（电子科学与技术专业论文）主观轮廓感知修复模型及相关算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的位置和取向信息判断其可连接关系，进而连接具有可连接关系但没有实际连接 的关键点，最终完成轮廓缺口的修复。 主题词：主观轮廓，f a c a d e 理论，轮廓组织，缺口修复，张量投票，取向 估计，有向边缘检测 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t t h es m o o t hc o m p l e t i o no ff r a g m e n t e dc u r v l s e g m e n t sc v c nw h e ns u 衔e i e n t c o n t r a s ti sl a c k i n go ri nt h ep r e s e n c eo fo c c l u s i o n si sa ni n t r i n s i cs k i l lo fh u m a nv i s u a l s y s t e ma n ds u b j e c t i v ec o n t o u rs h o w so n eo ft h ec o m p e l l i n ge x a m p l e s s u b j e c t i v e c o n t o u rc a nb ed e f i n e da sav i s u a lp s y c h o l o g i c a lp h e n o m e n o nw h i c hi st op e r c e i v ea c o m p l e t ec o n t o u ri nh o m o g e n i o u sa r e a sa c c o r d i n gt ot h ei m p l i c i tc o n s t r a i n sp r e s e n t e di n t h ei m a g e r e c o g n i z i n gs u b j e c t i v ec o n t o u rf e a t u r e si sa ni n t r i n s i cc a p a b i l i t yo fh u m a n v i s i o n ，d e m o n s t r a t i n gt h er e m a r k a b l ea b i l i t yo ft h ev i s u a ls y s t e m a sa ni m p o r t a n tc u e t oi n v e s t i g a t et h ep e r c e p t i o no f c o n t o u r , s h a p e ，d e p t ha n dv i s u a la t t e n t i o n ，r e s e a r c hw o r k o ns u b j e c t i v ec o n t o u rc a nn o to n l yc o n t r i b u t et os o l v es e v e r a lp r o b l e m si ni m a g e p r o c e s s i n ga n dc o m p u t e rv i s i o n ，b u ta l s om e a nal o tt oc o g n i t i o ns c i e n c e t h cs u b j e c t i v e c o n t o u rt h e o r yw i l lb ep r o v e dt oh a v em a n y a p p l i c a t i o n si nm o d e m l i f e t h i st h e s i sa d d r e s s e st h er e s e a r c hw o r ko np e r c e p t u a lc o m p l e t i o nm o d e lo f s u b j e c t i v ec o n t o u ra n dr e l a t e da l g o r i t h m s ，w h i c hw i l lp l a yaf o u n d a m e n t a lr o l ef o r s i m u l a t i n g h o wt h eb i o v i s i o n s y s t e mp e r c e i v es u b j e c t i v ec o n t o u r s n 圮m a i n c o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i sc a nb es u m m a r i e da sf o l l o w s ： f i r s t l y ，ap e r c e p t u a lc o m p l e t i o nm o d e lo fs u b j e c t i v ec o n t o u ri nt h el i g h to f f a c a d e ( f o r ma n dc o l o ra n dd e p t h ) t h e o r yi sp r e s e n t e d t h i sm o d e lc o n t a i n sn c o m p c h e n s i v e s o l u t i o nt os o l v et h es u b j e c t i v ec o n t o u r p r o b l e m ，s u b d i v i d i n gt h e p r o c e s st oc o n t o u rf e a t u r ee x t r a c t i o nt o g e t h e rw i t hc o n t o u ro r g a n i z a t i o na n dc o n t o u rg a p c o m p l e t i o n s e c o n d l y ，t h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sf o rc o n t o u rf e a t u r ee x t r a c t i o na r cs t u d i e d i nt h ep r e v i o u sm o d e l ，c o n t o u rf e a t u r ee x t r a c t i o nc o n s i s t so f o r i e n t e de d g ed e t e c t i o na n d k e yp o i n td e t e c t i o n t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m i l a r i t i e sb e t w e e nt h e s et w op a n s ，w e a d o p to r i e n t a t i o ne s t i m a t i o na st h eb a s i ct e c h n o l o g y t h e nar e l a t i v e l ys y s t e m a t i cs t u d y o no r i e n t a t i o ne s t i m a t i o ni sc a r r i e do u t ：am a t h e m a t i c a id e f i n i t i o nf o ro r i e n t a t i o ni s g i v e n ；t h eg u i d et h e o r yf o ro r i e n t a t i o ne s t i m a t i o ni se x t e n d e da n dp r o v e d ；w ea l s op u t f o r w a r da no r i e n t a t i o ne s t i m a t i o na l g o r i t h mc a l l e dc l f n d ( c o m b i n e dl o g n o r m a l f i l t e ra n dn o n l i n e a rd i f l u s i o n ) a n dd e m o n s t r a t ei t s e f f i c i e n c yi ne x p e r i m c n t s f u r t h e r m o r e ，a na l g o r i t h mf o ro r i e n t e de d g ed e t e c t i o na n da n o t h e ra l g o r i t h mf o rk e y p o i n td e t e c t i o na b r o u g h tf o r w a r d 。w h i c ha a l lb a s e do no r i e n t a t i o ne s t i m a t i o n t h i r d l y ，w i t hr e g a r dt ot h ec o n t o u ro r g a n i z a t i o na n dc o n t o u rg a pc o m p l e t i o n ，t h e t h e s i sp r e s e n t st h r e er e s e a r c hr e s u l t s ：o n ei sa r li m p r o v e dt e n s o rv o t i n ga l g o r i t h mf o r s u b j e c t i v ec o n t o u re x t r a c t i o n a ni t e m f i v eo p t i m i z a t i o np r o c e d u r ew 船d e v e l o p e db a s e d o ne i g e n v a l u ep e r t u r b a t i o na n a l y s i st oc o m p l e t et h ec o n t o u rg a p sa n dt or e d u c et h e b l u r r i n ge f f e c to ft h eo r i g i n a lm e t h o d n es e c o n do n ei sac o m p u t a t i o na p p r o a c hf o r 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 s u b j e c t i v ec o o u rw h i c hu t i l i z e st h ec o o p e r a t i o n c o m p e t i t i o nm e c h a n i s mo fb i o v i s i o n s y s t e m 1 r h eg o a li st os i m p l i 毋t h en e u r a l c o m p u t i n go fb i o v i s i o np r o c e s sm o d e l e di n t h eb o u n d a r yc o n t o u rs y s t e mo ff a c a d et h e o r y ，a n dt oe x t r a c ts u b j e c t i v ec o n t o u ri n an e ww a y mp r o c e d u r ec o n s i s t so fd o gf i l t e r i n g ，c o o p e r a t i v e f i l t e r i n g ， p o s t - p r o c e s s i n go fc o o p e r a t i v e 跚船a n dr e g r o u p i n go fe n d p o i n t s c o r r e s p o n d i n gt ot h e o r i e n t e de d g ef i l t e r i n gb ys i m p l ec e l l s ，c o o p e r a t i v ef i l t e r i n gb yb i p o l ec e l l sa n d e n d - s t o p e f f e c tf o r m u l a t e db yh y p e r c o m p l e xc e l l si nb i o v i s i o ns y s t e mr e s p e c t i v e l y t h el a s to n e i s 锄a l g o r i t h mb a s e do nc o n n e c t i o nr e l a t i o ng r a p h ，w h i c hj u d g e sw h e t h e rt w ok e y p o i n t ss h o u l db ec o n n e c t e da c c o r d i n gt ot h e i rp o s i t i o n sa n do r i e n t a t i o n sa n dt h e n c o n n e c tt h ek e yp o i n t st h a ts h o u l db ec o n n e c t e dt oc o m p l e t et h es u b j e c t i v ec o n t o u r k e yw o r d s ：s u b j e c t i v ec o n t o u r ， g a pc o m p l e t i o n ，t e n s o rv o t i n g ， d e t e c t i o n f a c a d et h e o r y ，c o n t o u ro r g a n i z a t i o n ， o r i e n t a t i o ne s t i m a t i o n ，o r i e n t e d e d g e 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1 主观轮廓相关模型及算法的定性比较9 表4 1 各取向估计方法对图4 4 的估计误差比较5 4 表4 2 本文算法对图4 1 9 4 2 3 进行关键点检测结果的量化分析7 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 主观轮廓示例。 图1 2 典型主观轮廓图形的分类 图1 3 本文组织结构图 图2 1 视觉感知过程。 图2 2 侧抑制灰度对比理论的反例 图2 3b c s 系统模型框图1 7 图3 1 可连接关系说明 图3 2 主观轮廓感知修复模型的总体结构框图3 2 图3 3 曲线延伸示意图3 5 图3 4 两曲线连接示意图3 5 图4 1 直线及其f o u r i e r 变换的能量分布图4 2 图4 2 频域中的取向估计原理示意图4 3 图4 3 对张量进行非线性扩散的算法描述一5 l 图4 4 取向估计的测试图像 图4 5 不同噪声方差条件下各取向估计方法的估计误差图5 5 图4 6 不同噪声方差条件下各取向估计方法的估计误差变动曲线5 5 图4 7 本文方法与基于正交滤波的方法的估计误差曲线。5 6 圉4 8 对图4 4 ( 曲添加高斯噪声情况下的估计误差变动曲线5 7 图4 9 对合成的取向域添加随机嗓声的非线性滤波结果5 8 图4 i o 两种角度的边缘对不同方向滤波器的响应曲线6 0 图4 1 l 对k a f f l i s z a 三角的有向滤波结果 图4 1 2 改进的c a n n y 算法的伪代码描述 6 1 ，。6 2 图4 1 3 测试图及标准边缘图一6 3 图4 1 4 改进后的c a n n y 算法与原始算法的量化比较6 4 图4 1 5l e n a 图像的边缘检测结果比较6 5 图4 1 6l a b 图像的边缘检测结果比较。 图4 1 7 对k s l l l i s z , a 三角进行有向边缘检测的实验结果6 6 图4 1 8 对一幅建筑物的遥感图像进行有向边缘检测的实验结果叶6 7 图4 1 9 k a i l i s z a 三角的关键点检测结果( 原始图像大小2 5 6 x 2 5 6 ) 7 2 图4 2 0k a n i $ z a 矩形的关键点检测结果( 原始图像大小l o o x l 0 0 ) 7 2 图4 2 1e h r c n s t e i n 中心光亮圆盘的关键点检测结果( 原始图像大小1 0 0 x 1 0 0 ) 7 2 图4 2 2s u b j e c t i v ec i r c l e 的关键点检测结果( 原始图像大小1 2 8 x 1 2 8 ) 7 3 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 2 3s u b j c o n t o u r 的关键点检测结果( 原始图像大小1 5 8 1 4 7 ) 7 3 图5 1 投票域方向示意图。7 9 图5 2 投票域强度示意图。7 9 图5 3 张量投票算法对缺口较小的k a l l i z s a 矩形的处理结果8 0 图5 4 张量投票算法对缺口较大的k a l l i z s a 矩形的处理结果8 l 图5 5 迭代式张量投票算法的伪代码描述。8 l 图5 6 对l ( a i l i z s a 矩形进行迭代处理的结果8 2 图5 7 对k a n i z s a 三角进行迭代处理的迭代结果一8 3 图5 8 迸一步改进的迭代式张量投票算法的伪代码描述8 5 图5 9 进一步改进后对k a n i z s 8 三角进行迭代处理的结果8 6 图5 1 0k a n i z s a 矩形的实验结果8 7 图5 1 1s u b j e c t i v ec i r c l e 的实验结果 图5 1 2 对k a n i s z a 三角的合作滤波结果8 8 图5 1 3 对k a n i s z a 三角合作信息的后处理结果8 9 图5 1 4 对e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘合作信息的后处理结果一9 0 图5 1 5e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘的张量投票结果9 l 图5 1 6 对k a n i s z a 三角的实验结果 图5 1 7 对k a n i s t _ t 矩形的实验结果，9 7 图5 1 8 对e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘的实验结果 图5 1 9 对s u b j e c t i v ec i r c l e 的实验结果 图5 2 0 对s u b j _ c o n t o u r 的实验结果9 9 图5 2 1 对一幅实物图像的实验结果1 0 0 图5 2 2 对德国法兰克福机场一角的遥感图像的处理结果。1 0 1 图6 i 模型的扩展1 0 4 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：童理缝廑盛翅堡复搓型丞担差篡洼珏究 学位论文作者签名：盔垂! 邀彗 日期：z 即年7 月2 歹日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：塞麴毪座盛赶签复椹型区担差篡洼珏塞 学位论文作者签名：塑61 选豸日期：2 内年罗月另r 日 作者指导教师签名：墨叠悼日期：挑年夕 肘日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 课题主要对主观轮廓感知修复的模型和相关算法进行研究，从而为运用计算 机模拟人类视觉对主观轮廓的感知识别过程奠定基础。课题的研究属于图像信息 处理和计算机视觉的范畴。这两门学科都是研究人或机器对图像信号的产生与采 集，信息的形成、提取、分析、综合、表达和利用的理论与方法的科学，其理论 任务是研究和发现信息的各种形式及各个阶段的内在转换规律，其应用目标是研 发出能辅助或代替人类视觉的智能机器系统。自2 0 世纪6 0 年代以来，这两门学 科始终受到学术界、应用界的密切关注，并投入了极大的研究热情。 1 1 主观轮廓的定义和分类 我们在观看环境中的一个物体时，通常会有这样的体会：明明眼前呈现的是 一幅图像，可在脑中感知的却是另外一种景象；明明是只看到物体的一部分，但 我们仍能准确确定物体的整体形状，这就体现了“看”和“看见”的区别。从认 知意义上来理解，“看见”等同于“辨识”，视觉对主观轮廓的感知就深刻揭示 了这一点。 f j 圈1 1 主观轮廓示例 -j ( d ： 主观轮廓( s u b j e c t i v ec o n t o u r ) ，也被称为认知轮廓( c o g n i t i o nc o n t o u r ) 或错 觉轮廓( i l l u s o r yc o n t o u r ) ，是一种视觉心理现象1 1 1 这一现象体现了人类视觉系 统惊人的感知识别和修复图像缺失部分的能力。虽然已经有许多学者对主观轮廓 现象进行了研究，但是迄今为止还没有一个完整统一的定义，本文基于对这问 题的研究和分析给出以下定义： 第1 页 丝紧斗劢一 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 定义1 1 主观轮廓：主观轮廓是一种在同质物理刺激的视野中根据图像特征 的整体约束感知到完整轮廓的视觉心理现象。 图1 1 给出了这种现象的三个示例。图1 1 中人们通常可以感觉到一个把四 角分别放在四个圆上的正方形，而不是四个单独的缺扇，这个感觉到的正方形大 部分是由物理上并不存在却可感知的轮廓构成。图1 1 ( b ) 就是k a n i z s a t 2 】于1 9 5 5 年 提出的最著名的例证k a n i z 鼢三角，人们一般可以从中感知到存在一个三角形； 而图1 1 ( c ) 被研究者们称为e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘，因为可以感知到一个圆的存 在；图1 1 ( d ) 被研究者们称为主观圆( s u b j e e t i v ec i r c l e ) 。这些现象表明轮廓感知 可以通过并无直接物理起因的推理输入产生，与此类似的还有由g l a s s 和s t e v e n s 提出的虚拟线【j 1 。 通过收集、整理和分析以往研究者们处理的典型主观轮廓图形，本文将这些 图形分为两大类：共线型和重组型。共线型以k a n i z s a 三角为代表，表现为共线边 缘相互连接形成主观轮廓；重组型以e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘为代表，表现为边缘 端点在边缘正交方向的重新组合。根据轮廓线的类型，共线型又可以进一步细分 为直线型和曲线型：直线型是指轮廓线由分段连续的直线构成，如k a n i s z a 三角： 曲线型即为轮廓线包括一些分段连续的曲线，如s u b j e c t i v ec i r c l e 。图i 2 描述了本 文对典型主观轮廓图形的分类情况。 典型的主观轮廓图形 共线型1 曲线型 ff 直线型 i重组型 1 2 课题研究的背景和意义 自从主观轮廓现象于1 9 0 0 年被心理学家发现以来【1 1 ，生理学、心理学以及计 算机视觉等领域的许多学者都对这一现象进行了研究，他们从不同角度、以不同 手段和方法，试图揭示主观轮廓的形成机理。根据p u r g h e 的统计p j ，截至1 9 9 5 年 就有4 4 0 篇以上的相关文献发表在p e r c e p t i o n 、n a t u r e 、v i s i o nr e s e a r c h 、p e r c e p t i o n & p s y e h o p h y s i t s 、i e e et r a n s a c t i o n so np a t t e r na n a l y s i sa n dm a c h i n ei n t e l l i g e n c e 、 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 c o m p u t e rv i s i o na n dp a t t e r nr e c o g n i t i o n 、i e e es i g n a lp r o c e s s i n gl e t t e r s 、i e e e t r a n s a c t i o n so ng e o s c i e n c 宅a n dr e m o t es e n s i n g 、c o m p u t e rv i s i o n 、p a t t e r n r e c o g n i t i o n 、n e u r a ln e t w o r k s 、i m a g ep r o c e s s i n g 等国际学术期刊上主观轮廓作 为一种理解轮廓知觉、形状知觉、深度知觉和视觉注意机制的重要现象 3 1 l 5 s 1 ，其 原理已经在图像信息处理和机器人视觉中得到一些成功的应用 s s l 6 0 t s s l s 6 i s q ，而且 越来越引起人们的兴趣。但是迄今为止，有关主观轮廓的感知机理尚未形成统一 观点，在计算机视觉领域也没有一种模型或方法能直接处理所有类型的主观轮廓 图形，使得主观轮廓原理的应用受到很大限制。 课题研究的意义可以概括为以下几点： 1 课题的研究对于认知科学是一项非常有意义的工作。 知觉世界与现实世界存在着差异，知觉到的模式比看到的现实表象更深刻。 更具有本质性。主观轮廓现象为这一点提供了有力证明。许多生理学实验【5 l 】【1 0 4 1 1 0 5 l 也表明主观轮廓知觉是人和动物为适应环境而长期演化的视觉系统特性的一种反 映，因而对主观轮廓的感知是视觉系统信息处理的一个基本内容，课题的研究对 于探究人类视觉系统中物体识别的形成机制以及揭示人脑的认知规律将是一项非 常有意义的工作 2 课题的研究有助于解决图像信息处理和计算机视觉中的一些难题。 首先，轮廓提取是图像信息处理和计算机视觉中的一个基本问题，但是现实 中经常存在的噪声和遮挡使得提取完整的目标轮廓成为一项极具挑战性的任务。 许多研究和分析i 毙卜i s s 】 6 t 1 衅】i 明表明人类视觉在感知识别主观轮廓时体现的信息处 理机制与处理遮挡的情况是一样的，即修复主观轮廓中的轮廓缺口和遮挡情况下 的缺失边界具有相同的视觉插值过程，因此对主观轮廓感知修复方法的研究有助 于解决遮挡情况下的轮廓提取问题。 其次，推导三维物体的拓扑结构是计算机视觉中最难解决的问题之一，传统 模型多用于研究完全可见的物体。然而视觉中最惊人的特点在于视觉感知的正确 性即对外部世界的感知与外部世界本身物理特性的对应实际上，人类的视 觉系统重构了输入人眼图像的大部分而使视觉世界是完整的。由于主观轮廓的感 知修复方法可以处理被遮挡的且标边界，因此可以为推导三维物体的拓扑结构提 供重要信息。 第三，感知修复能力是人类视觉中最惊人的特性之一，如何从理论上解释人 类视觉的这种感知修复能力以及怎样使计算机视觉具有这种能力一直是一个难 题，对主观轮廓的研究必将促进计算机视觉中这一难题的解决 3 由于主观轮廓的原理和方法具有广泛的应用前景，课题的研究也具有实际 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 意义。 主观轮廓作为一种理解轮廓知觉、形状知觉、深度知觉和视觉注意机制的重 要现象，在现代利用计算机进行图像场景分析和机器人视觉中具有广泛的应用前 景。目前在医学图像分割【8 5 l 、轮廓提取1 5 5 】1 6 5 1 1 6 9 1 、运动分析8 7 l 【1 3 2 】和道路标志设计( 砷】 等领域已经得到一些成功应用另外，主观轮廓现象对于视觉高层编码具有重要 启示，因而对于图像数据压缩具有重要的研究价值 综上，课题的研究具有重要的理论和实际意义。 1 3 课题的国内外相关研究现状 1 3 1 主观轮廓楣关研究现状 自1 9 0 0 年s c h u m a n n 1 1 首次描述了主观轮廓现象之后，1 9 5 5 年k a n i z s a 2 捷出 了最著名的例证k a i l i z 娩三角。此后，生理学、心理学以及计算机视觉等领域 的许多学者都对这一现象进行了研究。下面分别介绍生理学、心理学以及计算机 视觉领域的相关研究成果。 1 3 1 1 生理学的相关研究 生理学上认为主观轮廓的形成发生在外围神经系统，主要研究成果可以分为 理论和实验结论两类。 主观轮廓的生理学相关理论有：h u b e l 和w i e s e t 提出了特征觉察理论【l ，认 为存在于大脑视皮层v l 区( 大脑初级视觉皮质) 中的神经元能有选择地对视野中 的真实轮廓的“特征”( 即方位、运动、视网膜上的位置等) 进行反应；b r i g n e r 和g a l l g h e r l l 2 7 l 在1 9 7 4 年最先用外周侧抑制神经过程所引起的灰度同时对比来解释 主观轮廓现象，提出了侧抑制灰度对比理论 1 2 8 ；1 9 7 5 年g i n s b u r y 把k a n i z s a 图形 中的三角形中的空间频率滤掉后，发现所得的图形似乎包含有物理上存在的三角 形，由此他认为主观轮廓根本不是“主观的”，而是客观存在于远端刺激中0 3 0 l ， 提出了高空间频率过滤理论；另外，g r o s s b e r g 针对生物视觉系统在生理解剖结构 上所表现出的通道特性和在视觉过程中信息处理的层级特性提出了f a c a d e ( f o r m a n d c o l o r a n d d e p t h ) 理论岍1 ，这一理论虽然不是针对主观轮廓提出的， 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 但是对于解释主观轮廓感知过程中的视觉生理机制有重要启示 在针对主观轮廓所做的生理学实验方面：1 9 8 4 年。v o n d e rh e y d t 等首次报道 了猴视皮层v 2 区( 大脑次级视觉皮质) 约“的细胞能检测主观轮廓的方位l 髓】： 随后r e d i e s s g 和g r o s o t f ”j 等分别通过研究猫、猴视皮层v l 、v 2 区中神经元对主 观轮廓的响应，把整体水平的心理现象和单细胞水平的电活动现象进行了分析、 比较得出了初级视觉皮层单个神经元能检测出主观轮廓方位的结论；d e w e e r d 等 t o s 发现切除v l 、v 2 区会导致主观轮廓方位知觉的永久性丧失，而切除v 1 、v 2 区影响到的所有相关皮层对错觉边界的知觉几乎没有影响，这证明主观轮廓知觉 并非一个反复的过程；v o n d e rh e d y t 等还发现即使引起错觉边界的有缺口长方形 位于细胞感受野之外时，细胞仍能对该错觉边界反应，而只用图形的一半刺激时 细胞无反应l m l ；文献【9 3 卜一【9 6 】的研究表明主观轮廓的感知强度与轮廓缺口两端的 邻近程度有关，轮廓缺1 2 1 的两个端点距离越近，感知程度越强；文献【1 1 6 】 1 2 3 研究了主观轮廓的感知与轮廓缺口两端的边缘线或点的排列有关；文献【9 3 】和 9 7 9 9 1 研究了主观轮廓的感知强度与图像对比度之间的关系；h e i t g e r 等【”】指出 猴脑v 2 区对主观轮廓的响应是融合了轮廓缺1 ：3 两端的边缘信息的；f f y t c h e t l 0 6 等 通过p e t ( p o s i t r o ne m i s s i o nt o m o g r a p h y ) 技术研究了人眼感知主观轮廓时的脑电 图，实验结果表明大脑视皮层v 2 区的神经细胞可以感知识别主观轮廓；s e g h i e r l ”7 】 总结了神经成像学( n e u r o i m a g i n g ) 的相关研究成果，分析了主观轮廓感知过程中 的生理机制。 1 3 1 2 心理学的相关研究 心理学上的解释认为主观轮廓的形成发生在中枢神经系统，提出了一些理论 和观点试图解释主观轮廓的知觉过程：o s g o o d l l 0 9 1 、p a s t o r e 0 】、k a n i z s a 1 1 1 】【1 1 2 1 等 都认为主观轮廓是一个封闭性图形感知的特例，支持g e s t a l t 完形假说【7 日； g r e g o r y 1 1 4 l ，p i g g i n s l l l 5 j 、r o c k 等【6 1 提出了图形线索认知假说，认为主观轮廓是 从部分图形线索中抽象出完整图形的；c o r e n 提出深度线索假说引，认为主观轮 廓是由单目深度感知引起的；b r a d l e y u 7 1 1 1 町和k e n n e d y 0 1 9 l 强调主观轮廓不仅仅是 由外界刺激引起的，感知过程中有视觉注意机制的作用和复杂的视觉组织过程： s m i t h 和o v e r 提出特征分析假说f 12 0 】【1 2 1 1 ，认为主观轮廓是神经元根据图像中客观 存在的边缘进行特征分析的结果；y o s h i n o 1 0 s l 比较了人眼对主观轮廓和图像显著区 域的响应时间，认为主观轮廓的感知过程可以分为区域分割和边界修复两个步骤： m i c h e l l e 5 9 1 研究了主观轮廓和真实轮廓感知过程的差异，实验结果表明它们是不同 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的过程。 1 3 1 3 计算机视觉领域的相关研究 计算机视觉界的研究将问题转化为轮廓提取问题，提出了一些算法和模型。 u l l m a n 于1 9 7 6 年提出了最早的主观轮廓提取算法，他从视觉系统结构推出视 觉模型的角度考虑，提出了一种双弧插值算法【3 2 l ；u l l m a n 还提出了一个基于神经 网络可以通过局部信息处理并行计算主观轮廓的算法网，但是没有实现；之后， g r o s s b e r g 和m i n g o l l a 从视觉皮层的结构中分析了主观轮廓的作用提出了种算 法1 3 町，该算法通过神经网络反复计算与一个很大的滤波核函数的卷积来完成感知 修复过程；p a r e n t 和z u k e r 提出了一个基于切线和曲率特征的神经网络算法【3 5 1 ， z u k e r 后来又加入最小能量准则通过这一算法计算缺失边界的可能修复函数： s h a s h u a 和u l l m a n 提出了一个基于显要特征检测的神经网络算法【3 6 1 ，该算法根据 最小能量原则计算每一条可能的连接曲线：m a d a r a s m i 提出了一种基于马尔可夫随 机场模型的方法i7 0 】，该方法首先通过检测t 型角点和凹形特征获得有关物体表面 和深度的信息，然后应用马尔可夫随机场施加全局约束：r o s ar a d r i g u e z s a n c h e z 等提出了一种通过l o g g a b o r 滤波从频域的冗余信息中提取主观轮廓的算法m l ； a l e s s a n d r o 等【6 5 】提出了一种基于水平集算法通过提取“主观平面”来提取主观轮廓 的方法；d a v i 等瞄】提出了一个“主观平面”的理论模型，通过检测边缘和交汇点 ( j u n c t i o n ) 来对图像局部区域的归属提出假设，然后通过统计假设检验来判别各 个区域的归属性，最后再判断其可见性；与此类似，e r i cs a u n d 为提取被遮挡的轮 廓提出了一种基于松弛标记技术的方法p 】，该方法需要首先构造一个松散图，以 边缘、l 型角点、t 型角点等显要的图像特征为节点，以节点之间相似和几何关系 为边，每个节点都有不同的标记标识其属性，每一个给定的标记都引入一个与图 形的整体一致性约束有关的能量，最后采用确定性退火技术，通过一个扩散过程 进行优化，取得全局最优解：w e iz h u 和t o n yc h a n 采用形状匹配的方法提取主观 轮廓f 4 6 1 ，这种方法事先假定已知主观轮廓的形状信息，然后用相应的形状去匹配 不完整的轮廓：g u y 和m e d i o n i 应用张量投票方法f 7 l 】【7 3 ) 提取了只输入边缘线段端 点的e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘中的主观轮廓。 h e i t g e r 和v o n d c rh e y d t 提出了一个滤波加非线性处理的神经元模型【4 ”，该模 型将角点提取后的图像通过一组方向滤波器进行滤波，然后对滤波结果进行非线 性处理提取主观轮廓，在具体处理过程中引入了许多生物视觉系统的处理机制； 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 w i l l i a m s 和j a c o b s 提出了随机修复场( s t o c h a s t i cc o m p l e t i o nf i e l d s ) 模型i j “，是针 对主观轮廓问题提出的最有影响力的模型，描述了一种有关主观轮廓形状及特征 在算法和表示层的理论用以解决感知修复问题；文献【3 8 卜一【4 2 】介绍了几种基于随 机修复场模型的具体算法；文献【4 3 】对随机修复场模型进行了概率分析；e i t a n s h a r o n 等提出的算法1 4 8 】也是以随机修复场模型为基础，采用h e m i t e 曲线来近似最 小能量曲线；刘海鹰等提出了一种基于物理的引力场原理的构造模型1 4 ”，该模型 利用在关键点上分布的电荷所激发的电场来模拟引力场，并定义了场激发子及其 引力，同时构造了一个图来解决分组问题。 1 3 2 现有研究的特点及不足 从前面总结的相关研究工作中可以看出，目前有关主观轮廓的形成主要有两 种心理学观点：第一种观点认为主观轮廓是由感觉信息引起的，由一定刺激诱导 出一个与可能得到的信息不同或相反的概念模式，并强加于感觉信息之上：而第 二种观点认为主观轮廓是基本的生理机制作用的必然结果。除了心理学上的一些 证据外，目前猴、猫视觉皮层主观轮廓反应细胞的发现以及对其一些反应特性的 研究，比较支持第二种观点 在计算机视觉领域，国内外对主观轮廓的研究主要集中在对一些典型主观轮 廓图形的识别处理上。总体说来，主要有两种鹪决问题的思路：一种是模拟视觉 生理机制应用神经网络解决问题；另一种是根据图像元素之间的几何关系进行轮 廓提取。但是，迄今为止还没有一种模型或算法能处理所有类型的主观轮廓图形， 现有的模型或算法大都是从某一角度针对一些特定的主观轮廓现象进行研究和解 决，其中最有影响力的工作是随机修复场模型，其次是神经元模型。 因为主观轮廓提取过程涉及到复杂的认知问题。很难对不同的方法进行定量 的比较，所以本文对现有的方法做了一个定性比较，如表1 1 所示 根据表1 1 的比较结果，可从以下角度进行分析： 1 从综合性角度分析，现有的模型或算法大多数都是针对共线型主观轮廓进 行处理，有些还只能处理直线，对以e h r e n s t e i n 中心光亮圆盘为代表的重组型主观 轮廓是许多现有模型或算法难于处理的主观轮廓现象。在这方面随机修复场模型、 基于张量投票的方法和基于形状匹配的方法优于其它方法，但是这三种方法也没 有完全解决问题，随机修复场模型采用神经网络通过计算两个格林函数的卷积来 计算修复场，其最大似然路径通过一条最小能量曲线连接“源点”和“目点”， 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 但是经过复杂的计算，只能得到估计的修复区域，无法直接得到感知