二.视觉系统.ppt

1、第二章：视觉和视觉特性,图象处理的研究需要了解人类视觉机理： 人们能够区分的光强度差别有多大？ 我们眼睛的空间清晰度是多少？对运动的感觉如何? 我们估计和比较距离和面积的精度是多少？ 人类特性视觉的光谱是如何样的? 人的视觉中彩色起什麽作用？ 人类是如何获得视觉感知，如何认知周围事物的？ 人们对于自己视觉机构的生物、生理物理过程的了解，以及神经、精神方面的了解还处于低级阶段，认识还很不完善和有局限性。,第二章：视觉和视觉特性,一视觉感知: 是视觉的内在表象. 二视觉的外在表现-视觉现象(视觉特性) （1）相对视敏函数: （2）对比度的灵敏度和同时对比度: （3）马赫带(Mach Bands)和

2、视觉系统的调制传输函 数MTF （4）视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision) （5）彩色视觉特性 （6）图象逼真度准则,一视觉感知：是视觉的内在表象,视觉低级感知层次： 视觉系统从外界获取图象，就是在眼睛视网膜上获得周围世界的光学成象， 然后由视觉接收器(杆状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器)，将光图象信息转化为视网膜的神经活动电信息， 最后通过视神经纤维，把这些图象信息传送入大脑,由大脑获得图象感知。,视觉感知的低级感知层次,视网膜上有杆状体和锥状体两类视觉接收器； 视杆体(Rods)：细长而薄，数量上约100 million，它们提供暗视(Scoto

3、pic Vision),即在低几个数量级亮度时的视觉响应，其光灵敏度高。 视锥体(Cons)：结构上短而粗，数量少,约6.5 million，光灵敏度较低，它们提供明视(Photopic Vision)，其响应光亮度范围比视杆体要高56个数量级。在中间亮度范围是两种视觉细胞同时起作用。视锥体集中分布在视网膜中心。,视觉感知的低级感知层次,图1.1 眼睛的截面图,视觉感知的低级感知层次,光图象激活视杆体或视锥体时,发生光电化学反应，同时产生视神经脉冲，视觉系统散布视神经中有80万神经纤维，视觉系统传播视神经脉冲。许许多多的视杆体和视锥体相互连接到神经纤维上。 视觉系统的可视波长范围为 =350

4、nm780 nm; 视觉系统的可响应的亮度范围是:1或有10个量级的幅度范围。,视觉感知的低级感知层次,生理学已证实，视网膜中有叁种视锥体，具有不同的光谱特性，峰值吸收分别在光谱的红、绿、兰区域，从实测光谱吸收曲线可以看到视锥体主要对兰光响应，灵敏度相对低。而且，吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。,视觉感知的低级感知层次,视觉感知的高级感知层次,大脑对视神经纤维传送来的图象信息进行分析和理解，通过图象获得对周围世界感知的信息和知识。 人们对大脑的高级感知层次至今知之甚少,仍是生理学、神经科学、生物物理学、生物化学研究的重要课题。,生物视觉通路,二视觉的外在表现-视觉

5、现象(视觉特性),图象是周围世界的一种映射,而周围世界是一个能量场,它可以描述为： 其中,x,y,z为空间座标,为光波波长,t为时间. 而图象 是客观世界的一次摄影的结果,是能量场E的一个映射,即 :,二视觉的外在表现-视觉现象(视觉特性),对于运动图象,x,y,z都是时间 t 的函数,若在连续的不同时间获取图象,可以获得序列图象 对于按不同波段获取图象,可获得彩色图象或不同波段的图象信号(如遥感图象,医学图象等). 对于按不同视角,即不同的 x,y,z 间相互关系,可以得到不同视角的不同图象. 因此,视觉现象包括有视觉对光强,对各种波长、彩色的光谱效应,对物体边缘等空间频率变化的响应,以及视

6、觉对时间瞬时变化运动的响应.,（1）相对视敏函数:,人眼对不同波长的光有不同的敏感度,不同波长而幅射功率相同的光不仅给人以不同的色彩感觉,而且亮度感觉也不同. 设具有光幅射 的空间、波长分布的物体的亮度感觉为: 为视觉系统的相对视敏函数(Relative luminous efficiency function of the Vision System). 对于人眼, 是钟形曲线，,（1）相对视敏函数:,视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所不同，对视锥体情况，在 =555nm 时绿光亮度最敏感，对视杆体暗视情况,则 =505nm 时最敏感。 图1.2 相对视敏度曲线,（2）对比度的灵敏度和同时对比

7、度,眼睛对光强的响应是非线性的。一块光强为 的小块被背景强度 I 所包围，则可觉察的差值 是I的函数,即对视觉敏感的是对比度，而不是亮度值本身。 韦伯定理(Webers Law)：如果一个物体的亮度与其周围背景I有刚刚可觉察得到的差别,则它们的比值是I的函数。其在一定的亮度范围内,近似不变,为常数值 0.02，这称为韦伯比。即： (常数) 人眼视觉系统对亮度的响应具有对数性质，是单调的非线性系统。实验证明，这一非线性接近 的幂指数函数。人眼通过这一对数性质,达到宽达 的视觉亮度范围的。,（2）对比度的灵敏度和同时对比度,图1.3，图象对比度模型,（3）马赫带(Mach Bands),一个物体和

8、它周围的亮度的交互作用,产生一种称为马赫带的效应。这个效应说明视觉的明亮程度并不是亮度的单调函数，例如,灰阶条带图象呈现的明亮视觉感觉沿着条带是不均匀的,在条带过渡部分具有负轮廓的边缘，这就说明了马赫带效应。 马赫带效应可以用以估计视觉系统的冲激响应。冲激响应负瓣的出现，称为视觉的侧抑制现象(Lateral Inhibition)。冲激响应值代表被视杆体和视锥体接收器的相对空间加权值。负瓣指示在给定位置上的神经信号(Postretinal)被某些侧位的接收器所禁止。,（3）马赫带(Mach Bands),图1.4 马赫带效应,（3）马赫带(Mach Bands),图1.4 马赫带效应,视觉系统

9、的冲击响应,图1.5 视觉系统冲击响应,视觉系统的冲击响应,图1.5 视觉系统冲击响应,视觉系统的调制传输函数MTF,用马赫带效应测量了视觉系统的在空间座标的冲激响应，这一冲激响应的 Fourier 变换给出了视觉系统的空间频率响应，由它可以确定视觉系统的调制传输函数MTF。 视觉系统的空间频率响应这频率响应类似于带通泸波器的响应曲线,并展示了人的视觉系统对中间频率最敏感,而对高频最不敏感。 实际上，视觉系统的空间频率响应还与空间频率的取向有关，视觉系统的空间频率响应灵敏度在水平和垂直方向最大，当最大偏离为 度时,角度灵敏度变化在3db以内。,视觉系统的调制传输函数MTF,图1.6 视觉系统的

10、调制传输函数MTF,视觉系统的调制传输函数MTF,作为近似,MTF 可以被看作为各向同性并忽略其相位效应,视觉系统的频率响应可近似由公式表示为 cycles/degree 此处, 是常数，对于 时， 是频率响应的峰值点频率。例如，在图象编码的应用中,采用A=2.6, =0.0192, = =8.772，和 =1.1，是有用的。,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),视觉的瞬时性质在处理运动图象和图象显示设计时变得十分重要. A. Blochs Law 能量相等而不同持续时间的光闪烁,在持续时间低于一个临界值以下是不能辨识的. 当眼睛适应于中等亮度时的临界

11、持续时间是30 ms,当眼睛更多适应于黑暗时,则临界持续时间将变长.,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),B. 临界熔合频率Critical Fusion Frequency (CFF) 缓慢的闪烁光的每单个闪烁都可辨识,但当闪烁频率高于临界闪烁频率时,闪烁将不再与具有同样平均强度的稳定发光相区别.一般来说,这个频率不超过5060HZ.这是视觉暂留,是电影和电视的基础. C. Spatial versus Temporal Effects 眼睛对高空间频率的闪烁的敏感高于对低空间频率的闪烁的敏感度.,视觉的瞬时性质(Temporal Propertie

12、s of Vision),在图象编码中,对运动图象的编码时,除了边缘以外的任何地方可以进行亚取样,以压缩码率. 同样的原因,非隔行光栅的监视器(闪烁频率高,可保留良好的高清析度细节)比隔行光栅(闪烁频率低,对低空间频率已足够)可提供高空间解析度的图象显示.,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),图1.7 闪烁场的瞬时调制传输函数MTF,5）彩色视觉特性,彩色的利用不仅喜人,且可获得更多的信息： 视觉仅能感知十余级灰阶, 彩色感知但却能区分上千种彩色； 彩色视觉特性是亮度(Brightness)、色调(Hue)和饱和度(Saturation)。 亮度表示感

13、受到的光强度（Luminance）, 色调表示颜色， 饱和度是彩色中包含白光的多少； 彩色空间的感知表示：图,彩色空间感知的表示,彩色的表示:,彩色的表示是基于Tomas Young提出的三基色原理： “任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生” 生理学已证明，视网膜中有叁种视锥体，具有不同的吸收光谱， ，其中， ， ， 。 吸收光谱响应的峰值分别在光谱的红(黄绿)、绿、兰区域。而且，吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。 三基色相加混色：红、绿、兰三基色；三基色相减混色：黄、青、紫（黄、兰、红）,三基色原理,基于三基色原理，一个光谱能量分布为 的有色光所产生的彩色感觉

14、，可用谱响应来描述：即： 如果， 和 是两个光谱分布，它们产生的响应 和 满足： 则认为彩色 和 是相同的。因此，往往两个彩色看似相同，但却会有不同的谱分布。,三基色原理,彩色匹配和再生,利用一组光源将彩色再生是彩色研究中的基本问题之一。 三个线性独立的基本光源，其光谱能量分布 对任意光源 的匹配为：,彩色匹配Grassmans定理,1.任何彩色可以用至多三种彩色光所匹配； 2. 混合彩色的亮度是等于其混合分量的亮度之和; 3.人眼不能分解彩色混色的各分量; 4.在一个亮度水平上的彩色匹配将在很宽的亮度范围内保持; 5.匹配的彩色相加后仍然保持匹配; 6.匹配的彩色混合相减后仍然保持匹配; 7.彩色匹配的传递定理; 8.三种彩色匹配: 直接的和间接的。,CIE谱基元系统的谱匹配三激励曲线,CI E谱基元系统的彩色色度图,单色视觉系统的简化模型,人类视觉感知能力的特点,人类视觉系统在对物体的识别上有特殊强大的功能；但在对灰度、距离和面积的绝对的估计上却有某些欠缺； 以传感器单元的数目比较