二视觉.docx
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二视觉
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(MachBands)和视觉系统的调制传输函数MTF
(4)视觉的瞬时性质(TemporalPropertiesofVision)
(5)彩色视觉特性
(6)图象逼真度准则
第二章视觉和视觉特性:
为了有效地设计成象系统,其输出显示供人们观察,我们观察和估计图象是经过我们的视觉系统的处理的,因此不能想象图象处理不考虑人类的视觉系统,因此了解人类视觉机理是十分重要的。
例如,我们需要了解,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?
我们估计和比较距离和面积的精度是多少?
人的视觉中彩色起什麽作用?
人们对于自己视觉机构的生理物理过程的了解,目前还处于低级阶段,认识还很不完善和有局限性。
根据目前的认识,我们可以看到:
一.视觉感知:
是视觉的内在表象。
人类的视觉系统或视觉感知可以分成两个层次:
(1).低级层次:
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。
视网膜上有杆状体和锥状体这两类视觉接收器:
视杆体(Rods):
细长而薄,数量上约100million,它们提供暗视(ScotopicVision),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6.5million,光灵敏度较低,它们提供明视(PhotopicVision),其响应光亮度范围比视杆体要高5~6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。
图1.1眼睛的截面图
生理学已证实,视网膜中有叁种视锥体,它们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。
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350nm~780nm;
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。
(2).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,通过图象获得周围世界的信息和知识。
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。
二.视觉的外在表现----视觉现象(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,
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
对于运动图象,
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,不统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:
称为视觉系统的相对视敏函数(RelativeluminousefficiencyfunctionoftheVisionSystem).对于人眼,
是钟形曲线,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。
按照韦伯定理(Weber’sLaw),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,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)
这意味着,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。
人眼正是通过这一对数性质,达到宽达
的视觉亮度范围的.
图1.3,图象对比度模型
(3)马赫带(MachBands)和视觉系统的调制传输函数MTF
一个物体和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(LateralInhibition)。
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。
图1.4马赫带效应图1.5视觉系统冲击响应
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。
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。
图1.6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。
(4)视觉的瞬时性质(TemporalPropertiesofVision)
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.Bloch’sLaw
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持续时间是30ms,当眼睛更多适应于黑暗时,则临界持续时间将变长.
B.临界熔合频率CriticalFusionFrequency(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50~60HZ.这是视觉暂留,是电影和电视的基础.
C.SpatialversusTemporalEffects
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.
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.
图1.7闪烁场的瞬时调制传输函数MTF
(5)彩色视觉特性
彩色视觉特性是亮度(Brightness)、色调(Hue)和饱和度(Saturation).亮度表示视觉感受到的光强度(Luminance),彩色的色调是
从我们对人类视觉的观察可以得出如下结论:
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。
当然,视觉系统的性能是和视觉图象如何处理密切相关的,我们试图用一些数值来测量视觉系统的能力,例如,传感器单元的数目和它每次执行运算的数目等。
视网膜包含接近130millions光接收器,这极大的大于CCD片上的传感器单元数。
和计算机的时钟频率相比,神经处理单元的开关时间将比之大约慢
倍。
不论这慢的定时和大量的接收器,人类的视觉系统是比计算机视觉系统要强大得多。
它能实时分析复杂的景物以使我们能即时的反应。
计算机视觉研究的重要发展使得对人类视觉系统了解的进展。
例如,对图象处理的金字塔数据结构,局域取向的概念,用滤波技术确定运动等。
图1.1眼睛的截面图图1.2相对视敏度曲线
图1.3,图象对比度模型图1.4马赫带效应
图1.5视觉系统冲击响应
图1.6视觉系统的调制传输函数MTF
图1.7闪烁场的瞬时调制传输函数MTF
图1.8对距离和面积估计的测试图象
(a)具有大到5%长度差的平行线
(b)具有大到10%半径差的圆
(c)垂直线显得长,虽然它和水平线的长度相同.
(d)上面的线显得比下面的线要长,虽然它们长度相等