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1、第二章 视频描述,2.1 视觉特性,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,晶状体：调节焦距 视网膜：由大量的光敏细胞和神经纤维组成 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,视觉是由眼球接收外界光刺激，通过视神经、大脑中的视觉中枢的共同活动来完成的： 外界
2、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对色度的敏感程度高,图像可以由亮度（明
3、亮程度）和色度（色彩）共同表示,视觉形成,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 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 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,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 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,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 在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波
4、长光的辐射功率 P () 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,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) 明视觉相对视敏度：任意波长光的视敏度 K() 与 Km 之比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）,杆状细胞对短波成分更敏感 锥状细胞对长波成分更敏感,相对视频度,相对视敏度,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
5、,亮度是辐射光或反射光的强度，即光的能量 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1,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：,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2,两种光敏细胞的感觉不同 当眼睛适应于不同平均亮度时，其亮度视觉范围不同 同一亮度在不同条件下对人眼可引起不同的视亮度,对比效应,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,重现景
6、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 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,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 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 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特征的能力,马赫带效应(Mach Bands Effect),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，
7、这种现象称为马赫带效应,马赫带效应,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 虽然条带的亮度恒定，但是实际感觉条带边缘亮度有变化 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,人眼分辨力,分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力 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,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,人眼的最
8、小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离 对于正常视力的人， 在中等亮度情况下观看静止图像时，为11.5 影响人眼分辨力的主要因素有：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,被观察景物的位置越近，其分辨力就越高 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 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 对比度越高，分辨力也就越高,分辨力的影响因素,10-6lx,10-5lx,10-4lx,10-3lx,分辨力的影响因素,人眼对于静止物体的分辨力高，对运动物体的分辨力低 运动速度越快，分辨力就越低 对于水平方向的平移运动和
9、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 对于物体的旋转运动，由于眼球不易跟踪，因此分辨力较低,分辨力的影响因素,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 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 实验还表明，人眼对不同色彩细节的分辨力也不相同 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,视野（周边视觉范围）,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,实验证明，人眼的主观亮度感觉与
10、客观光的亮度在时间上是不同步的 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 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,(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 (b)中t1t2就是视觉暂留时间 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,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列(视频)在一定时
11、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,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,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 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 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,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 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，也都对临界闪烁频率有影响,闪烁感觉,人眼的临界闪烁频率约为46 Hz 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 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,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 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 对于视错觉，迄今仍未有确切的解释,
