三倍。为了适应这一点，通过考虑老化导致的时间增加来调整光度函数的增益因子。
此外，老年人 在从黑暗条件过渡到明亮条件时更容易受到眩光的影响，这是许多产品设计场景中需要考虑的关键因素。
取决于年龄的暗适应示例（中观）：
根据年龄的光适应示例（照片）：
产品设计的实际应用
现在，让我们来探讨一下ocean是如何连同其人类视觉模块，可以彻底改变光学产品开发的方式：
逼真的模拟：ocean使用户能够通过考虑人类视觉的变化来模拟光学系统。通过结合光视觉、暗视和中视视觉，您可以确保您的产品在各种照明条件下表现良好。这意味着您可以设计出在明亮的日光和弱光条件下都能有效工作的产品，使其更加通用和用户友好。
年龄响应设计：通过对与年龄相关的视力变化进行建模的能力，您可以定制您的设计以适应更广泛的用户。这可以带来更具包容性和用户友好的产品，以满足所有年龄段的个人。
准确的眩光分析：海洋TM系列的人类视觉模块可让您分析和减轻角膜和瞳孔引起的眩光效应。这对于设计汽车前照灯、显示屏和其他可能存在眩光问题的产品至关重要。通过减少眩光，您可以提高产品的安全性和用户体验。
汽车内饰模拟: 通过使用ocean强大的后处理工具，用户可以将仿真结果进行自由的后处理，目的是匹配缤纷复杂的“相机”或者“人眼”的实际观察效果。以下是汽车内饰仿真案例：
1-RAW data
2-RAW data-adjust EV
3-RAW-线性曝光-（过曝）
4-RAW-noisy killer
5-human vision
时间自适应解决方案：通过模拟明暗适应，您可以设计出不仅视觉舒适而且安全的产品。这对于照明条件发生快速变化的应用尤为重要，例如汽车照明系统。
研发效率：在海洋中进行这些模拟的能力TM系列可以简化您的研发流程。它允许您在构建物理原型之前在虚拟环境中测试和优化您的光学设计。这不仅节省了时间，还节省了资源，并降低了代价高昂的设计错误的可能性。
以用户为中心的设计： Ocean的人类视觉模块提供了宝贵的见解，了解不同年龄段的人对您的产品的看法。通过考虑不同年龄组的不同敏感度和适应特征，您可以创建优先考虑最终用户视觉体验的设计。这种以用户为中心的方法可以使您的产品在竞争激烈的市场中脱颖而出。
结论
在光学产品开发方面，精度是最高的优先级。Ocean凭借其人类视觉模块，研发工程师可以创建准确复制人类视觉复杂性的光学系统。通过考虑明视觉、暗视觉和中视视觉、与年龄相关的变化和时间适应，您可以开发出不仅具有创新性，而且用户友好、安全和多功能的产品。该技术不仅可以简化您的研发过程，还可以确保您的产品迎合广泛的用户。
未来的世界是一个用户体验和安全至上的世界，Ocean的人类视觉模块会是光学产品开发的游戏规则改变者。
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