數(shù)字視頻處理

數(shù)字視頻處理第1頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.1視覺(jué)特性人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)(HVS)是人類(lèi)獲取外界圖像、視頻信息的工具。光輻射刺激人眼時(shí)，將會(huì)引起復(fù)雜的生理和心理變化，這種感覺(jué)就是視覺(jué)。視覺(jué)是人類(lèi)最重要、同時(shí)也是最完美的感知手段，研究人的視覺(jué)特性對(duì)于進(jìn)行視頻處理具有重要的指導(dǎo)意義，研究包括光學(xué)、色度學(xué)、視覺(jué)生理學(xué)、視覺(jué)心理學(xué)、解剖學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知科學(xué)等許多科學(xué)領(lǐng)域第2頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.1.1視覺(jué)形成晶狀體：調(diào)節(jié)焦距視網(wǎng)膜：由大量的光敏細(xì)胞和神經(jīng)纖維組成光敏細(xì)胞包括：

1）錐狀細(xì)胞：主要在明亮環(huán)境起作用2）桿狀細(xì)胞：主要在黑暗環(huán)境起作用第3頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)形成視覺(jué)是由眼球接收外界光刺激，通過(guò)視神經(jīng)、大腦中的視覺(jué)中樞的共同活動(dòng)來(lái)完成的：外界物體發(fā)出或反射的光線(xiàn)，從角膜、瞳孔進(jìn)入眼球，穿過(guò)如放大鏡的晶狀體，使光線(xiàn)聚焦在眼底的視網(wǎng)膜上，形成物體的像第4頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)形成圖像刺激視網(wǎng)膜上的光敏細(xì)胞，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，沿著視神經(jīng)傳到大腦的視覺(jué)中樞，在那里進(jìn)行分析和整理，產(chǎn)生具有形態(tài)、大小、明暗、色彩和運(yùn)動(dòng)的視覺(jué)由于晶狀體的凸度可以由睫狀肌調(diào)節(jié)，因此在一定范圍內(nèi)，不同遠(yuǎn)近的物體，都可以形成清晰的圖像落在視網(wǎng)膜上第5頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)形成光敏細(xì)胞桿狀細(xì)胞：能幫助我們看到較暗環(huán)境下的景物，但只能分辨出景物的明亮程度，不能分辨出其色度錐狀細(xì)胞：既能分辨出景物的明亮程度，又能分辨出其色度總的來(lái)說(shuō)，人眼對(duì)亮度的敏感程度比對(duì)色度的敏感程度高圖像可以由亮度（明亮程度）和色度（色彩）共同表示第6頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)形成人既有桿狀細(xì)胞，又有錐狀細(xì)胞，所以白天晚上均可以分辨物體貓頭鷹只有桿狀細(xì)胞，沒(méi)有錐狀細(xì)胞，所以它在夜間視覺(jué)敏銳，一到白天就什么也看不見(jiàn)，它也不能感覺(jué)色彩，是個(gè)十足的色盲與貓頭鷹相反，鴿子和雞卻只有錐狀細(xì)胞，沒(méi)有桿狀細(xì)胞，所以是天生的夜盲第7頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.1.2人的視覺(jué)特性第8頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五明視覺(jué)/暗視覺(jué)明視覺(jué)也稱(chēng)為日間視覺(jué)，是指人眼白天對(duì)各種波長(zhǎng)的光的敏感程度暗視覺(jué)也稱(chēng)為夜間視覺(jué)，是人眼在夜晚或微弱光線(xiàn)下對(duì)光的敏感程度第9頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視敏度人眼對(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(jué)，而且亮度感覺(jué)也不同在產(chǎn)生相同亮度感覺(jué)的情況下，測(cè)出各種波長(zhǎng)光的輻射功率P(λ)P(λ)的倒數(shù)可用來(lái)衡量視覺(jué)對(duì)波長(zhǎng)為λ的光的敏感程度，即視敏度，用K(λ)表示第10頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五相對(duì)視敏度實(shí)測(cè)表明，在明視覺(jué)條件下人眼對(duì)波長(zhǎng)555nm的光（黃綠光）有最大視敏度Km=K(555)明視覺(jué)相對(duì)視敏度：任意波長(zhǎng)光的視敏度K(λ)與Km之比暗視覺(jué)條件下人眼對(duì)波長(zhǎng)為510nm的光（藍(lán)綠光）亮度最敏感（最大視敏度）第11頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五桿狀細(xì)胞對(duì)短波成分更敏感錐狀細(xì)胞對(duì)長(zhǎng)波成分更敏感相對(duì)視頻度第12頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五相對(duì)視敏度相對(duì)視敏函數(shù)曲線(xiàn)表明，要使人眼產(chǎn)生相同的亮度感覺(jué)，不同波長(zhǎng)的光必須施以不同的照明功率；反之，在受到完全相同的輻射功率的刺激時(shí)，人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的亮度感覺(jué)是不同的第13頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視亮度亮度是輻射光或反射光的強(qiáng)度，即光的能量人眼的亮度感覺(jué)（視亮度）是一個(gè)主觀量，它不僅取決于景物給出的亮度值，而且還與人眼對(duì)周?chē)h(huán)境的平均亮度的適應(yīng)特性有關(guān)第14頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視亮度和亮度的關(guān)系1如果一個(gè)物體的亮度I+△I與其周?chē)尘癐有剛剛可覺(jué)察的差別（最小可覺(jué)差）,則△I和I的比值是在一定的亮度范圍內(nèi)近似不變：II+I人眼不能察覺(jué)的亮度差別，在重現(xiàn)景象上也無(wú)需精確復(fù)制出來(lái)第15頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視亮度和亮度的關(guān)系2兩種光敏細(xì)胞的感覺(jué)不同當(dāng)眼睛適應(yīng)于不同平均亮度時(shí)，其亮度視覺(jué)范圍不同同一亮度在不同條件下對(duì)人眼可引起不同的視亮度第16頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)比效應(yīng)亮度對(duì)比效應(yīng)——人眼對(duì)亮暗程度所形成的“黑”、“白”感覺(jué)具有相對(duì)性第17頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五對(duì)比效應(yīng)重現(xiàn)景物的亮度范圍無(wú)需與實(shí)際景物的相等，只需保持與環(huán)境亮度間的對(duì)比度（相對(duì)亮度）相同就能給人以真實(shí)的感覺(jué)人眼的明暗（黑白）感覺(jué)是相對(duì)的，正因?yàn)槿绱耍⒉环从尘拔飳?shí)際亮度的電影和電視，卻能給人以真實(shí)的亮度感覺(jué)第18頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五人眼的適應(yīng)性暗適應(yīng)——當(dāng)我們進(jìn)入黑洞洞的暗房，什么也看不見(jiàn)，但一會(huì)兒眼睛就適應(yīng)亮適應(yīng)——半夜起床開(kāi)了燈的瞬間,由于人眼不能馬上適應(yīng)亮度的變化,會(huì)處于暫時(shí)失明的狀態(tài)適應(yīng)性——人眼需要一定的時(shí)間來(lái)重新達(dá)到最大靈敏度,并恢復(fù)辨別物體的細(xì)微特征的能力第19頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五馬赫帶效應(yīng)(MachBandsEffect)人眼對(duì)圖像邊緣特別敏感，圖為5個(gè)不同亮度的條帶，每個(gè)條帶內(nèi)的亮度是一常數(shù)，我們可以感到有強(qiáng)烈邊緣效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為馬赫帶效應(yīng)第20頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五馬赫帶效應(yīng)人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)在不同亮度區(qū)域邊緣周?chē)摹扒氛{(diào)”和“過(guò)調(diào)”現(xiàn)象雖然條帶的亮度恒定，但是實(shí)際感覺(jué)條帶邊緣亮度有變化當(dāng)亮度發(fā)生躍變時(shí)，會(huì)有一種邊緣增強(qiáng)的感覺(jué)，視覺(jué)上會(huì)感到亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗第21頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力分辨力是指人眼在觀看景物時(shí)對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力對(duì)人眼進(jìn)行分辨力測(cè)試的方法是在眼睛的正前方放一塊白色的屏幕，屏幕上面有兩個(gè)相距很近的小黑點(diǎn)，逐漸增加畫(huà)面與眼睛之間的距離，當(dāng)距離增加到一定長(zhǎng)度時(shí)，人眼就分辨不出有兩個(gè)黑點(diǎn)存在，感覺(jué)只有一個(gè)黑點(diǎn)第22頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力這說(shuō)明眼睛分辨景色細(xì)節(jié)的能力有一個(gè)極限值，我們將這種分辨細(xì)節(jié)的能力稱(chēng)為人眼的分辨力或視覺(jué)銳度第23頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力人眼的最小視角取決于相鄰兩個(gè)視敏細(xì)胞之間的距離對(duì)于正常視力的人，在中等亮度情況下觀看靜止圖像時(shí)，θ為1~1.5′影響人眼分辨力的主要因素有：環(huán)境照度、景物的對(duì)比度、被觀察物體的距離及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等第24頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素被觀察景物的位置越近，其分辨力就越高當(dāng)環(huán)境照度較低時(shí)，人眼受到光的刺激的強(qiáng)度小，分辨力就會(huì)下降但是環(huán)境照度過(guò)大時(shí)，分辨力不再增加，甚至由于眩目現(xiàn)象，分辨力反而有所降低對(duì)比度越高，分辨力也就越高第25頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx第26頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素人眼對(duì)于靜止物體的分辨力高，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的分辨力低運(yùn)動(dòng)速度越快，分辨力就越低對(duì)于水平方向的平移運(yùn)動(dòng)和垂直方向的平移運(yùn)動(dòng)，前者的分辨力高，這是因?yàn)檠矍蜃笥乙苿?dòng)方便，容易跟蹤物體的運(yùn)動(dòng)對(duì)于物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于眼球不易跟蹤，因此分辨力較低第27頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素人眼對(duì)有色彩細(xì)節(jié)的分辨力要遠(yuǎn)比對(duì)黑白細(xì)節(jié)的分辨力低如用白粉筆在黑板上寫(xiě)字看得清楚，而用藍(lán)粉筆在黑板上寫(xiě)字就看得不那么清楚實(shí)驗(yàn)還表明，人眼對(duì)不同色彩細(xì)節(jié)的分辨力也不相同若人眼對(duì)黑白細(xì)節(jié)的分辨力定為100％，則對(duì)其它不同色彩細(xì)節(jié)的分辨力如表格所示第28頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素第29頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五不同亮度分級(jí)下的圖像第30頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視野（周邊視覺(jué)范圍）在相同的亮度水平下，不論明視覺(jué)還是暗視覺(jué)，短波成份多的藍(lán)綠色比長(zhǎng)波成分多的紅色光源有更大的視野第31頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)惰性實(shí)驗(yàn)證明，人眼的主觀亮度感覺(jué)與客觀光的亮度在時(shí)間上是不同步的當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于視網(wǎng)膜時(shí)，不能在瞬間形成穩(wěn)定的主觀亮度感覺(jué)，而是按近似指數(shù)規(guī)律上升；當(dāng)亮度突然消失后，人眼的亮度感覺(jué)也并不是不立即消失，而是按近似指數(shù)規(guī)律下降人眼的亮度感覺(jué)總是滯后于實(shí)際亮度的，這一特性稱(chēng)為視覺(jué)惰性或視覺(jué)暫留第32頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)惰性(a)表示作用于人眼的光脈沖，(b)表示該光脈沖造成的主觀亮度感覺(jué)，它滯后于實(shí)際的光脈沖；光脈沖消失后，亮度感覺(jué)還要一段時(shí)間才能消失(b)中t1～t2就是視覺(jué)暫留時(shí)間在中等亮度的光刺激下，視力正常的人視覺(jué)暫留時(shí)間約為0.1秒第33頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)惰性電視和電影充分利用了人眼的這一特性，采用多幀連續(xù)圖像序列(視頻)在一定時(shí)間內(nèi)的連續(xù)播放，給人以較好的連續(xù)運(yùn)動(dòng)景物的感覺(jué)第34頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五視覺(jué)惰性視頻幀率（Framerate）至少是15幀/秒的時(shí)候，人眼才有連貫的感覺(jué)第35頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五閃爍感覺(jué)當(dāng)人眼受到周期性光脈沖照射時(shí)，若重復(fù)的頻率不太高，則會(huì)產(chǎn)生忽明忽暗的閃爍感覺(jué)若將重復(fù)頻率提高到某一定值以上，人眼就感覺(jué)不到閃爍了，而形成均勻的非閃爍光源的感覺(jué)不引起閃爍感覺(jué)的光脈沖最低的重復(fù)頻率，稱(chēng)為臨界閃爍頻率第36頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五閃爍感覺(jué)臨界閃爍頻率與很多因素有關(guān)，其中最重要的是光脈沖亮度，隨著光脈沖亮度的提高，臨界閃爍頻率也會(huì)提高明亮?xí)r間的占空比、相繼兩幀圖像本身的亮度分布和色彩、觀看者到畫(huà)面的距離以及環(huán)境等，也都對(duì)臨界閃爍頻率有影響第37頁(yè)，共39頁(yè)，2023年，2月20日，星期五閃爍感覺(jué)人眼的臨界閃爍頻率約為46Hz對(duì)于重復(fù)頻率在臨界閃爍頻率以上的光