《視覺(jué)的底層處理》課件

視覺(jué)的底層處理視覺(jué)的底層處理是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的核心，它涉及對(duì)圖像進(jìn)行分析和解釋，從而提取有意義的信息。視覺(jué)信息處理的歷程1古代古希臘哲學(xué)家對(duì)視覺(jué)現(xiàn)象進(jìn)行了初步研究，但缺乏科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工具。217世紀(jì)開(kāi)普勒提出了眼睛像一個(gè)相機(jī)，將光線匯聚在視網(wǎng)膜上的理論。319世紀(jì)赫爾姆霍茲利用解剖學(xué)和生理學(xué)方法研究了眼睛和大腦的結(jié)構(gòu)和功能。420世紀(jì)借助電生理學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，人們對(duì)視覺(jué)信息處理的神經(jīng)機(jī)制有了更深入的理解。521世紀(jì)人工智能技術(shù)和腦科學(xué)的結(jié)合，推動(dòng)著對(duì)視覺(jué)感知和認(rèn)知的理解不斷深入。感受器:視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜是眼睛中感光組織，負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。視網(wǎng)膜包含兩種感光細(xì)胞：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。視桿細(xì)胞對(duì)弱光敏感，主要負(fù)責(zé)夜視，而視錐細(xì)胞對(duì)亮光敏感，主要負(fù)責(zé)顏色視覺(jué)。視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后傳遞給視神經(jīng)。視神經(jīng)將信號(hào)傳輸?shù)酱竽X，大腦再將信號(hào)解讀成視覺(jué)信息。視網(wǎng)膜是視覺(jué)信息處理的起點(diǎn)，其功能對(duì)于正常視覺(jué)至關(guān)重要。視神經(jīng)傳送信息1視神經(jīng)將視覺(jué)信息傳遞到大腦2神經(jīng)纖維攜帶神經(jīng)信號(hào)3視網(wǎng)膜感受光線4光線進(jìn)入眼睛視神經(jīng)由視網(wǎng)膜中光感受器細(xì)胞的軸突組成，這些軸突將視覺(jué)信息從眼睛傳遞到大腦。視神經(jīng)纖維將視覺(jué)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在視神經(jīng)中傳輸?shù)酱竽X。這些信號(hào)在視覺(jué)皮層中被進(jìn)一步處理，從而產(chǎn)生我們對(duì)世界的視覺(jué)感知。視覺(jué)通路視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜是眼睛中的光感受器層，接收光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。視神經(jīng)視神經(jīng)將視網(wǎng)膜上的信息傳送到大腦，連接著眼睛和大腦。丘腦丘腦是視覺(jué)信息的中轉(zhuǎn)站，將來(lái)自視神經(jīng)的信息傳遞到視覺(jué)皮層。視覺(jué)皮層視覺(jué)皮層是大腦中負(fù)責(zé)處理視覺(jué)信息的區(qū)域，位于后腦葉。視覺(jué)皮層的定位功能視覺(jué)皮層的定位功能視覺(jué)皮層負(fù)責(zé)處理來(lái)自眼睛的視覺(jué)信息。它位于大腦后部，由多個(gè)區(qū)域組成，每個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)特定的視覺(jué)任務(wù)。視覺(jué)皮層的定位功能是指它能夠識(shí)別物體的位置、形狀和大小等信息。這對(duì)于我們理解周圍環(huán)境至關(guān)重要。視覺(jué)皮層的定位功能視覺(jué)皮層包含多個(gè)區(qū)域，其中一些區(qū)域負(fù)責(zé)特定任務(wù)，例如識(shí)別物體的顏色、形狀、運(yùn)動(dòng)方向和深度。這些區(qū)域之間相互協(xié)作，共同完成視覺(jué)信息處理的任務(wù)。視覺(jué)皮層定位功能的實(shí)現(xiàn)依賴于神經(jīng)元的活動(dòng)。當(dāng)眼睛接收到來(lái)自物體的信息時(shí)，這些信息被傳遞到視覺(jué)皮層，不同的神經(jīng)元對(duì)不同的視覺(jué)特征做出反應(yīng)，最終形成對(duì)物體位置、形狀和大小的感知。簡(jiǎn)單細(xì)胞方向選擇性簡(jiǎn)單細(xì)胞對(duì)特定方向的線條或邊緣敏感。位置敏感性它們對(duì)刺激在視網(wǎng)膜上的特定位置做出反應(yīng)。對(duì)比度敏感性簡(jiǎn)單細(xì)胞對(duì)對(duì)比度變化敏感，例如明暗邊界。復(fù)雜細(xì)胞對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和形狀敏感復(fù)雜細(xì)胞對(duì)特定方向和形狀的刺激作出反應(yīng)，且對(duì)刺激位置不敏感。位于視覺(jué)皮層的更高層復(fù)雜細(xì)胞位于視覺(jué)皮層的更高層，接收來(lái)自簡(jiǎn)單細(xì)胞的輸入。接受來(lái)自多個(gè)簡(jiǎn)單細(xì)胞的輸入復(fù)雜細(xì)胞的感受野更大，可以接受來(lái)自多個(gè)簡(jiǎn)單細(xì)胞的輸入。從屬細(xì)胞11.響應(yīng)復(fù)雜模式從屬細(xì)胞對(duì)更復(fù)雜、更抽象的視覺(jué)特征做出反應(yīng)，例如運(yùn)動(dòng)方向、形狀和紋理。22.集成信息它們整合來(lái)自簡(jiǎn)單細(xì)胞和復(fù)雜細(xì)胞的輸入，創(chuàng)建更高級(jí)別的視覺(jué)表征。33.識(shí)別特定特征從屬細(xì)胞在識(shí)別諸如人臉、物體和場(chǎng)景等復(fù)雜物體中發(fā)揮重要作用。44.視覺(jué)感知它們?yōu)槲覀兊囊曈X(jué)感知，如形狀、顏色、運(yùn)動(dòng)和深度感知，提供了基礎(chǔ)。邊緣細(xì)胞邊緣細(xì)胞邊緣細(xì)胞對(duì)物體邊緣的識(shí)別和定位很敏感。它們?cè)谝曈X(jué)系統(tǒng)中扮演重要角色，幫助我們感知物體的輪廓和形狀。特征響應(yīng)邊緣細(xì)胞對(duì)特定方向和位置的邊緣有強(qiáng)烈響應(yīng)。它們對(duì)物體輪廓和形狀的感知貢獻(xiàn)很大。視覺(jué)信息的整合從特征到物體視覺(jué)系統(tǒng)將邊緣、顏色、紋理等特征整合在一起，形成有意義的物體。例如，將圓形、棕色、有毛的特征整合為一只狗。從物體到場(chǎng)景物體識(shí)別后，視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)一步整合不同物體的空間關(guān)系和場(chǎng)景信息。例如，識(shí)別出狗在草地上奔跑，并判斷出是一個(gè)公園場(chǎng)景。從場(chǎng)景到理解整合后的視覺(jué)信息被理解為一個(gè)完整的場(chǎng)景，并與記憶和知識(shí)相結(jié)合，產(chǎn)生對(duì)場(chǎng)景的認(rèn)知和理解。例如，看到一個(gè)熟人，識(shí)別出他的身份，并回憶起相關(guān)的經(jīng)歷?？臻g感知空間感知是視覺(jué)系統(tǒng)的重要功能之一。它讓我們能夠感知周圍環(huán)境中物體的距離、大小和方向。這種能力依賴于多種線索，包括雙眼視差、運(yùn)動(dòng)視差和紋理梯度。運(yùn)動(dòng)感知運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)感知是通過(guò)識(shí)別物體移動(dòng)方向和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這有助于我們理解環(huán)境的變化。運(yùn)動(dòng)速度大腦通過(guò)分析物體在視網(wǎng)膜上的移動(dòng)速度來(lái)判斷其運(yùn)動(dòng)速度，并預(yù)測(cè)其未來(lái)位置。運(yùn)動(dòng)模糊當(dāng)物體快速移動(dòng)時(shí)，圖像會(huì)產(chǎn)生模糊，這反映了視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。深度感知1雙眼線索雙眼視差，即兩只眼睛看到的同一個(gè)物體角度略有不同，從而產(chǎn)生深度信息。2單眼線索線性透視、大小比例、重疊、紋理梯度、空氣透視等線索，單眼也能感知深度。3運(yùn)動(dòng)線索運(yùn)動(dòng)視差，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，距離觀察者較近的物體移動(dòng)速度較快，反之較慢，從而感知深度。4經(jīng)驗(yàn)影響個(gè)體的生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知也會(huì)影響深度感知，例如，對(duì)熟悉物體的深度感知更準(zhǔn)確。顏色感知顏色混合人眼可以感知紅、綠、藍(lán)三種基本顏色?；旌线@些顏色，就能看到各種不同的顏色。色調(diào)、飽和度和亮度顏色可以分為三個(gè)屬性：色調(diào)，飽和度和亮度。這些屬性共同決定了我們看到的顏色。文化與顏色不同文化對(duì)顏色的理解和感知存在差異，這反映在藝術(shù)、語(yǔ)言和社會(huì)習(xí)俗中。視覺(jué)信息處理的神經(jīng)機(jī)制1對(duì)比度編碼神經(jīng)元對(duì)對(duì)比度進(jìn)行編碼。2方向性編碼神經(jīng)元對(duì)方向進(jìn)行編碼。3運(yùn)動(dòng)方向編碼神經(jīng)元對(duì)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行編碼。4顏色編碼神經(jīng)元對(duì)顏色進(jìn)行編碼。視覺(jué)信息處理依賴于神經(jīng)元對(duì)不同特征的編碼。神經(jīng)元可以對(duì)對(duì)比度、方向、運(yùn)動(dòng)方向和顏色進(jìn)行編碼，從而將視覺(jué)信息轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。對(duì)比度編碼對(duì)比度編碼是視覺(jué)信息處理中的一種重要機(jī)制。它指的是神經(jīng)元對(duì)刺激亮度差異的反應(yīng)，即對(duì)明暗變化的敏感性。例如，當(dāng)觀察一個(gè)物體時(shí)，其邊緣處的明暗變化會(huì)引起神經(jīng)元的強(qiáng)烈反應(yīng)，從而增強(qiáng)對(duì)物體輪廓的感知。方向性編碼方向性編碼視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別物體形狀簡(jiǎn)單細(xì)胞對(duì)特定方向的邊緣敏感復(fù)雜細(xì)胞對(duì)特定方向的運(yùn)動(dòng)敏感視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同方向的敏感性進(jìn)行編碼，從而識(shí)別物體形狀。運(yùn)動(dòng)方向編碼大腦中存在專門的神經(jīng)元負(fù)責(zé)編碼物體運(yùn)動(dòng)的方向。這些神經(jīng)元對(duì)特定方向的運(yùn)動(dòng)敏感，當(dāng)物體朝特定方向移動(dòng)時(shí)，它們會(huì)發(fā)出更強(qiáng)的信號(hào)。1方向每個(gè)神經(jīng)元只對(duì)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)敏感。2速度神經(jīng)元對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度也有反應(yīng)，速度越快，信號(hào)越強(qiáng)。顏色編碼顏色編碼在視覺(jué)信息處理中起著至關(guān)重要的作用，它能夠幫助我們識(shí)別和區(qū)分不同的物體。大腦利用顏色信息來(lái)識(shí)別物體，并根據(jù)顏色來(lái)判斷物體的屬性，例如大小、形狀和距離等。顏色編碼也與情緒和心理狀態(tài)密切相關(guān)，不同的顏色會(huì)引發(fā)不同的情感反應(yīng)，例如紅色會(huì)讓人聯(lián)想到激情和興奮，而藍(lán)色則會(huì)讓人聯(lián)想到平靜和放松。視覺(jué)注意力選擇性視覺(jué)注意力是指我們從環(huán)境中選擇特定信息的能力，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)先處理。它就像一束光，照亮了我們感興趣的區(qū)域，而其他區(qū)域則變得模糊。增強(qiáng)當(dāng)我們專注于某個(gè)目標(biāo)時(shí)，視覺(jué)注意力會(huì)增強(qiáng)該目標(biāo)的感知，使我們能夠更清晰地識(shí)別和理解它。抑制視覺(jué)注意力不僅會(huì)增強(qiáng)關(guān)注區(qū)域，還會(huì)抑制其他區(qū)域的信息，從而減少干擾，提高效率。自底向上注意力顏色和形狀顏色鮮艷的物體，形狀獨(dú)特的物體更容易引起注意。比如，一只紅色的蝴蝶在綠色的草地上會(huì)更加突出。聲音和運(yùn)動(dòng)響亮的聲音，移動(dòng)的物體更容易吸引注意力。比如，一個(gè)孩子玩著發(fā)出噪音的玩具，更容易引起周圍人的注意。突發(fā)事件突然發(fā)生的事件，比如意外的噪聲或物體移動(dòng)，會(huì)迅速吸引注意力。比如，突然聽(tīng)到一聲巨響，人們會(huì)本能地轉(zhuǎn)頭去看。自頂向下注意力目標(biāo)引導(dǎo)根據(jù)我們的目標(biāo)和任務(wù)，我們選擇性地關(guān)注某些信息，忽略其他信息。經(jīng)驗(yàn)影響我們過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)會(huì)影響我們對(duì)信息的關(guān)注，引導(dǎo)我們注意特定特征或區(qū)域。認(rèn)知控制我們有意識(shí)地控制自己的注意力，專注于特定目標(biāo)，并抑制無(wú)關(guān)信息的干擾。注意力的神經(jīng)機(jī)制大腦中多個(gè)區(qū)域參與注意力的調(diào)節(jié)和控制，形成一個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。1前額葉皮層負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能，包括注意力的目標(biāo)導(dǎo)向和抑制無(wú)關(guān)信息。2頂葉參與空間注意和物體識(shí)別。3丘腦負(fù)責(zé)過(guò)濾和傳遞感官信息到大腦皮層。4腦干控制注意力的覺(jué)醒和警覺(jué)水平。這些腦區(qū)之間的相互作用，使我們能夠選擇性地關(guān)注重要信息，并忽略無(wú)關(guān)信息。視覺(jué)的反射性行為本能反應(yīng)例如，當(dāng)物體突然移動(dòng)時(shí)，我們會(huì)本能地轉(zhuǎn)頭去看，這是由視覺(jué)系統(tǒng)快速處理信息而引發(fā)的反射性行為。防御機(jī)制比如眨眼和瞳孔縮小，是為了保護(hù)眼睛免受強(qiáng)光或異物的刺激。協(xié)調(diào)動(dòng)作我們能根據(jù)視覺(jué)信息調(diào)整身體姿勢(shì)和動(dòng)作，例如接住飛來(lái)的球或躲避障礙物。視覺(jué)通路與大腦功能1視覺(jué)信息處理視覺(jué)皮層處理視覺(jué)信息2空間感知識(shí)別物體的位置和形狀3運(yùn)動(dòng)感知識(shí)別物體運(yùn)動(dòng)的方向和速度4認(rèn)知功能視覺(jué)信息影響記憶、語(yǔ)言和決策視覺(jué)通路將信息傳遞到大腦的不同區(qū)域，這些區(qū)域協(xié)同工作執(zhí)行不同的功能。例如，視覺(jué)皮層負(fù)責(zé)處理視覺(jué)信息，而空間感知和運(yùn)動(dòng)感知?jiǎng)t依賴于其他腦區(qū)。視覺(jué)信息不僅影響視覺(jué)感知，還會(huì)影響記憶、語(yǔ)言和決策等認(rèn)知功能，證明了視覺(jué)在人類認(rèn)知中扮演著至關(guān)重要的角色。視覺(jué)通路與行為感知視覺(jué)通路將接收到的光信息傳遞到大腦，形成視覺(jué)感知，幫助我們認(rèn)識(shí)世界。行動(dòng)感知到的信息會(huì)被處理，并指導(dǎo)我們的行為，例如抓取物體、躲避障礙等。學(xué)習(xí)通過(guò)視覺(jué)信息的學(xué)習(xí)，我們不斷完善對(duì)事物的認(rèn)識(shí)，提高判斷和決策能力。適應(yīng)視覺(jué)通路在不斷適應(yīng)外界環(huán)境的變化，例如光線強(qiáng)弱的調(diào)整，以及對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)。視覺(jué)障礙11.視力受損視覺(jué)障礙是指視力受損，導(dǎo)致無(wú)法正常感知外界環(huán)境。22.常見(jiàn)類型包括近視、遠(yuǎn)視、散光、色盲等，影響不同程度的視力功能。33.影響生活日常生活受到顯著影響，需要借助輔助工具，如眼鏡、拐杖等。44.醫(yī)療干預(yù)通過(guò)醫(yī)療干預(yù)，例如手術(shù)、藥物治療等，改善部分視覺(jué)障礙。視覺(jué)重建1視覺(jué)重建視覺(jué)重建是指通過(guò)技術(shù)手段，幫助視力受損者恢復(fù)部分或全部的視覺(jué)功能，例