视觉系统原理

视觉感知的低级感知层次
–图1.1 眼睛的截面图 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 光图象激活视杆体或视锥体时, 光图象激活视杆体或视锥体时 化学反应，同时产生视神经脉冲 同时产生视神经脉冲，视觉系 化学反应 同时产生视神经脉冲 统散布视神经中有80万神经纤维 视觉系 80万神经纤维 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 统传播视神经脉冲 视锥体相互连接到神经纤维上。 λ –视觉系统的可视波长范围为 =350 nm～ 350 nm～ nm; 780 nm –视觉系统的可响应的亮度范围是:1～或有 1 10个 10个量级的幅度范围。
α
−1
视觉的瞬时性质(Temporal 视觉的瞬时性质 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. Bloch’s 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.
视觉系统原理
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)和视觉系统的调制传输函 数MTF 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
视觉的瞬时性质(Temporal 视觉的瞬时性质 Properties of Vision)
临界熔合频率Critical Fusion Frequency (CFF) B. 临界熔合频率 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. 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.
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： E ( x , y , z , λ , t )
• 其中,x,y,z为空间座标,为光波波长,t为时间. t • 而图象 I ( x, y, λ ) 是客观世界的一次摄影的结果, 是能量场E的一个映射,即
x1 p x p x2, y1 p y p y2 I(x, y, λ) = f E x, y, z, λ,t z1 p z p z2 λ1 p λ p λ2 •: t1 p t p t2
2 ρ = ω12 + ω 2 cycles/degree 此处,A,α , β , ρ 0是常数，对于 α =0, β =1时，ρ 0 是频 率响应的峰值点频率。例如，在图象编码的应用 ρ β . 114 中,采用A=2.6, =0.0192, (0 = ) =8.772， 0 和 =1.1，是有用的。
三基色原理 三基色原理
0
∞
• V(λ) 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: 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 λ 锥体情况，在 =555nm 时绿光亮度最敏感，对 λ 视杆体暗视情况,则 =505nm 时最敏感。
Байду номын сангаас
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 视网膜中有叁种视锥体， 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 这是三基色原 理的生理基础。 理的生理基础
视觉的瞬时性质(Temporal 视觉的瞬时性质 Properties of Vision)
• 图1.7
闪烁场的瞬时调制传输函数MTF 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) (Hue)和 (Hue) 饱和度(Saturation)。 亮度表示感受到的光强度（Luminance）, （ ） 色调表示颜色， 饱和度是彩色中包含白光的多少； 白光的多少； 白光的多少 • 彩色空间的感知表示：图 彩色空间的感知表示：
一．视觉感知：是视觉的内在表象 视觉感知：
• 视觉低级感知层次： 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 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 膜上作为视觉接收器 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 锥状体 杆状体和锥状体 杆状体 锥状体两类视觉接收器；
–视杆体(Rods)：细长而薄，数量上约100 视杆体(Rods)： 视杆体(Rods) 100 million，它们提供暗视 暗视(Scotopic Vision),即 暗视 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 视锥体( 视锥体 ) 6.5 million，光灵敏度较低，它们提供明视 提供明视 (Photopic Vision)，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 5 视觉细胞同时起作用。视锥体集中分布在视网 视锥体集中分布在视网 膜中心。 膜中心
（3）马赫带(Mach Bands) 马赫带(Mach
•
图1.4
马赫带效应
（3）马赫带(Mach Bands) 马赫带(Mach
•
图1.4
马赫带效应
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 视觉系统的调制传输函数MTF
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： 三基色原理 三基色 • “任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生” 任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生” 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 生理学已证明，视网膜中有叁种视锥体，具有不 λmin ≤ λ ≤ λmax ) S 同的吸收光谱，1 (λ ), S 2 (λ ), S 3 (λ，其 λ max 中， ≅ 780 nm λmin ≅ 380nm ， ， 。 • 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 这是三基色原理的生理基础。 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）
视觉的瞬时性质(Temporal 视觉的瞬时性质 Properties 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.
I
• 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 13 的幂指数函数。 人眼通过这一对数性质,达到宽达108 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 1.3，
（3）马赫带(Mach Bands) 马赫带(Mach
• 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(Lateral 侧抑制现象( 侧抑制现象 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。 ( )
（1）相对视敏函数: 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I (x, y, λ) 的空间、波长分布的物体 的亮度感觉为:
f (x , y ) =
∫ I (x , y , λ )V (λ )d λ
• 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 MTF。 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 450度时,角度灵敏度变化 在3db以内。
二．视觉的外在表现---视觉现象 视觉的外在表现---视觉现象 --(视觉特性) 视觉特性)
• 对于运动图象,x,y,z x,y,z都是时间 t 的函数,若在连 x,y,z 续的不同时间获取图象,可以获得序列图象 {I 1 , I 2 , L I n } • 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.
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 I + ∆I 的小 块被背景强度 I 所包围，则可觉察的差值 ∆I 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(Weber s Law)：如果一个物体的亮度与其周 Weber’s Law Weber 1 围背景I有刚刚可觉察得到的差别,则它们的比值是I的 3 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： ∆I = d (log I ) = ∆ c (常数)
视觉系统的调制传输函数MTF 视觉系统的调制传输函数MTF
• 图1.6 视觉系统的调制传输函数MTF 视觉系统的调制传输函数MTF
视觉系统的调制传输函数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 MTF 略其相位效应,视觉系统的频率响应可近似由 公式表示为
ρ β ρ H (ω1 , ω 2 ) = H ρ ( ρ ) = A α + exp − ρ ρ0 0
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---视觉现象 视觉的外在表现---视觉现象 --(视觉特性) 视觉特性)