視覺(jué)系統(tǒng)原理

視覺(jué)系統(tǒng)原理第一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日一．視覺(jué)感知：是視覺(jué)的內(nèi)在表象視覺(jué)低級(jí)感知層次：視覺(jué)系統(tǒng)從外界獲取圖象，就是在眼睛視網(wǎng)膜上獲得周?chē)澜绲墓鈱W(xué)成象，然后由視覺(jué)接收器(桿狀體和錐狀體在視網(wǎng)膜上作為視覺(jué)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(guò)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(lèi)視覺(jué)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(jué)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(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)感知的低級(jí)感知層次圖1.1眼睛的截面圖第四頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)散布視神經(jīng)中有80萬(wàn)神經(jīng)纖維，視覺(jué)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(jué)系統(tǒng)的可視波長(zhǎng)范圍為=350nm～780nm;視覺(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)感知的低級(jí)感知層次第七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)感知的高級(jí)感知層次大腦對(duì)視神經(jīng)纖維傳送來(lái)的圖象信息進(jìn)行分析和理解，通過(guò)圖象獲得對(duì)周?chē)澜绺兄男畔⒑椭R(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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日生物視覺(jué)通路第九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日二．視覺(jué)的外在表現(xiàn)---視覺(jué)現(xiàn)象(視覺(jué)特性)圖象是周?chē)澜绲囊环N映射,而周?chē)澜缡且粋€(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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日二．視覺(jué)的外在表現(xiàn)---視覺(jué)現(xiàn)象(視覺(jué)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(jué)現(xiàn)象包括有視覺(jué)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(jué)對(duì)時(shí)間瞬時(shí)變化運(yùn)動(dòng)的響應(yīng).第十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，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(jué),而且亮度感覺(jué)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(jué)為:

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

對(duì)于人眼,是鐘形曲線(xiàn)，第十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，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(xiàn)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(xiàn)第十三頁(yè)，共四十五頁(yè)，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(xiàn)性的。一塊光強(qiáng)為的小塊被背景強(qiáng)度I所包圍，則可覺(jué)察的差值是I的函數(shù),即對(duì)視覺(jué)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?chē)尘癐有剛剛可覺(jué)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(chēng)為韋伯比。即：

(常數(shù))人眼視覺(jué)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(xiàn)性系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明，這一非線(xiàn)性接近的冪指數(shù)函數(shù)。人眼通過(guò)這一對(duì)數(shù)性質(zhì),達(dá)到寬達(dá)的視覺(jué)亮度范圍的。第十四頁(yè)，共四十五頁(yè)，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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）馬赫帶(MachBands)一個(gè)物體和它周?chē)牧炼鹊慕换プ饔?產(chǎn)生一種稱(chēng)為馬赫帶的效應(yīng)。這個(gè)效應(yīng)說(shuō)明視覺(jué)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(jué)感覺(jué)沿著條帶是不均勻的,在條帶過(guò)渡部分具有負(fù)輪廓的邊緣，這就說(shuō)明了馬赫帶效應(yīng)。馬赫帶效應(yīng)可以用以估計(jì)視覺(jué)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)。沖激響應(yīng)負(fù)瓣的出現(xiàn)，稱(chēng)為視覺(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）馬赫帶(MachBands)圖1.4馬赫帶效應(yīng) 第十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日（3）馬赫帶(MachBands)圖1.4馬赫帶效應(yīng) 第十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)圖1.5視覺(jué)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)第十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)圖1.5視覺(jué)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)第二十頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(jué)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(jué)系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)，由它可以確定視覺(jué)系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF。視覺(jué)系統(tǒng)的空間頻率響應(yīng)這頻率響應(yīng)類(lèi)似于帶通瀘波器的響應(yīng)曲線(xiàn),并展示了人的視覺(jué)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(jué)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(jué)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?xún)?nèi)。第二十一頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF圖1.6視覺(jué)系統(tǒng)的調(diào)制傳輸函數(shù)MTF第二十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)的瞬時(shí)性質(zhì)(TemporalPropertiesofVision)視覺(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(lái)說(shuō),這個(gè)頻率不超過(guò)50～60HZ.這是視覺(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日視覺(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日5）彩色視覺(jué)特性彩色的利用不僅喜人,且可獲得更多的信息：視覺(jué)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(jué)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日彩色空間感知的表示第二十九頁(yè)，共四十五頁(yè)，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(xiàn)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(yè)，共四十五頁(yè)，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(jué)，可用譜響應(yīng)來(lái)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(mǎn)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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日三基色原理第三十二頁(yè)，共四十五頁(yè)，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(wèn)題之一。三個(gè)線(xiàn)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(yè)，共四十五頁(yè)，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(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日CIE譜基元系統(tǒng)的譜匹配三激勵(lì)曲線(xiàn)第三十五頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日第三十六頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日CIE譜基元系統(tǒng)的彩色色度圖第三十七頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日單色視覺(jué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型第三十八頁(yè)，共四十五頁(yè)，2022年，8月28日人類(lèi)視覺(jué)感知能力的特點(diǎn)人類(lèi)視覺(jué)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(kāi)關(guān)時(shí)間將比之大約慢倍；不論這慢的定時(shí)和