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