《視覺的底層處理》課件

視覺的底層處理視覺的底層處理是計算機視覺的核心，它涉及對圖像進行分析和解釋，從而提取有意義的信息。視覺信息處理的歷程1古代古希臘哲學家對視覺現(xiàn)象進行了初步研究，但缺乏科學實驗和工具。217世紀開普勒提出了眼睛像一個相機，將光線匯聚在視網(wǎng)膜上的理論。319世紀赫爾姆霍茲利用解剖學和生理學方法研究了眼睛和大腦的結構和功能。420世紀借助電生理學和計算機技術，人們對視覺信息處理的神經(jīng)機制有了更深入的理解。521世紀人工智能技術和腦科學的結合，推動著對視覺感知和認知的理解不斷深入。感受器:視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜是眼睛中感光組織，負責將光信號轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號。視網(wǎng)膜包含兩種感光細胞：視桿細胞和視錐細胞。視桿細胞對弱光敏感，主要負責夜視，而視錐細胞對亮光敏感，主要負責顏色視覺。視網(wǎng)膜中的感光細胞會將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后傳遞給視神經(jīng)。視神經(jīng)將信號傳輸?shù)酱竽X，大腦再將信號解讀成視覺信息。視網(wǎng)膜是視覺信息處理的起點，其功能對于正常視覺至關重要。視神經(jīng)傳送信息1視神經(jīng)將視覺信息傳遞到大腦2神經(jīng)纖維攜帶神經(jīng)信號3視網(wǎng)膜感受光線4光線進入眼睛視神經(jīng)由視網(wǎng)膜中光感受器細胞的軸突組成，這些軸突將視覺信息從眼睛傳遞到大腦。視神經(jīng)纖維將視覺信息轉(zhuǎn)換為電信號，并在視神經(jīng)中傳輸?shù)酱竽X。這些信號在視覺皮層中被進一步處理，從而產(chǎn)生我們對世界的視覺感知。視覺通路視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜是眼睛中的光感受器層，接收光信號并將其轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號。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。丘腦丘腦是視覺信息的中轉(zhuǎn)站，將來自視神經(jīng)的信息傳遞到視覺皮層。視覺皮層視覺皮層是大腦中負責處理視覺信息的區(qū)域，位于后腦葉。視覺皮層的定位功能視覺皮層的定位功能視覺皮層負責處理來自眼睛的視覺信息。它位于大腦后部，由多個區(qū)域組成，每個區(qū)域負責特定的視覺任務。視覺皮層的定位功能是指它能夠識別物體的位置、形狀和大小等信息。這對于我們理解周圍環(huán)境至關重要。視覺皮層的定位功能視覺皮層包含多個區(qū)域，其中一些區(qū)域負責特定任務，例如識別物體的顏色、形狀、運動方向和深度。這些區(qū)域之間相互協(xié)作，共同完成視覺信息處理的任務。視覺皮層定位功能的實現(xiàn)依賴于神經(jīng)元的活動。當眼睛接收到來自物體的信息時，這些信息被傳遞到視覺皮層，不同的神經(jīng)元對不同的視覺特征做出反應，最終形成對物體位置、形狀和大小的感知。簡單細胞方向選擇性簡單細胞對特定方向的線條或邊緣敏感。位置敏感性它們對刺激在視網(wǎng)膜上的特定位置做出反應。對比度敏感性簡單細胞對對比度變化敏感，例如明暗邊界。復雜細胞對運動方向和形狀敏感復雜細胞對特定方向和形狀的刺激作出反應，且對刺激位置不敏感。位于視覺皮層的更高層復雜細胞位于視覺皮層的更高層，接收來自簡單細胞的輸入。接受來自多個簡單細胞的輸入復雜細胞的感受野更大，可以接受來自多個簡單細胞的輸入。從屬細胞11.響應復雜模式從屬細胞對更復雜、更抽象的視覺特征做出反應，例如運動方向、形狀和紋理。22.集成信息它們整合來自簡單細胞和復雜細胞的輸入，創(chuàng)建更高級別的視覺表征。33.識別特定特征從屬細胞在識別諸如人臉、物體和場景等復雜物體中發(fā)揮重要作用。44.視覺感知它們?yōu)槲覀兊囊曈X感知，如形狀、顏色、運動和深度感知，提供了基礎。邊緣細胞邊緣細胞邊緣細胞對物體邊緣的識別和定位很敏感。它們在視覺系統(tǒng)中扮演重要角色，幫助我們感知物體的輪廓和形狀。特征響應邊緣細胞對特定方向和位置的邊緣有強烈響應。它們對物體輪廓和形狀的感知貢獻很大。視覺信息的整合從特征到物體視覺系統(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。從物體到場景物體識別后，視覺系統(tǒng)進一步整合不同物體的空間關系和場景信息。例如，識別出狗在草地上奔跑，并判斷出是一個公園場景。從場景到理解整合后的視覺信息被理解為一個完整的場景，并與記憶和知識相結合，產(chǎn)生對場景的認知和理解。例如，看到一個熟人，識別出他的身份，并回憶起相關的經(jīng)歷?？臻g感知空間感知是視覺系統(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、運動視差和紋理梯度。運動感知運動方向運動感知是通過識別物體移動方向和速度來實現(xiàn)的，這有助于我們理解環(huán)境的變化。運動速度大腦通過分析物體在視網(wǎng)膜上的移動速度來判斷其運動速度，并預測其未來位置。運動模糊當物體快速移動時，圖像會產(chǎn)生模糊，這反映了視覺系統(tǒng)對運動的動態(tài)響應。深度感知1雙眼線索雙眼視差，即兩只眼睛看到的同一個物體角度略有不同，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運動線索運動視差，物體運動時，距離觀察者較近的物體移動速度較快，反之較慢，從而感知深度。4經(jīng)驗影響個體的生活經(jīng)驗和認知也會影響深度感知，例如，對熟悉物體的深度感知更準確。顏色感知顏色混合人眼可以感知紅、綠、藍三種基本顏色。混合這些顏色，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顏色的理解和感知存在差異，這反映在藝術、語言和社會習俗中。視覺信息處理的神經(jīng)機制1對比度編碼神經(jīng)元對對比度進行編碼。2方向性編碼神經(jīng)元對方向進行編碼。3運動方向編碼神經(jīng)元對運動方向進行編碼。4顏色編碼神經(jīng)元對顏色進行編碼。視覺信息處理依賴于神經(jīng)元對不同特征的編碼。神經(jīng)元可以對對比度、方向、運動方向和顏色進行編碼，從而將視覺信息轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號。對比度編碼對比度編碼是視覺信息處理中的一種重要機制。它指的是神經(jīng)元對刺激亮度差異的反應，即對明暗變化的敏感性。例如，當觀察一個物體時，其邊緣處的明暗變化會引起神經(jīng)元的強烈反應，從而增強對物體輪廓的感知。方向性編碼方向性編碼視覺系統(tǒng)識別物體形狀簡單細胞對特定方向的邊緣敏感復雜細胞對特定方向的運動敏感視覺系統(tǒng)通過對不同方向的敏感性進行編碼，從而識別物體形狀。運動方向編碼大腦中存在專門的神經(jīng)元負責編碼物體運動的方向。這些神經(jīng)元對特定方向的運動敏感，當物體朝特定方向移動時，它們會發(fā)出更強的信號。1方向每個神經(jīng)元只對一個方向的運動敏感。2速度神經(jīng)元對運動的速度也有反應，速度越快，信號越強。顏色編碼顏色編碼在視覺信息處理中起著至關重要的作用，它能夠幫助我們識別和區(qū)分不同的物體。大腦利用顏色信息來識別物體，并根據(jù)顏色來判斷物體的屬性，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，不同的顏色會引發(fā)不同的情感反應，例如紅色會讓人聯(lián)想到激情和興奮，而藍色則會讓人聯(lián)想到平靜和放松。視覺注意力選擇性視覺注意力是指我們從環(huán)境中選擇特定信息的能力，并對其進行優(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。增強當我們專注于某個目標時，視覺注意力會增強該目標的感知，使我們能夠更清晰地識別和理解它。抑制視覺注意力不僅會增強關注區(qū)域，還會抑制其他區(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更加突出。聲音和運動響亮的聲音，移動的物體更容易吸引注意力。比如，一個孩子玩著發(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，會迅速吸引注意力。比如，突然聽到一聲巨響，人們會本能地轉(zhuǎn)頭去看。自頂向下注意力目標引導根據(jù)我們的目標和任務，我們選擇性地關注某些信息，忽略其他信息。經(jīng)驗影響我們過去的經(jīng)驗和知識會影響我們對信息的關注，引導我們注意特定特征或區(qū)域。認知控制我們有意識地控制自己的注意力，專注于特定目標，并抑制無關信息的干擾。注意力的神經(jīng)機制大腦中多個區(qū)域參與注意力的調(diào)節(jié)和控制，形成一個復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡。1前額葉皮層負責高級認知功能，包括注意力的目標導向和抑制無關信息。2頂葉參與空間注意和物體識別。3丘腦負責過濾和傳遞感官信息到大腦皮層。4腦干控制注意力的覺醒和警覺水平。這些腦區(qū)之間的相互作用，使我們能夠選擇性地關注重要信息，并忽略無關信息。視覺的反射性行為本能反應例如，當物體突然移動時，我們會本能地轉(zhuǎn)頭去看，這是由視覺系統(tǒng)快速處理信息而引發(fā)的反射性行為。防御機制比如眨眼和瞳孔縮小，是為了保護眼睛免受強光或異物的刺激。協(xié)調(diào)動作我們能根據(jù)視覺信息調(diào)整身體姿勢和動作，例如接住飛來的球或躲避障礙物。視覺通路與大腦功能1視覺信息處理視覺皮層處理視覺信息2空間感知識別物體的位置和形狀3運動感知識別物體運動的方向和速度4認知功能視覺信息影響記憶、語言和決策視覺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，視覺皮層負責處理視覺信息，而空間感知和運動感知則依賴于其他腦區(qū)。視覺信息不僅影響視覺感知，還會影響記憶、語言和決策等認知功能，證明了視覺在人類認知中扮演著至關重要的角色。視覺通路與行為感知視覺通路將接收到的光信息傳遞到大腦，形成視覺感知，幫助我們認識世界。行動感知到的信息會被處理，并指導我們的行為，例如抓取物體、躲避障礙等。學習通過視覺信息的學習，我們不斷完善對事物的認識，提高判斷和決策能力。適應視覺通路在不斷適應外界環(huán)境的變化，例如光線強弱的調(diào)整，以及對新環(huán)境的適應。視覺障礙11.視力受損視覺障礙是指視力受損，導致無法正常感知外界環(huán)境。22.常見類型包括近視、遠視、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)療干預通過醫(yī)療干預，例如手術、藥物治療等，改善部分視覺障礙。視覺重建1視覺重建視覺重建是指通過技術手段，幫助視力受損者恢復部分或全部的視覺功能，例