人眼視覺課件

1、機(jī)器視覺技術(shù),楊祎,電子工程學(xué)院光電子技術(shù)系,第2章 人眼的視覺,人眼視覺系統(tǒng)光度學(xué)色度學(xué),視覺現(xiàn)象視覺模型光度學(xué)的重要概念色度學(xué)的幾個(gè)定義,主要內(nèi)容,重點(diǎn)與難點(diǎn),一、人眼的視覺,有限的視見光譜域 －看不見紅外圖像和紫外圖像；有限的視見靈敏域 －光線太暗的地方能見度不高；有限的視見分辨率 －目標(biāo)太小了看不清楚；對視覺信號(hào)無記憶能力 －看過但是不記得,,,1、人的視覺特性,視覺是外界光刺激作

2、用于人的視覺神經(jīng)而產(chǎn)生的主觀感覺。視覺有三種特性，從描述視覺特性的心理物理量來看，它們是亮度、主波長、純度；從相應(yīng)的心理量來看，它們是明度、色調(diào)、飽和度。亮度表示光的強(qiáng)度，物體表面或光源的亮度越高，人感覺到的明度就越高。但兩者的關(guān)系并不固定；光譜是由不同波長的光組成的，不同波長所引起的不同感覺就是色調(diào)；純度是指沒有混入白色的窄帶單色光，在視覺上就是高飽和度的顏色。可見光譜的各種單色光是最飽和的彩色。當(dāng)光譜色摻入白光成分越多時(shí)，就越

3、不飽和。,用一個(gè)三維空間紡錘體形立體可以把顏色的三種基本特性:明度、色調(diào)和飽和度全部表示出來。,顏色特性對比,,,比,更亮,,,和,色調(diào)不同,,比,,飽和度更高,特定的光譜讓人感受到不同的亮度和顏色，這樣就感受到色彩繽紛的世界。,（1）人眼的構(gòu)造與感光機(jī)理,2.人眼如何看到圖像,角膜：直徑11mm的透明膜，曲率半徑8mm脈絡(luò)膜-減少光反射虹膜—控制光的量視網(wǎng)膜－人眼感知圖像信號(hào)的窗口視覺細(xì)胞--接收光桿狀體錐狀體水平細(xì)胞

4、神經(jīng)結(jié)細(xì)胞等晶狀體-強(qiáng)大的自動(dòng)調(diào)焦能力透鏡,視網(wǎng)膜成像－快速自動(dòng)變焦，自動(dòng)光圈調(diào)整，光軸可變，環(huán)境亮度自適應(yīng)－一個(gè)功能很強(qiáng)大的成像系統(tǒng),錐狀體（錐細(xì)胞）—白晝視覺（適亮視覺）約6,000,000到7,000,000個(gè)；對顏色很敏感，適應(yīng)于強(qiáng)照度；分為3種：一種：對光波段中央敏感，產(chǎn)生綠色感另兩種：對光波段兩端敏感，產(chǎn)生紅色和藍(lán)色 （對綠色最敏感、紅色次之、藍(lán)色最弱，所以常作為三基色）人類利用它分辨物體細(xì)節(jié)。桿狀體

5、（柱細(xì)胞）---夜視覺（適暗視覺）約75,000,000～150,000,000個(gè)；對顏色不敏感，適應(yīng)于低照度；柱細(xì)胞主要提供視野的整體視象。 因此看到的物體白天有色彩，夜里看不到色彩,（2）人眼的亮度感覺特性 ①視敏函數(shù)曲線,在同一亮度環(huán)境中，在輻射功率相同的條件下，波長等于550nm的綠光對人的亮度感覺最大。當(dāng)λ＜380nm和λ＞780nm時(shí)，v(λ)=0，紫外線和紅外線的輻射率再大，也不能引起亮

6、度感覺，所以它們是不可見光。,② 視覺范圍與分辨力視覺范圍：人眼所能感覺到的亮度范圍。這一范圍非常寬，但是人眼并不能同時(shí)感受這樣寬的亮度范圍。一般，在人眼適應(yīng)了某一平均的亮度環(huán)境后，他所能感受的亮度范圍要小的多。客觀上相同的亮度，當(dāng)平均亮度不同時(shí)，主觀感覺的亮度也不相同。人眼的明暗感覺是相對的，但由于人眼能適應(yīng)的平均亮度范圍很寬，所以總的視覺范圍很寬。分辨力：指人眼在一定距離上能區(qū)分開相鄰兩點(diǎn)的能力。和環(huán)境照度有關(guān)，當(dāng)照度太低，只

7、有桿狀細(xì)胞起作用，則分辨力下降；但照度太高也無助于分辨力的提高，可能出現(xiàn)“炫目”現(xiàn)象。相對對比度小時(shí)，對象和背景亮度很接近，導(dǎo)致分辨力下降。,③ 視覺適應(yīng)性和對比靈敏度,暗適應(yīng)性：人眼適應(yīng)暗環(huán)境的能力。（510nm敏感）,瞳孔放大 完成視覺過程的視敏細(xì)胞發(fā)生了變換，由桿狀細(xì)胞代替了錐狀細(xì)胞工作,明適應(yīng)性：人眼適應(yīng)亮環(huán)境的能力。（550nm敏感）,圖像對比度：圖像中最大亮度和最小亮度之比。,C1=Bmax/Bmin,相對對比度：,Cr

8、=（Bmax－ Bmin ）/Bmin,④ 主觀亮度感覺與客觀亮度的關(guān)系：S=klnB+k0（與人耳的聽覺規(guī)律很相似）,⑤ 明暗感覺的相對性,例如：對同一電燈，在白天和黑夜它對人眼產(chǎn)生的相對亮度感覺是不相同的。,,當(dāng)有光脈沖刺激人眼時(shí)，視覺的建立和消失都需要一定的過程，即具有一定的惰性。光源消失以后，景物影響會(huì)在視覺中保留一段時(shí)間，稱為視覺暫留或視覺惰性現(xiàn)象。視覺暫留時(shí)間在0.05～0.2秒?！　?shí)驗(yàn)表明，若景物以間歇性光亮重復(fù)

9、呈現(xiàn)，只要重復(fù)頻率大于20赫茲，視覺上始終保留有景物存在的印象。該重復(fù)頻率可稱為融合頻率。人眼感覺的連續(xù)性是活動(dòng)畫面有連續(xù)感的前提。在熒光屏上，電視圖像是幾十萬個(gè)象素按一定順序輪流發(fā)光形成，然而人們看到的是每幅完整的畫面在整體的發(fā)光，獲得一幅幅連續(xù)畫面印象的感覺，正是視覺暫留效應(yīng)的結(jié)果。 （場頻75-85Hz舒服）,（3）人眼的視覺惰性,重現(xiàn)圖像的亮度不必等于實(shí)際圖像的亮度，只要保持兩者的對比度不變，就能給人以真實(shí)的感覺； 人眼不能感

10、覺出來的亮度差別在重現(xiàn)圖像時(shí)不必精確地復(fù)制出來。,明暗感覺的相對性給圖像傳輸和重現(xiàn)帶來了方便：,3.視覺現(xiàn)象,視覺現(xiàn)象大多起因于人類的主觀因素，而這些現(xiàn)象或多或少是相互聯(lián)系的。,（1）亮度適應(yīng)力,,根據(jù)人眼機(jī)理及人的視覺模型，人眼感知的主觀亮度和實(shí)際的客觀亮度之間并非完全相同，但是有一定的對應(yīng)關(guān)系。人眼能夠感覺的亮度范圍（稱為視覺范圍）極寬，從千分之幾尼特直到幾百萬尼特。其所以如此之寬，是由于依靠了瞳孔和光敏細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用。瞳孔根

11、據(jù)外界光的強(qiáng)弱調(diào)節(jié)其大小，使射到視網(wǎng)膜上的光通量盡可能是適中的。在強(qiáng)光和弱光下，分別由錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞作用，而后者的靈敏度是前者的1萬倍。在不同的亮度環(huán)境下，人眼對于同一實(shí)際亮度所產(chǎn)生的相對亮度感覺是不相同的。例如對同一電燈，在白天和黑夜它對人眼產(chǎn)生的相對亮度感覺是不相同的。另外，當(dāng)人眼適應(yīng)了某一環(huán)境亮度時(shí)，所能感覺范圍將變小。例如，在白天環(huán)境亮度10，000特時(shí)，人眼大約能分辨的亮度范圍為200～20，000尼特，低于20

12、0尼特的亮度同感覺為黑色。而夜間環(huán)境為30尼特時(shí)，可分辨的亮度范圍為1～200尼特，這時(shí)100尼特的亮度就引起相當(dāng)亮的感覺。只有低于1尼特的亮度才引起黑色感覺。,典型照度,教室,陰天,陽光直射,夜間滿月,19,典型亮度（cd/mm2）,陽光,白熾燈,滿月,蠟燭,20,（2）對比靈敏度,,（3）亮度的感覺,,不同亮度下的路燈感覺不一樣,23,（4）馬赫效應(yīng)：當(dāng)亮度發(fā)生躍變時(shí)，會(huì)有一種邊緣增強(qiáng)的感覺，視覺上會(huì)感覺亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗。導(dǎo)致

13、局部閾值效應(yīng)。邊緣像素編碼誤差可大。,馬赫帶效應(yīng),（5）同時(shí)對比度,（6）空間錯(cuò)覺和假輪廓,,納克方塊（Necker cube），或稱為內(nèi)克爾立方體，是一個(gè)錯(cuò)視的圖像，由瑞士晶體學(xué)家路易斯·艾伯特·納克在其1832年發(fā)表的論文中首次提出。納克方塊是一個(gè)由12條線組成的圖像，是等大透視的角度繪畫一個(gè)立方體，等長的平行線不論其遠(yuǎn)近，在圖中會(huì)畫成等長的平行線，其中沒有任何關(guān)于立體的資訊。因此對于立方體的放置

14、位置及觀看角度會(huì)有模棱兩可的詮釋。,納克方塊是個(gè)有歧義性的圖，一種詮釋方式是在一個(gè)較高位置看透明立方體的俯視圖；另一種詮釋方式是在一個(gè)較低位置看透明立方體的仰視圖。人類的視覺系統(tǒng)在接收這類的圖像時(shí)，會(huì)設(shè)法詮釋圖像的各部份，使整體的圖像沒有矛盾之處。有時(shí)會(huì)用納克方塊來測試人人類視覺系統(tǒng)的電腦模型，測試電腦模型是否可以像人類視覺系統(tǒng)一樣的詮釋這個(gè)圖象。大多數(shù)的人在看納克方塊時(shí)，會(huì)將左前方的面視為立方體最接近觀察者的一面，也許是因

15、為人們在物體上方俯視物體的機(jī)率遠(yuǎn)高于物體下方仰視物體的情形，因此大腦傾向以這個(gè)的方式來詮釋圖像。                            &#

16、160;                                左邊是納克方塊，右邊是不可能立方體人類在觀看納克方塊

17、時(shí)，不會(huì)對方塊的各部份有不一致的詮釋。若有不一致的詮釋，其結(jié)果可能會(huì)類似不可能立方體，是不可能物體的一種。由納克方塊可以看出人類視覺系統(tǒng)的一些特性。人類詮釋納克方塊的方式可以說明人腦有類似類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性，存在二個(gè)不一樣，但都可以互換的穩(wěn)定狀態(tài)。西德尼·布拉德福在出生后10個(gè)月就失明，在52歲時(shí)接受手術(shù)恢復(fù)視力，他觀看納克方塊時(shí)不會(huì)像一般人有模棱兩可詮釋的情形。,,,利用錯(cuò)視生活中可以利用錯(cuò)視的地方：矮中見高就

18、是在居室中，其中一部分做吊燈，而另一部分不做，那么沒有吊燈的部分就會(huì)顯得“高”了。虛中見實(shí)通過條形或整幅的鏡面玻璃，可以在一個(gè)實(shí)在窨里制造出一個(gè)虛的空間，而虛的空間在視覺上卻是實(shí)的空間。冷調(diào)降溫例如廚房大面積使用深色時(shí)，我們呆在里面，就會(huì)覺得溫度下降2-3度。粗中見細(xì)在實(shí)木地板或者?；u等光潔度比較高的材質(zhì)會(huì)顯得較高的材質(zhì)邊上，放置一些粗糙的材質(zhì)，例如復(fù)古磚和鵝卵石，那么光潔的材質(zhì)會(huì)顯得更光潔，這就是對比形成的視錯(cuò)覺

19、。曲中見直一些建筑的天花板往往并不是平的，當(dāng)彎曲度不是很大的情況下，可以通過處理四條邊附近的平直角，造成視覺上的整體平整感。,4.視覺模型,（1）調(diào)制傳遞函數(shù),光學(xué)傳遞函數(shù)：,調(diào)制傳遞函數(shù)：,,,（2）對數(shù)空間響應(yīng)模型,,,二、光度學(xué),光度學(xué)——研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科稱為光度學(xué)（包括光的輻射、 吸收、照射、反射、散射、漫射等有關(guān)光的度量） 人眼可見的圖像可以用光度學(xué)來度量， f(x,y)——表示(x,y)點(diǎn)處，圖像的光強(qiáng)度。,幾個(gè)重

20、要概念：,發(fā)光強(qiáng)度I（intensity）光源發(fā)光的功率稱為發(fā)光強(qiáng)度。其單位主要有兩種： 燭光（Candle Power,c）——1c是指標(biāo)準(zhǔn)蠟燭發(fā)出的光。 坎德拉（Candle,cd）——1cd就是“完全輻射體”加溫到鉑的熔點(diǎn)時(shí)從1cm2表面面積上發(fā)出的光的1/60在實(shí)用中可以認(rèn)為1c=1cd,光通量 光通量是每秒鐘內(nèi)光流量的度量，其單位是流明（lm） 流明是指與1cd的光源相距的單位距離，與入射光相垂直的單位面積上每

21、秒鐘流經(jīng)的光流量叫1lm,照度E（illumination） 入射到某表面的光通量密度。用每單位面積的流明數(shù)來表示。 主要單位：勒克司（lx） 1 lx＝1 lm/m2 輻透（phot） 1 phot＝1 lm/cm2,亮度（Brightness） 這個(gè)概念用來說明物體表面發(fā)光的度量。光可以由一個(gè)面光源直接輻射出來，也可以由入射光照射下的某表面反射出來。亮度對兩者均適用。亮度的衡量

22、有兩種不同單位 A－以每單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度來表示的。尼特 1尼特＝1cd/m2 B- 以每單位面積發(fā)出的光通量來表示的。朗伯 1朗伯＝1lm/cm2,一些實(shí)際情況下的光照度值（單位：lx）,,對比度（contrast） 圖像中最大亮度Bmax與最小亮度Bmin之比。,反射（reflect） 反射系數(shù),透射（transmission） 透射系數(shù),灰度 圖像從亮到暗之間的亮度層次稱為灰度,三、色度學(xué),為了進(jìn)行圖像的

23、彩色分析，需建立研究彩色計(jì)量的學(xué)科稱為色度學(xué)。它是研究人眼彩色視覺的定性和定量規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。,（1）顏色的三要素,Essential Elements(顏色的三要素),light光,object被照明物體,observer觀察者,light光,我們看到的物體顏色由光的強(qiáng)度和它的光譜頻率決定。光比較暗時(shí)，物體顏色較少（如黑夜）光比較亮?xí)r，可看到更多的顏色,light光,可見光譜,白光由所有可見光譜的顏色混合而成,light光,實(shí)

24、際上，我們所知的白光光源通過光譜來區(qū)分。天空是 bluish white. Tungsten（鎢） 絲燈發(fā) yellowish white. 為了能客觀的評(píng)價(jià)顏色，我們定義了一些標(biāo)準(zhǔn)光源以避免顏色的混淆,object物體,在顏色到達(dá)我們的眼睛之前，還受到物體上的著色劑的影響：顏料染料磷粉等,object物體,物體對照射光反射吸收折射對著色劑進(jìn)行混合，可以控制看到的顏色反射光的顏色決定物體顏色著色劑不一樣，反射、吸

25、收不同波長的光，影響物體的顏色,,observer觀察者,observer觀察者,顏色的感知也受周圍顏色的影響,observer觀察者,物體顏色發(fā)射光顏色反射光、折射光的顏色顏色：可見光的一種視覺特性，客觀上，光本身沒有顏色，但可見光的不同光譜分布刺激人眼產(chǎn)生顏色感覺。顏色是一種主觀評(píng)判,observer觀察者,顏色的冷暖顏色的明暗顏色的活潑與呆板記憶色膨脹色、收縮色進(jìn)入色、后退色顏色與愛好等,observer

26、觀察者,觀察者也有可能有顏色視覺缺乏的情況。,observer觀察者,通常，人類對顏色的判決力優(yōu)于任何儀器。因?yàn)槲覀儗︻伾挠^察可利用獨(dú)特的生理學(xué)和心理學(xué)過程，我們稱之為“理解”,（2）三基色學(xué)說 這種學(xué)說認(rèn)為人眼的錐狀細(xì)胞是由紅、綠、藍(lán)三種感光細(xì)胞組成。由紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）三色光可以組成任何色彩（色光） 國際照度委員會(huì)（CIE）規(guī)定，R波長700nm，G：546.1nm， B：435.8nm（3）混色規(guī)律

27、不同顏色混合在一起，能產(chǎn)生新的顏色，這種方法稱為混色法。,混色,,相加混色：是各分色的光譜成分相加，彩色電視就是利用紅、綠、藍(lán)三基色相加產(chǎn)生各種不同的彩色。,相減混色：光譜成分的相減，在彩色電影、幻燈片、彩色印刷、繪畫中就是利用相減混色。,相加混色是由發(fā)光體發(fā)出的光相加而產(chǎn)生各種顏色，而相減混色是先有白色光，而后從中減去某些成分（吸收）得到各種彩色相加混色的三基色是紅、綠、藍(lán)，而相減混色的三基色是黃、青、品紅（一般不確切的說成是黃、藍(lán)

28、、紅）。也就是說相加混色的補(bǔ)色是相減混色的基色相加混色和相減混色有不同的規(guī)律。,相加混色和相減混色的區(qū)別：,所有顏色都可以用互相獨(dú)立的三基色混合得到。假如三基色的混合比相等，則色調(diào)和色飽和度也相等任意兩種顏色相混合產(chǎn)生的新顏色與采用三基色分別合成這兩種顏色的各自成分混合起來得到的結(jié)果相等?；旌仙墓饬炼仁窃瓉砀鞣至抗饬炼鹊目偤?。,格拉斯曼定律：,光源色：發(fā)光體（光源）具有一定的彩色稱為光源色物體色：不發(fā)光物體在光源的照射下，呈

29、現(xiàn)彩色，稱作物體色。,實(shí)際上物體所以呈現(xiàn)彩色是由于物體反射，或透射了照射光譜的一部分而吸收了其余部分。,消色物體的色：消色物體指黑、白、灰色物體，它對著照明光線具有非選擇性吸收的特性，即光線照射到消色物體上時(shí)，被吸收的各種波長的入射光是等量的；被反射或透射的光線，其光譜成分也與入射光的光譜成分相同。當(dāng)白光照射到消色物體上時(shí)，反射率在75％以上，即呈白色；反光率在10％以下的，即呈黑色；反光率介于兩者之間，就呈現(xiàn)深淺不同的灰色。有色物體

30、的色：有色物體對照明光線具有選擇性吸收的特性，即光線照射到有色物體上時(shí)，入射光中各種波長的色光是不等量的被吸收，有的被吸收得多，有的被吸收得少。白光照射到有色物體上時(shí)，其反射或透射的光線與入射光線相比，不僅亮度有所減弱，光譜成分也改變了，因而呈現(xiàn)出各種不同顏色。,光源的光譜成分對物體顏色的影響 當(dāng)有色光照射到消色物體上時(shí)，物體反射光顏色與入射光顏色相同。兩種以上有色光同時(shí)照到消色物體上時(shí)，物體顏色呈現(xiàn)加色效應(yīng)。它是利用源色相加

31、獲得彩色影像的方法,當(dāng)有色光照射到有色物體上時(shí)，物體顏色呈現(xiàn)減色效應(yīng)。它是利用源色相減獲得彩色影像的方法,人眼分辨率,對彩色的分辨率高，可以達(dá)到幾百種甚至上千種對黑白的分辨率弱，只能區(qū)分30多種不同的灰度級(jí),,例如大家在觀看彩色電視時(shí)就可以觀察到這一點(diǎn)，在彩色顯示時(shí)看到了一些畫面細(xì)節(jié)，但當(dāng)色調(diào)調(diào)到黑白顯示時(shí)，這些細(xì)節(jié)就會(huì)看不出來。這就是偽彩色技術(shù)的基本依據(jù)。,（4）顏色的三個(gè)屬性,色調(diào)（Hue）：色調(diào)是與混合光譜中主要波長相聯(lián)系的

32、，表現(xiàn)不同顏色的感受。飽和度（Saturation）:顏色的鮮明程度，與一定色調(diào)的純度有關(guān)，純光譜色是完全飽和的，隨著白光的加入飽和度逐漸減少。飽和度越高，顏色越深。亮度（Intensity）:指光波作用于感受器所發(fā)生的效應(yīng)，與物體的反射率成正比，反射系數(shù)越大，物體的亮度越大，反之越小。如果無彩色就只有亮度1個(gè)維量的變化。對彩色來說，顏色中摻入白色越多就越明亮，摻入黑色越多亮度就越小。,四、顏色模型,色度學(xué)模型純理論和計(jì)算C

33、IE-RGB、CIE-XYZ、CIE-UCS、CIE-ULCS(LUV)、L*a*b*工業(yè)彩色模型電視傳輸、彩色顯示、打印等實(shí)際場合NTSC-RGB(電視)、CMYK(打印機(jī))、NTSC-YIQ、YUV(多媒體)視覺彩色模型藝術(shù)家常用，與人眼視覺相吻合。用色調(diào)、飽合度和亮度來描述顏色。 HSI等,1.RGB模型,R：Red G:Green B:Blue,白,黑,2、YUV模型YUV 使用RGB的信息，

34、但它從全彩色圖像中產(chǎn)生一個(gè)黑白圖像，然后提取出三個(gè)主要的顏色變成兩個(gè)額外的信號(hào)來描述顏色。把這三個(gè)信號(hào)組合回來就可以產(chǎn)生一個(gè)全彩色圖像。YUV 使用紅，綠，藍(lán)的點(diǎn)陣組合來減少信號(hào)中的信息量。Y 表示亮度信號(hào)， U、V 表示色差信號(hào)， 構(gòu)成顏色兩個(gè)分量。這些值可以從新組合來決定紅，綠和藍(lán)的混合信號(hào)。Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B U = -0.1687 R - 0.3313 G + 0.5 B + 1