數(shù)字視頻處理

數(shù)字視頻處理第1頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五2.1視覺特性人類視覺系統(tǒng)(HVS)是人類獲取外界圖像、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，這種感覺就是視覺。視覺是人類最重要、同時(shí)也是最完美的感知手段，研究人的視覺特性對于進(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)、視覺生理學(xué)、視覺心理學(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，共39頁，2023年，2月20日，星期五2.1.1視覺形成晶狀體：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，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺形成視覺是由眼球接收外界光刺激，通過視神經(jīng)、大腦中的視覺中樞的共同活動(dòng)來完成的：外界物體發(fā)出或反射的光線，從角膜、瞳孔進(jìn)入眼球，穿過如放大鏡的晶狀體，使光線聚焦在眼底的視網(wǎng)膜上，形成物體的像第4頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺形成圖像刺激視網(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，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺形成光敏細(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說，人眼對亮度的敏感程度比對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，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺形成人既有桿狀細(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，沒有錐狀細(xì)胞，所以它在夜間視覺敏銳，一到白天就什么也看不見，它也不能感覺色彩，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，沒有桿狀細(xì)胞，所以是天生的夜盲第7頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五2.1.2人的視覺特性第8頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五明視覺/暗視覺明視覺也稱為日間視覺，是指人眼白天對各種波長的光的敏感程度暗視覺也稱為夜間視覺，是人眼在夜晚或微弱光線下對光的敏感程度第9頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視敏度人眼對不同波長的光有不同的敏感度，不同波長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在產(chǎn)生相同亮度感覺的情況下，測出各種波長光的輻射功率P(λ)P(λ)的倒數(shù)可用來衡量視覺對波長為λ的光的敏感程度，即視敏度，用K(λ)表示第10頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五相對視敏度實(shí)測表明，在明視覺條件下人眼對波長555nm的光（黃綠光）有最大視敏度Km=K(555)明視覺相對視敏度：任意波長光的視敏度K(λ)與Km之比暗視覺條件下人眼對波長為510nm的光（藍(lán)綠光）亮度最敏感（最大視敏度）第11頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五桿狀細(xì)胞對短波成分更敏感錐狀細(xì)胞對長波成分更敏感相對視頻度第12頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五相對視敏度相對視敏函數(shù)曲線表明，要使人眼產(chǎn)生相同的亮度感覺，不同波長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)，人眼對不同波長的光的亮度感覺是不同的第13頁，共39頁，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（視亮度）是一個(gè)主觀量，它不僅取決于景物給出的亮度值，而且還與人眼對周圍環(huán)境的平均亮度的適應(yīng)特性有關(guān)第14頁，共39頁，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與其周圍背景I有剛剛可覺察的差別（最小可覺差）,則△I和I的比值是在一定的亮度范圍內(nèi)近似不變：II+I人眼不能察覺的亮度差別，在重現(xiàn)景象上也無需精確復(fù)制出來第15頁，共39頁，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)胞的感覺不同當(dāng)眼睛適應(yīng)于不同平均亮度時(shí)，其亮度視覺范圍不同同一亮度在不同條件下對人眼可引起不同的視亮度第16頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五對比效應(yīng)亮度對比效應(yīng)——人眼對亮暗程度所形成的“黑”、“白”感覺具有相對性第17頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五對比效應(yīng)重現(xiàn)景物的亮度范圍無需與實(shí)際景物的相等，只需保持與環(huán)境亮度間的對比度（相對亮度）相同就能給人以真實(shí)的感覺人眼的明暗（黑白）感覺是相對的，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)的亮度感覺第18頁，共39頁，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，但一會(huì)兒眼睛就適應(yīng)亮適應(yīng)——半夜起床開了燈的瞬間,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，共39頁，2023年，2月20日，星期五馬赫帶效應(yīng)(MachBandsEffect)人眼對圖像邊緣特別敏感，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)象稱為馬赫帶效應(yīng)第20頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五馬赫帶效應(yīng)人類視覺系統(tǒng)在不同亮度區(qū)域邊緣周圍的“欠調(diào)”和“過調(diào)”現(xiàn)象雖然條帶的亮度恒定，但是實(shí)際感覺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，視覺上會(huì)感到亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗第21頁，共39頁，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)對細(xì)節(jié)的分辨能力對人眼進(jìn)行分辨力測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)，逐漸增加畫面與眼睛之間的距離，當(dāng)距離增加到一定長度時(shí)，人眼就分辨不出有兩個(gè)黑點(diǎn)存在，感覺只有一個(gè)黑點(diǎn)第22頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力這說明眼睛分辨景色細(xì)節(jié)的能力有一個(gè)極限值，我們將這種分辨細(xì)節(jié)的能力稱為人眼的分辨力或視覺銳度第23頁，共39頁，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、景物的對比度、被觀察物體的距離及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等第24頁，共39頁，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比度越高，分辨力也就越高第25頁，共39頁，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，共39頁，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素人眼對于靜止物體的分辨力高，對運(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，共39頁，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素人眼對有色彩細(xì)節(jié)的分辨力要遠(yuǎn)比對黑白細(xì)節(jié)的分辨力低如用白粉筆在黑板上寫字看得清楚，而用藍(lán)粉筆在黑板上寫字就看得不那么清楚實(shí)驗(yàn)還表明，人眼對不同色彩細(xì)節(jié)的分辨力也不相同若人眼對黑白細(xì)節(jié)的分辨力定為100％，則對其它不同色彩細(xì)節(jié)的分辨力如表格所示第28頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五分辨力的影響因素第29頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五不同亮度分級下的圖像第30頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視野（周邊視覺范圍）在相同的亮度水平下，不論明視覺還是暗視覺，短波成份多的藍(lán)綠色比長波成分多的紅色光源有更大的視野第31頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺惰性實(shí)驗(yàn)證明，人眼的主觀亮度感覺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，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總是滯后于實(shí)際亮度的，這一特性稱為視覺惰性或視覺暫留第32頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺惰性(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，它滯后于實(shí)際的光脈沖；光脈沖消失后，亮度感覺還要一段時(shí)間才能消失(b)中t1～t2就是視覺暫留時(shí)間在中等亮度的光刺激下，視力正常的人視覺暫留時(shí)間約為0.1秒第33頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺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)景物的感覺第34頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五視覺惰性視頻幀率（Framerate）至少是15幀/秒的時(shí)候，人眼才有連貫的感覺第35頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五閃爍感覺當(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若將重復(fù)頻率提高到某一定值以上，人眼就感覺不到閃爍了，而形成均勻的非閃爍光源的感覺不引起閃爍感覺的光脈沖最低的重復(fù)頻率，稱為臨界閃爍頻率第36頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五閃爍感覺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、觀看者到畫面的距離以及環(huán)境等，也都對臨界閃爍頻率有影響第37頁，共39頁，2023年，2月20日，星期五閃爍感覺人眼的臨界閃爍頻率約為46Hz對于重復(fù)頻率在臨界閃爍頻率以上的光