视觉系统原理

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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MTFMTF（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：是视觉的内在表象一视觉感知：是视觉的内在表象视觉低级感知层次：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杆状体和锥状体在视网膜上作为视觉接收器膜上作为视觉接收器)，将光图象信息转

2、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,由大脑获得图象感知。视觉感知的低级感知层次视觉感知的低级感知层次视网膜上有杆状体杆状体和锥状体锥状体两类视觉接收器；视杆体视杆体(Rods)(Rods)：细长而薄，数量上约100 100 million，它们提供暗视暗视(Scotopic Vision),即在低几个数量级亮度时的视觉响应，其光灵敏度高。视锥体视锥体( (Cons) )：结构上短而粗，数量少,约6.56.5 million，光灵敏度较低，它们提供明视提供明视(Photopic Vision)，其响应光亮度范围比视杆体要高5 56 6个数量级。在中间亮度范围

3、是两种视觉细胞同时起作用。视锥体集中分布在视网视锥体集中分布在视网膜中心膜中心。视觉感知的低级感知层次视觉感知的低级感知层次图图1.1 1.1 眼睛的截面图眼睛的截面图视觉感知的低级感知层次视觉感知的低级感知层次光图象激活视杆体或视锥体时光图象激活视杆体或视锥体时, ,发生光电发生光电化学反应化学反应，同时产生视神经脉冲同时产生视神经脉冲，视觉系统散布视神经中有8080万神经纤维万神经纤维，视觉系视觉系统传播视神经脉冲统传播视神经脉冲。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 nm350 nm780 nm780 nm;视觉系统的可响应的亮度范围是:1 1

4、或有1010个个量级的幅度范围。视觉感知的低级感知层次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。这是三基色原这是三基色原理的生理基础理的生理基础。视觉感知的低级感知层次视觉感知的低级感知层次视觉感知的高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

5、究的重要课题。生物视觉通路二视觉的外在表现二视觉的外在表现-视觉现象视觉现象( (视觉特性视觉特性) )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 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:二视觉的外在表现二视觉的外在表现-视觉现象视觉现象( (视觉特性视觉特性) )对于运动图象,x,y,zx,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 间相互关系,可

6、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 1）相对视敏函数）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 1）相对视敏函数）相对视敏函数: :视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所

7、不同，对视锥体情况，在 =555nm 时绿光亮度最敏感，对视杆体暗视情况,则 =505nm 时最敏感。 图图1.2 1.2 相对视敏度曲线相对视敏度曲线（2 2）对比度的灵敏度和同时对比度）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 LawWebers 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

8、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 的视觉亮度范围的。（2 2）对比度的灵敏度和同时对比度）对比度的灵敏度和同时对比度图图1.31.3，图象对比度模型，图象对比度模型（3 3）马赫带）马赫带(Mach Bands)(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

9、象侧抑制现象( (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 3）马赫带）马赫带(Mach Bands)(Mach Bands) 图图1.4 1.4 马赫带效应马赫带效应（3 3）马赫带）马赫带(Mach Bands)(Mach Bands) 图图1.4 1.4 马赫带效应马赫带效应视觉系统的冲击响应图图1.5 1.5 视觉系统冲击响应视觉系统冲击响应视觉系统的冲击响应图图1.5 1.5 视觉系统冲击响应视觉系统冲击响应视觉系统的调制传输函数视觉

10、系统的调制传输函数MTFMTF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MTFMTF。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视觉系统的调制传输函数MTFMTF图图1.6 1.6 视觉系统的调制传输函数视觉系统的调制传输函数MTFMTF视觉系

11、统的调制传输函数视觉系统的调制传输函数MTFMTF 作为近似,MTFMTF 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

12、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.视觉的瞬时性质视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision)B.B. 临界熔合频率临界熔合频率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间频率的闪烁的敏感度.视觉的瞬时性质视觉的瞬

13、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.视觉的瞬时性质视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision)图图1.7 1.7 闪烁场的瞬时调制传输函数闪烁场的瞬时调制传输函数MTFMTF5 5）彩色视觉特性）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

14、色视觉特性是亮度(Brightness)、色调(Hue)(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；白光的多少；彩色空间的感知表示：图彩色空间的感知表示：图彩色空间感知的表示彩色空间感知的表示彩色的表示:彩色的表示是基于Tomas Young提出的三基色三基色原理原理：“任何彩色可以用合适的任何彩色可以用合适的三种基本色三种基本色混合而再生混合而再生” 生理学已证明，生理学已证明，视网膜中有叁种视锥体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(

15、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）三基色三基色原理原理基于三基色基于三基色原理，一个光谱能量分布为原理，一个光谱能量分布为 的有的有色光所产生的彩色色光所产生的彩色感觉，可用谱响应来描述：即：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彩色匹配和再生利用一组光源将彩色再生是彩色研究中利用一组光源将彩色再生是彩色研究中的基本问题之

16、一。的基本问题之一。三个线性独立的基本光源，其光谱能量分布三个线性独立的基本光源，其光谱能量分布对任意光源对任意光源 的匹配为：的匹配为：彩色匹配彩色匹配Grassmans定理定理1.任何彩色可以用至多三种彩色光所匹配；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围内保持;5.匹配的彩色相加后仍然保持匹配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

17、然保持匹配匹配的彩色混合相减后仍然保持匹配;7.彩色匹配的传递定理彩色匹配的传递定理;8.三种彩色匹配三种彩色匹配: 直接的和间接的直接的和间接的。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。