数字视频处理 2.1

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1、第二章 视频描述2.1 视觉特性n 人类视觉系统(HVS)是人类获取外界图像 、视频信息的工具。光辐射刺激人眼时 ，将会引起复杂的生理和心理变化，这 种感觉就是视觉。视觉是人类最重要、 同时也是最完美的感知手段，研究人的 视觉特性对于进行视频处理具有重要的 指导意义，研究包括光学、色度学、视 觉生理学、视觉心理学、解剖学、神经 科学和认知科学等许多科学领域2.1.1 视觉形成n 晶状体：调节焦距n 视网膜：由大量的光 敏细胞和神经纤维组 成n 光敏细胞包括：1）锥状细胞：主要在明 亮环境起作用2）杆状细胞：主要在黑 暗环境起作用视觉形成n 视觉是由眼球接收外界光刺激，通过视神 经、大脑中的视觉

2、中枢的共同活动来完成 的： 外界物体发出或反射的光线，从角膜、瞳 孔进入眼球，穿过如放大镜的晶状体，使 光线聚焦在眼底的视网膜上，形成物体的 像视觉形成 图像刺激视网膜上的光敏细胞，产生神经 冲动，沿着视神经传到大脑的视觉中枢， 在那里进行分析和整理，产生具有形态、 大小、明暗、色彩和运动的视觉 由于晶状体的凸度可以由睫状肌调节，因 此在一定范围内，不同远近的物体，都可 以形成清晰的图像落在视网膜上视觉形成光 敏 细 胞杆状细胞： 能帮助我们看到较暗环境下的景物，但只能分辨 出景物的明亮程度，不能分辨出其色度锥状细胞： 既能分辨出景物的明亮程度，又能分辨出其色度总的来说，人眼对亮度的敏感程度比

3、对色度的敏感程度高n 图像可以由亮度（明亮程度）和色度（色 彩）共同表示视觉形成n 人既有杆状细胞，又有锥状细胞，所以白 天晚上均可以分辨物体n 猫头鹰只有杆状细胞，没有锥状细胞，所 以它在夜间视觉敏锐，一到白天就什么也 看不见，它也不能感觉色彩，是个十足的 色盲n 与猫头鹰相反，鸽子和鸡却只有锥状细胞 ，没有杆状细胞，所以是天生的夜盲2.1.2 人的视觉特性明视觉/暗视觉n 明视觉也称为日间视觉，是指人眼白天对 各种波长的光的敏感程度n 暗视觉也称为夜间视觉，是人眼在夜晚或 微弱光线下对光的敏感程度视敏度n 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

4、感觉，而且亮度感觉也不同n 在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种 波长光的辐射功率 P ()n P () 的倒数可用来衡量视觉对波长为 的 光的敏感程度，即视敏度，用 K()表示相对视敏度n 实测表明，在明视觉条件下人眼对波长 555 nm的光（黄绿光）有最大视敏度 Km = K(555)n 明视觉相对视敏度：任意波长光的视敏度 K() 与 Km 之比n 暗视觉条件下人眼对波长为510nm的光（ 蓝绿光）亮度最敏感（最大视敏度）n 杆状细胞对短波 成分更敏感n 锥状细胞对长波 成分更敏感相对视频度相对视敏度n 相对视敏函数曲线表明，要使人眼产生相 同的亮度感觉，不同波长的光必须施以不 同的照明

5、功率；反之，在受到完全相同的 辐射功率的刺激时，人眼对不同波长的光 的亮度感觉是不同的视亮度n 亮度是辐射光或反射光的强度，即光的能 量n 人眼的亮度感觉（视亮度）是一个主观量 ，它不仅取决于景物给出的亮度值，而且 还与人眼对周围环境的平均亮度的适应特 性有关视亮度和亮度的关系1n 如果一个物体的亮度 I+I 与其周围背景 I 有刚刚可觉察的差别（最小可觉差）,则 I 和 I 的比值是在一定的亮度范围内近 似不变：II+ In 人眼不能察觉的亮度差别，在重现景象 上也无需精确复制出来视亮度和亮度的关系2n 两种光敏细胞的感觉不 同n 当眼睛适应于不同平均 亮度时，其亮度视觉范 围不同n 同一亮

6、度在不同条件下 对人眼可引起不同的视 亮度对比效应 n 亮度对比效应人眼对亮暗程度所形成 的“黑”、“白”感觉具有相对性对比效应 n 重现景物的亮度范围无需与实际景物的相等 ，只需保持与环境亮度间的对比度（相对亮 度）相同就能给人以真实的感觉n 人眼的明暗（黑白）感觉是相对的，正因为 如此，并不反映景物实际亮度的电影和电视 ，却能给人以真实的亮度感觉人眼的适应性n 暗适应当我们进入黑洞洞的暗房，什 么也看不见，但一会儿眼睛就适应 n 亮适应半夜起床开了灯的瞬间, 由于 人眼不能马上适应亮度的变化, 会处于暂 时失明的状态n 适应性人眼需要一定的时间来重新达 到最大灵敏度, 并恢复辨别物体的细微

7、特 征的能力马赫带效应(Mach Bands Effect)n 人眼对图像边缘特别敏感，图为5个不同 亮度的条带，每个条带内的亮度是一常数 ，我们可以感到有强烈边缘效应，这种现 象称为马赫带效应马赫带效应n 人类视觉系统在不同亮度区域边缘周围的 “欠调”和“过调”现象n 虽然条带的亮度恒定，但是实际感觉条带 边缘亮度有变化n 当亮度发生跃变时，会有一种边缘增强的 感觉，视觉上会感到亮侧更亮，暗侧更暗马赫带效应n 1865年提出n 厄恩斯特-马赫（Ernst Mach，18381916 ）n 奥地利物理学家、哲学家n 马赫速度(马赫数) 和马赫带都是以他的名 字命名奥地利维也纳市政厅公园的雕像n

8、 一马赫即一倍音速 ，换算相当于340.3 m/s或1225 km/h人眼分辨力n 分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分 辨能力n 对人眼进行分辨力测试的方法是在眼睛的 正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两 个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼 睛之间的距离，当距离增加到一定长度时 ，人眼就分辨不出有两个黑点存在， 感 觉只有一个黑点人眼分辨力n 这说明眼睛分辨景色细节的能力有一个极 限值，我们将这种分辨细节的能力称为人 眼的分辨力或视觉锐度人眼分辨力n 人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞 之间的距离n 对于正常视力的人， 在中等亮度情况下 观看静止图像时，为11.5n 影响人眼分辨力的主要

9、因素有：环境照度 、景物的对比度、被观察物体的距离及运 动状态等分辨力的影响因素n 被观察景物的位置越近，其分辨力就越高n 当环境照度较低时，人眼受到光的刺激的 强度小，分辨力就会下降n 但是环境照度过大时，分辨力不再增加， 甚至由于眩目现象，分辨力反而有所降低n 对比度越高，分辨力也就越高分辨力的影响因素10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx分辨力的影响因素n 人眼对于静止物体的分辨力高，对运动物 体的分辨力低n 运动速度越快，分辨力就越低n 对于水平方向的平移运动和垂直方向的平 移运动，前者的分辨力高，这是因为眼球 左右移动方便，容易跟踪物体的运动n 对于物体的旋转运动，由于眼球

10、不易跟踪 ，因此分辨力较低分辨力的影响因素n 人眼对有色彩细节的分辨力要远比对黑白 细节的分辨力低n 如用白粉笔在黑板上写字看得清楚，而用 蓝粉笔在黑板上写字就看得不那么清楚n 实验还表明，人眼对不同色彩细节的分辨 力也不相同n 若人眼对黑白细节的分辨力定为100， 则对其它不同色彩细节的分辨力如表格所 示分辨力的影响因素不同亮度分级下的图像Lena的故事n 在图像处理中，Lena是一张被广泛使用的 标准图片n David C Munson（IEEE图像处理汇刊主编 ）引用了两个原因来说明Lena图在科研领 域流行的原因Lena的故事n 该图适度的混合了细节、平滑区域、阴影 和纹理，从而能很好

11、的测试各种图像处理 算法n Lena是个美女，对于图像处理界的研究者 （大部分都是男性）来说，美女图可以有 效的吸引他们来做研究Lena的故事n 然而，这张图片背后的故事是颇有意思的n Lena其实是一张于1972年11月出版的 Playboy的中间插页，在这期杂志中使用了 “Lenna”的拼写，而实际在瑞典语中的 拼写是“Lena”n 如今的Lena生活在自己的祖国瑞典，从事 于酿造业，婚后并生下3个孩子 视野（周边视觉范围）n 在相同的亮度 水平下，不论 明视觉还是暗 视觉，短波成 份多的蓝绿色 比长波成分多 的红色光源有 更大的视野视觉惰性n 实验证明，人眼的主观亮度感觉与客观光 的亮度

12、在时间上是不同步的n 当一定强度的光突然作用于视网膜时， 不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉， 而是按近似指数规律上升；当亮度突然消 失后，人眼的亮度感觉也并不是不立即消 失， 而是按近似指数规律下降 n 人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的， 这一特性称为视觉惰性或视觉暂留视觉惰性n (a)表示作用于人眼的光脉冲， (b)表示该光脉冲造成的主观 亮度感觉，它滞后于实际的光 脉冲；光脉冲消失后， 亮度 感觉还要一段时间才能消失n (b)中t1t2就是视觉暂留时间 n 在中等亮度的光刺激下， 视 力正常的人视觉暂留时间约为 0.1秒视觉惰性n 电视和电影充分利用了人眼的这一特性， 采用多帧连续图像序

13、列(视频)在一定时间 内的连续播放，给人以较好的连续运动景 物的感觉视觉惰性n 视频帧率（Frame rate）至少是15帧/秒的 时候，人眼才有连贯的感觉闪烁感觉n 当人眼受到周期性光脉冲照射时，若重复 的频率不太高，则会产生忽明忽暗的闪烁 感觉n 若将重复频率提高到某一定值以上，人眼 就感觉不到闪烁了，而形成均匀的非闪烁 光源的感觉n 不引起闪烁感觉的光脉冲最低的重复频率 ，称为临界闪烁频率闪烁感觉n 临界闪烁频率与很多因素有关，其中最重 要的是光脉冲亮度，随着光脉冲亮度的提 高，临界闪烁频率也会提高n 明亮时间的占空比、相继两帧图像本身的 亮度分布和色彩、观看者到画面的距离以 及环境等，

14、也都对临界闪烁频率有影响闪烁感觉n 人眼的临界闪烁频率约为46 Hzn 对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉 冲，人眼不再感觉到闪烁，这时主观感觉 的亮度等于光脉冲亮度的平均值 n 短暂的光刺激比较长时间的光刺激更加醒 目（指重复频率较低），海上航标和警灯 采用断续灯光就是利用人眼的这种特性视错觉n 视错觉就是当人观察物体时，基于经验主 义或不当的参照形成的错误的判断和感知n 可能原因：客观刺激不清晰、强烈情绪影 响、想象、暗示、无意识的推论n 对于视错觉，迄今仍未有确切的解释视错觉完整的圆(尽管没有线)相等线 平行线没线的三 角形轮廓视错觉这两个人大小完全是一模一样吗？ 线AB比CD长吗？ 中间的圆那个大一些？ 视错觉墨尔本港口n 扭曲错觉：大小、长度或曲率的失真视错觉两条橙色线条完全等长？ 弯曲的竖线？视错觉n 矛盾错觉：是不可 能的或荒谬的物体 引起的不可能 的三角形在现实生活中，我们可以构造 出这个不可能三角形的物理模型 ，但这个模型只能从某一个角度 看才是不可能的。其中，在镜子 中显示的才是真实的结构！视错觉视错觉视错觉视错觉视错觉视错觉视错觉视错觉