视觉系统原理.ppt

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1、视觉系统原理,一视觉感知:是视觉的内在表象.二视觉的外在表现-视觉现象(视觉特性)（1）相对视敏函数:（2）对比度的灵敏度和同时对比度:（3）马赫带(Mach Bands)和视觉系统的调制传输函 数MTF（4）视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision)（5）彩色视觉特性（6）图象逼真度准则,一视觉感知：是视觉的内在表象,视觉低级感知层次：视觉系统从外界获取图象，就是在眼睛视网膜上获得周围世界的光学成象，然后由视觉接收器(杆状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器)，将光图象信息转化为视网膜的神经活动电信息，最后通过视神经纤维，把这些图象信息传送入大脑,由大脑获得图

2、象感知。,视觉感知的低级感知层次,视网膜上有杆状体和锥状体两类视觉接收器；视杆体(Rods)：细长而薄，数量上约100 million，它们提供暗视(Scotopic Vision),即在低几个数量级亮度时的视觉响应，其光灵敏度高。视锥体(Cons)：结构上短而粗，数量少,约6.5 million，光灵敏度较低，它们提供明视(Photopic Vision)，其响应光亮度范围比视杆体要高56个数量级。在中间亮度范围是两种视觉细胞同时起作用。视锥体集中分布在视网膜中心。,视觉感知的低级感知层次,图1.1 眼睛的截面图,视觉感知的低级感知层次,光图象激活视杆体或视锥体时,发生光电化学反应，同时产生

3、视神经脉冲，视觉系统散布视神经中有80万神经纤维，视觉系统传播视神经脉冲。许许多多的视杆体和视锥体相互连接到神经纤维上。视觉系统的可视波长范围为=350 nm780 nm;视觉系统的可响应的亮度范围是:1或有10个量级的幅度范围。,视觉感知的低级感知层次,生理学已证实，视网膜中有叁种视锥体，具有不同的光谱特性，峰值吸收分别在光谱的红、绿、兰区域，从实测光谱吸收曲线可以看到视锥体主要对兰光响应，灵敏度相对低。而且，吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。,视觉感知的低级感知层次,视觉感知的高级感知层次,大脑对视神经纤维传送来的图象信息进行分析和理解，通过图象获得对周围世界感

4、知的信息和知识。人们对大脑的高级感知层次至今知之甚少,仍是生理学、神经科学、生物物理学、生物化学研究的重要课题。,生物视觉通路,二视觉的外在表现-视觉现象(视觉特性),图象是周围世界的一种映射,而周围世界是一个能量场,它可以描述为：其中,x,y,z为空间座标,为光波波长,t为时间.而图象 是客观世界的一次摄影的结果,是能量场E的一个映射,即:,二视觉的外在表现-视觉现象(视觉特性),对于运动图象,x,y,z都是时间 t 的函数,若在连续的不同时间获取图象,可以获得序列图象对于按不同波段获取图象,可获得彩色图象或不同波段的图象信号(如遥感图象,医学图象等).对于按不同视角,即不同的 x,y,z

5、间相互关系,可以得到不同视角的不同图象.因此,视觉现象包括有视觉对光强,对各种波长、彩色的光谱效应,对物体边缘等空间频率变化的响应,以及视觉对时间瞬时变化运动的响应.,（1）相对视敏函数:,人眼对不同波长的光有不同的敏感度,不同波长而幅射功率相同的光不仅给人以不同的色彩感觉,而且亮度感觉也不同.设具有光幅射 的空间、波长分布的物体的亮度感觉为:为视觉系统的相对视敏函数(Relative luminous efficiency function of the Vision System).对于人眼,是钟形曲线，,（1）相对视敏函数:,视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所不同，对视锥体情况，在=555

6、nm 时绿光亮度最敏感，对视杆体暗视情况,则=505nm 时最敏感。图1.2 相对视敏度曲线,（2）对比度的灵敏度和同时对比度,眼睛对光强的响应是非线性的。一块光强为 的小块被背景强度 I 所包围，则可觉察的差值 是I的函数,即对视觉敏感的是对比度，而不是亮度值本身。韦伯定理(Webers Law)：如果一个物体的亮度与其周围背景I有刚刚可觉察得到的差别,则它们的比值是I的函数。其在一定的亮度范围内,近似不变,为常数值 0.02，这称为韦伯比。即：(常数)人眼视觉系统对亮度的响应具有对数性质，是单调的非线性系统。实验证明，这一非线性接近 的幂指数函数。人眼通过这一对数性质,达到宽达 的视觉亮度

7、范围的。,（2）对比度的灵敏度和同时对比度,图1.3，图象对比度模型,（3）马赫带(Mach Bands),一个物体和它周围的亮度的交互作用,产生一种称为马赫带的效应。这个效应说明视觉的明亮程度并不是亮度的单调函数，例如,灰阶条带图象呈现的明亮视觉感觉沿着条带是不均匀的,在条带过渡部分具有负轮廓的边缘，这就说明了马赫带效应。马赫带效应可以用以估计视觉系统的冲激响应。冲激响应负瓣的出现，称为视觉的侧抑制现象(Lateral Inhibition)。冲激响应值代表被视杆体和视锥体接收器的相对空间加权值。负瓣指示在给定位置上的神经信号(Postretinal)被某些侧位的接收器所禁止。,（3）马赫带

8、(Mach Bands),图1.4 马赫带效应,（3）马赫带(Mach Bands),图1.4 马赫带效应,视觉系统的冲击响应,图1.5 视觉系统冲击响应,视觉系统的冲击响应,图1.5 视觉系统冲击响应,视觉系统的调制传输函数MTF,用马赫带效应测量了视觉系统的在空间座标的冲激响应，这一冲激响应的 Fourier 变换给出了视觉系统的空间频率响应，由它可以确定视觉系统的调制传输函数MTF。视觉系统的空间频率响应这频率响应类似于带通泸波器的响应曲线,并展示了人的视觉系统对中间频率最敏感,而对高频最不敏感。实际上，视觉系统的空间频率响应还与空间频率的取向有关，视觉系统的空间频率响应灵敏度在水平和垂

9、直方向最大，当最大偏离为 度时,角度灵敏度变化在3db以内。,视觉系统的调制传输函数MTF,图1.6 视觉系统的调制传输函数MTF,视觉系统的调制传输函数MTF,作为近似,MTF 可以被看作为各向同性并忽略其相位效应,视觉系统的频率响应可近似由公式表示为 cycles/degree此处,是常数，对于 时，是频率响应的峰值点频率。例如，在图象编码的应用中,采用A=2.6,=0.0192,=8.772，和=1.1，是有用的。,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),视觉的瞬时性质在处理运动图象和图象显示设计时变得十分重要.A.Blochs Law能量相等而不同

10、持续时间的光闪烁,在持续时间低于一个临界值以下是不能辨识的.当眼睛适应于中等亮度时的临界持续时间是30 ms,当眼睛更多适应于黑暗时,则临界持续时间将变长.,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),B.临界熔合频率Critical Fusion Frequency(CFF)缓慢的闪烁光的每单个闪烁都可辨识,但当闪烁频率高于临界闪烁频率时,闪烁将不再与具有同样平均强度的稳定发光相区别.一般来说,这个频率不超过5060HZ.这是视觉暂留,是电影和电视的基础.C.Spatial versus Temporal Effects眼睛对高空间频率的闪烁的敏感高于对低空

11、间频率的闪烁的敏感度.,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),在图象编码中,对运动图象的编码时,除了边缘以外的任何地方可以进行亚取样,以压缩码率.同样的原因,非隔行光栅的监视器(闪烁频率高,可保留良好的高清析度细节)比隔行光栅(闪烁频率低,对低空间频率已足够)可提供高空间解析度的图象显示.,视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision),图1.7 闪烁场的瞬时调制传输函数MTF,5）彩色视觉特性,彩色的利用不仅喜人,且可获得更多的信息：视觉仅能感知十余级灰阶,彩色感知但却能区分上千种彩色；彩色视觉特性是亮度(Brightne

12、ss)、色调(Hue)和饱和度(Saturation)。亮度表示感受到的光强度（Luminance）,色调表示颜色，饱和度是彩色中包含白光的多少；彩色空间的感知表示：图,彩色空间感知的表示,彩色的表示:,彩色的表示是基于Tomas Young提出的三基色原理：“任何彩色可以用合适的三种基本色混合而再生”生理学已证明，视网膜中有叁种视锥体，具有不同的吸收光谱，其中，。吸收光谱响应的峰值分别在光谱的红(黄绿)、绿、兰区域。而且，吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。三基色相加混色：红、绿、兰三基色；三基色相减混色：黄、青、紫（黄、兰、红）,三基色原理,基于三基色原理，一个光

13、谱能量分布为 的有色光所产生的彩色感觉，可用谱响应来描述：即：如果，和 是两个光谱分布，它们产生的响应 和 满足：则认为彩色 和 是相同的。因此，往往两个彩色看似相同，但却会有不同的谱分布。,三基色原理,彩色匹配和再生,利用一组光源将彩色再生是彩色研究中的基本问题之一。三个线性独立的基本光源，其光谱能量分布对任意光源 的匹配为：,彩色匹配Grassmans定理,1.任何彩色可以用至多三种彩色光所匹配；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.在一个亮度水平上的彩色匹配将在很宽的亮度范围内保持;5.匹配的彩色相加后仍然保持匹配;6.匹配的彩色混合相减后仍

14、然保持匹配;7.彩色匹配的传递定理;8.三种彩色匹配:直接的和间接的。,CIE谱基元系统的谱匹配三激励曲线,CI E谱基元系统的彩色色度图,单色视觉系统的简化模型,人类视觉感知能力的特点,人类视觉系统在对物体的识别上有特殊强大的功能；但在对灰度、距离和面积的绝对的估计上却有某些欠缺；以传感器单元的数目比较：视网膜包含接近130 millions 光接收器，这极大的大于CCD片上的传感器单元数；和它每次执行运算的数目比较：和计算机的时钟频率相比，神经处理单元的开关时间将比之大约慢 倍；不论这慢的定时和大量的接收器，人类的视觉系统是比计算机视觉系统要强大得多。它能实时分析复杂的景物以使我们能即时的反应。,视觉感知的差异,习题,计算机视觉研究的重要发展使得对人类视觉系统了解的进展。例如，对图象处理的金字塔数据结构，局域取向的概念，用滤波技术确定运动等。,