視覺系統(tǒng)原理

視覺系統(tǒng)原理第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日一．視覺感知：是視覺的內(nèi)在表象視覺低級(jí)感知層次：視覺系統(tǒng)從外界獲取圖象，就是在眼睛視網(wǎng)膜上獲得周圍世界的光學(xué)成象，然后由視覺接收器(桿狀體和錐狀體在視網(wǎng)膜上作為視覺接收器)，將光圖象信息轉(zhuǎn)化為視網(wǎng)膜的神經(jīng)活動(dòng)電信息，最后通過視神經(jīng)纖維，把這些圖象信息傳送入大腦,由大腦獲得圖象感知。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺感知的低級(jí)感知層次視網(wǎng)膜上有桿狀體和錐狀體兩類視覺接收器；視桿體(Rods)：細(xì)長(zhǎng)而薄，數(shù)量上約100million，它們提供暗視(ScotopicVision),即在低幾個(gè)數(shù)量級(jí)亮度時(shí)的視覺響應(yīng)，其光靈敏度高。視錐體(Cons)：結(jié)構(gòu)上短而粗，數(shù)量少,約6.5

million，光靈敏度較低，它們提供明視(PhotopicVision)，其響應(yīng)光亮度范圍比視桿體要高5～6個(gè)數(shù)量級(jí)。在中間亮度范圍是兩種視覺細(xì)胞同時(shí)起作用。視錐體集中分布在視網(wǎng)膜中心。第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺感知的低級(jí)感知層次圖1.1眼睛的截面圖第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺感知的低級(jí)感知層次光圖象激活視桿體或視錐體時(shí),發(fā)生光電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生視神經(jīng)脈沖，視覺系統(tǒng)散布視神經(jīng)中有80萬神經(jīng)纖維，視覺系統(tǒng)傳播視神經(jīng)脈沖。許許多多的視桿體和視錐體相互連接到神經(jīng)纖維上。視覺系統(tǒng)的可視波長(zhǎng)范圍為=350nm～780nm;視覺系統(tǒng)的可響應(yīng)的亮度范圍是:1～或有10個(gè)量級(jí)的幅度范圍。第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺感知的低級(jí)感知層次生理學(xué)已證實(shí)，視網(wǎng)膜中有叁種視錐體，具有不同的光譜特性，峰值吸收分別在光譜的紅、綠、蘭區(qū)域，從實(shí)測(cè)光譜吸收曲線可以看到視錐體主要對(duì)蘭光響應(yīng)，靈敏度相對(duì)低。而且，吸收曲線有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺感知的低級(jí)感知層次第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺感知的高級(jí)感知層次大腦對(duì)視神經(jīng)纖維傳送來的圖象信息進(jìn)行分析和理解，通過圖象獲得對(duì)周圍世界感知的信息和知識(shí)。人們對(duì)大腦的高級(jí)感知層次至今知之甚少,仍是生理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)研究的重要課題。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日生物視覺通路第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日二．視覺的外在表現(xiàn)---視覺現(xiàn)象(視覺特性)圖象是周圍世界的一種映射,而周圍世界是一個(gè)能量場(chǎng),它可以描述為：其中,x,y,z為空間座標(biāo),為光波波長(zhǎng),t為時(shí)間.而圖象是客觀世界的一次攝影的結(jié)果,是能量場(chǎng)E的一個(gè)映射,即:第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日二．視覺的外在表現(xiàn)---視覺現(xiàn)象(視覺特性)對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖象,x,y,z都是時(shí)間t的函數(shù),若在連續(xù)的不同時(shí)間獲取圖象,可以獲得序列圖象對(duì)于按不同波段獲取圖象,可獲得彩色圖象或不同波段的圖象信號(hào)(如遙感圖象,醫(yī)學(xué)圖象等).對(duì)于按不同視角,即不同的x,y,z間相互關(guān)系,可以得到不同視角的不同圖象.因此,視覺現(xiàn)象包括有視覺對(duì)光強(qiáng),對(duì)各種波長(zhǎng)、彩色的光譜效應(yīng),對(duì)物體邊緣等空間頻率變化的響應(yīng),以及視覺對(duì)時(shí)間瞬時(shí)變化運(yùn)動(dòng)的響應(yīng).第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日（1）相對(duì)視敏函數(shù):人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的敏感度,不同波長(zhǎng)而幅射功率相同的光不僅給人以不同的色彩感覺,而且亮度感覺也不同.設(shè)具有光幅射的空間、波長(zhǎng)分布的物體的亮度感覺為:

為視覺系統(tǒng)的相對(duì)視敏函數(shù)(RelativeluminousefficiencyfunctionoftheVisionSystem).

對(duì)于人眼,是鐘形曲線，第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日（1）相對(duì)視敏函數(shù):視桿體和視錐體的相對(duì)視敏曲線有所不同，對(duì)視錐體情況，在=555nm時(shí)綠光亮度最敏感，對(duì)視桿體暗視情況,則=505nm時(shí)最敏感。圖1.2相對(duì)視敏度曲線第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日（2）對(duì)比度的靈敏度和同時(shí)對(duì)比度眼睛對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)是非線性的。一塊光強(qiáng)為的小塊被背景強(qiáng)度I所包圍，則可覺察的差值是I的函數(shù),即對(duì)視覺敏感的是對(duì)比度，而不是亮度值本身。韋伯定理(Weber’sLaw)：如果一個(gè)物體的亮度與其周圍背景I有剛剛可覺察得到的差別,則它們的比值是I的函數(shù)。其在一定的亮度范圍內(nèi),近似不變,為常數(shù)值0.02，這稱為韋伯比。即：

(常數(shù))人眼視覺系統(tǒng)對(duì)亮度的響應(yīng)具有對(duì)數(shù)性質(zhì)，是單調(diào)的非線性系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，這一非線性接近的冪指數(shù)函數(shù)。人眼通過這一對(duì)數(shù)性質(zhì),達(dá)到寬達(dá)的視覺亮度范圍的。第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日（2）對(duì)比度的靈敏度和同時(shí)對(duì)比度圖1.3，圖象對(duì)比度模型第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日（3）馬赫帶(MachBands)一個(gè)物體和它周圍的亮度的交互作用,產(chǎn)生一種稱為馬赫帶的效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)說明視覺的明亮程度并不是亮度的單調(diào)函數(shù)，例如,灰階條帶圖象呈現(xiàn)的明亮視覺感覺沿著條帶是不均勻的,在條帶過渡部分具有負(fù)輪廓的邊緣，這就說明了馬赫帶效應(yīng)。馬赫帶效應(yīng)可以用以估計(jì)視覺系統(tǒng)的沖激響應(yīng)。沖激響應(yīng)負(fù)瓣的出現(xiàn)，稱為視覺的側(cè)抑制現(xiàn)象(LateralInhibition)。沖激響應(yīng)值代表被視桿體和視錐體接收器的相對(duì)空間加權(quán)值。負(fù)瓣指示在給定位置上的神經(jīng)信號(hào)(Postretinal)被某些側(cè)位的接收器所禁止。第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日（3）馬赫帶(MachBands)圖1.4馬赫帶效應(yīng) 第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日（3）馬赫帶(MachBands)圖1.4馬赫帶效應(yīng) 第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)圖1.5視覺系統(tǒng)沖擊響應(yīng)第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)圖1.5視覺系統(tǒng)沖擊響應(yīng)第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF用馬赫帶效應(yīng)測(cè)量了視覺系統(tǒng)的在空間座標(biāo)的沖激響應(yīng)，這一沖激響應(yīng)的Fourier

變換給出了視覺系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)，由它可以確定視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF。視覺系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)這頻率響應(yīng)類似于帶通瀘波器的響應(yīng)曲線,并展示了人的視覺系統(tǒng)對(duì)中間頻率最敏感,而對(duì)高頻最不敏感。實(shí)際上，視覺系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)還與空間頻率的取向有關(guān)，視覺系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)靈敏度在水平和垂直方向最大，當(dāng)最大偏離為度時(shí),角度靈敏度變化在3db以內(nèi)。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF圖1.6視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF

作為近似,MTF

可以被看作為各向同性并忽略其相位效應(yīng),視覺系統(tǒng)的頻率響應(yīng)可近似由公式表示為

cycles/degree此處,是常數(shù)，對(duì)于時(shí)，是頻率響應(yīng)的峰值點(diǎn)頻率。例如，在圖象編碼的應(yīng)用中,采用A=2.6,=0.0192,==8.772，和=1.1，是有用的。第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺的瞬時(shí)性質(zhì)(TemporalPropertiesofVision)視覺的瞬時(shí)性質(zhì)在處理運(yùn)動(dòng)圖象和圖象顯示設(shè)計(jì)時(shí)變得十分重要.A.Bloch’sLaw能量相等而不同持續(xù)時(shí)間的光閃爍,在持續(xù)時(shí)間低于一個(gè)臨界值以下是不能辨識(shí)的.當(dāng)眼睛適應(yīng)于中等亮度時(shí)的臨界持續(xù)時(shí)間是30ms,當(dāng)眼睛更多適應(yīng)于黑暗時(shí),則臨界持續(xù)時(shí)間將變長(zhǎng).第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺的瞬時(shí)性質(zhì)(TemporalPropertiesofVision)B.

臨界熔合頻率CriticalFusionFrequency(CFF)緩慢的閃爍光的每單個(gè)閃爍都可辨識(shí),但當(dāng)閃爍頻率高于臨界閃爍頻率時(shí),閃爍將不再與具有同樣平均強(qiáng)度的穩(wěn)定發(fā)光相區(qū)別.一般來說,這個(gè)頻率不超過50～60HZ.這是視覺暫留,是電影和電視的基礎(chǔ).C.

SpatialversusTemporalEffects眼睛對(duì)高空間頻率的閃爍的敏感高于對(duì)低空間頻率的閃爍的敏感度.第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺的瞬時(shí)性質(zhì)(TemporalPropertiesofVision)在圖象編碼中,對(duì)運(yùn)動(dòng)圖象的編碼時(shí),除了邊緣以外的任何地方可以進(jìn)行亞取樣,以壓縮碼率.同樣的原因,非隔行光柵的監(jiān)視器(閃爍頻率高,可保留良好的高清析度細(xì)節(jié))比隔行光柵(閃爍頻率低,對(duì)低空間頻率已足夠)可提供高空間解析度的圖象顯示.第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日視覺的瞬時(shí)性質(zhì)(TemporalPropertiesofVision)圖1.7閃爍場(chǎng)的瞬時(shí)調(diào)制傳輸函數(shù)MTF第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日5）彩色視覺特性彩色的利用不僅喜人,且可獲得更多的信息：視覺僅能感知十余級(jí)灰階,

彩色感知但卻能區(qū)分上千種彩色；彩色視覺特性是亮度(Brightness)、色調(diào)(Hue)和飽和度(Saturation)。亮度表示感受到的光強(qiáng)度（Luminance）,

色調(diào)表示顏色，飽和度是彩色中包含白光的多少；彩色空間的感知表示：圖第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日彩色空間感知的表示第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日彩色的表示:彩色的表示是基于TomasYoung提出的三基色原理：“任何彩色可以用合適的三種基本色混合而再生”生理學(xué)已證明，視網(wǎng)膜中有叁種視錐體，具有不同的吸收光譜，，其中，，，。 吸收光譜響應(yīng)的峰值分別在光譜的紅(黃綠)、綠、蘭區(qū)域。而且，吸收曲線有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。三基色相加混色：紅、綠、蘭三基色；

三基色相減混色：黃、青、紫（黃、蘭、紅）第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日三基色原理基于三基色原理，一個(gè)光譜能量分布為的有色光所產(chǎn)生的彩色感覺，可用譜響應(yīng)來描述：即：

如果，和是兩個(gè)光譜分布，它們產(chǎn)生的響應(yīng)和滿足：

則認(rèn)為彩色和是相同的。因此，往往兩個(gè)彩色看似相同，但卻會(huì)有不同的譜分布。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日三基色原理第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日彩色匹配和再生利用一組光源將彩色再生是彩色研究中的基本問題之一。三個(gè)線性獨(dú)立的基本光源，其光譜能量分布對(duì)任意光源的匹配為：第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日彩色匹配Grassman’s定理1.任何彩色可以用至多三種彩色光所匹配；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.在一個(gè)亮度水平上的彩色匹配將在很寬的亮度范圍內(nèi)保持;5.匹配的彩色相加后仍然保持匹配;6.匹配的彩色混合相減后仍然保持匹配;7.彩色匹配的傳遞定理;8.三種彩色匹配:直接的和間接的。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日CIE譜基元系統(tǒng)的譜匹配三激勵(lì)曲線第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日CIE譜基元系統(tǒng)的彩色色度圖第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日單色視覺系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日人類視覺感知能力的特點(diǎn)人類視覺系統(tǒng)在對(duì)物體的識(shí)別上有特殊強(qiáng)大的功能；但在對(duì)灰度、距離和面積的絕對(duì)的估計(jì)上卻有某些欠缺；以傳感器單元的數(shù)目比較：視網(wǎng)膜包含接近130millions

光接收器，這極大的大于CCD片上的傳感器單元數(shù)；和它每次執(zhí)行運(yùn)算的數(shù)目比較：和計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率相比，神經(jīng)處理單元的開關(guān)時(shí)間將比之大約慢倍；不論這慢的定時(shí)和