視覺(jué)模型和圖像基礎(chǔ)

1、第二章 視覺(jué)模型和圖像基礎(chǔ),版權(quán)所有， 1997 (c) Dale Carnegie & Associates, Inc.,CHAPTER 2 VISUAL MODELand IMAGE§1 圖像生成原理§2 視覺(jué)模型§3 圖像基礎(chǔ),§2.1 圖像生成原理,物體圖像是可見光刺激人的視網(wǎng)膜引起的視覺(jué)感受； 人眼結(jié)構(gòu)：視網(wǎng)膜表面分布著許多光接受細(xì)胞；分為錐細(xì)胞和柱細(xì)

2、胞兩大類。 錐細(xì)胞：約700萬(wàn)個(gè)，對(duì)顏色很敏感，錐細(xì)胞視覺(jué)稱為明視覺(jué)或亮光視覺(jué)； 柱細(xì)胞：約1億4000萬(wàn)個(gè)，分辨率比較低，對(duì)低照度較敏感，它們不感受顏色，主要提供視野的整體視像，柱細(xì)胞視覺(jué)稱為暗視覺(jué)或微光視覺(jué)； 視網(wǎng)膜中心可看作1.5mm* 1.5mm的方形傳感器矩陣；（模擬人眼） 原理包括：光的物理過(guò)程、 人對(duì)視覺(jué)刺激的反應(yīng)兩方面； 光源的輻射度

3、量 光度學(xué)、色度學(xué),§2.1.1 光源的輻射度量,一、可見光 1. 波長(zhǎng)：波長(zhǎng)從350nm（毫微米）-780nm。 人由可見光而引起視覺(jué)，看到圖像，感受到大千世界。 2. 光函數(shù)：用光函數(shù)c（x,y,t,?）表示可見光，為一連續(xù)函數(shù)。 x,y為空間分布（坐標(biāo)）； t為時(shí)間分布；

4、 ?為波長(zhǎng)； 即圖像源是能量在空間和時(shí)間上的分布； 3. 人眼及各種傳感器接受到的圖像信息為： Fi （x,y,t）= ∫c（x,y,t,?）Si （?）d ? 第i個(gè)傳感器的輸出 第i個(gè)傳感器的光譜特性 不同的傳感器對(duì)不同的波段敏感，多種傳感器可以綜合采集得到同一景物在不同波譜上輻射能量所成的像

5、。,二、光源的輻射特性—輻射強(qiáng)度,光輻射的能源可用r（ ?）表示，能譜分布r（ ?）：輻射源在單位時(shí)間內(nèi)在每一波長(zhǎng)間隔上所輻射的能量；輻射功率P= ∫r（ ?）d ?，亦稱輻射通量或輻射量，單位為瓦。光通量：光源以電磁波的形式輻射出的光功率稱為光通量； 單位為流明lm。輻照度（照度）：照射在單位面積上的光通量；單位為勒l(shuí)x。 是光源對(duì)物體輻射的一種度量。

6、圖像一般是對(duì)目標(biāo)上的照度成分i 和反射成分r 進(jìn)行度量得出的；即f（x,y）=i（x,y）*r（x,y）； f（x,y）為圖像在該點(diǎn)的灰度值；,§2.1.2 光度學(xué),光度學(xué)：定量描述可見光波能量引起的主觀亮度（感知明亮度）。一、視見函數(shù)?（?）：描述視網(wǎng)膜在光能量刺激下對(duì)不同波長(zhǎng)光線的敏感性。即人眼光譜響應(yīng)的特性。 ?（?）采用間接比較法測(cè)量獲得，等價(jià)于傳感器函數(shù)；二、主觀視覺(jué)強(qiáng)度（亮度）

7、 F（x,y,t）= ∫c（x,y,t,?）?（?）d ? 圖像是一個(gè)2D亮度函數(shù)。,§2.1.3 色度學(xué),色度學(xué)是定量測(cè)量彩色的科學(xué)。彩色與（1）照明源的輻射能量的分布及（2）觀察者的視覺(jué)感覺(jué)有關(guān)；彩色的心理感覺(jué)：主觀亮度Brightness、色調(diào)Hue、飽和度Saturation一、三基色學(xué)說(shuō) R、G、B三基色可組成任何色彩； 國(guó)際照明技術(shù)委員會(huì)CIE規(guī)定：R的波長(zhǎng)是700nm

8、；G的波長(zhǎng)是546.1nm；B的波長(zhǎng)是435.8nm；,§ 2.1.3 色度學(xué)（續(xù)1）,二、三刺激理論 1. 加性彩色系統(tǒng)（RGB分別用8Bit表示時(shí)，有16777216種顏色） 三基色逐步相加，RGB從（0,0,0）- （255,255,255）即從黑色（0,0,0）到白色（255,255,255）共計(jì)2的24次方冪種顏色。 適合于計(jì)算機(jī)處理。

9、2. 減性彩色系統(tǒng)（CMYK減色法） 白色相繼通過(guò)青色Cyan、洋紅Magenta和黃色Yellow濾色器后所出現(xiàn)的彩色； 三種CMY未經(jīng)濾色鏡時(shí)是黑色（K），全部過(guò)濾掉后呈白色； CMYK主要用于印刷行業(yè)。采用四種色板實(shí)現(xiàn)彩色印刷。,§2.1.3 色度學(xué)（續(xù)2）,三、Lab模式 L表示亮度（Lightness）、范圍0-100；

10、a是由綠到紅的光譜變化，-120-120； b是由藍(lán)到黃的光譜變化，-120-120 Lab模式色彩范圍最廣，采用數(shù)字方式，通用性強(qiáng)； 可以方便地轉(zhuǎn)換成其它模式；,§2.2 視覺(jué)模型,§ 2.2.1 視覺(jué)現(xiàn)象 一、同時(shí)對(duì)比度 在相同亮度的刺激下,由于背景亮度不同,人眼所感受到的主觀亮度不同，這種效應(yīng)稱為同時(shí)對(duì)比度。 由于同時(shí)對(duì)比是由亮度差別引起的，

11、故也稱為亮度對(duì)比。 相對(duì)應(yīng)的還有色度對(duì)比；紅色背景下的灰色物體顯綠色；,§2.2.1 視覺(jué)現(xiàn)象（續(xù)2）,二、對(duì)比靈敏度 在均勻照度背景 I 上，有一照度為 I+△I的光斑，稱眼睛剛好能分辨出的照度差△I與 I 的比（△I/ I）為對(duì)比靈敏度； 由于背景亮度 I 增大， △I 也需要增大，因此在相當(dāng)寬的強(qiáng)度范圍內(nèi)，對(duì)比靈敏度是一個(gè)常數(shù)，約等于0.02，這個(gè)比值稱為韋伯比（Weber比）。

12、亮度很強(qiáng)（弱）時(shí)不為常數(shù)。,§2.2.1 視覺(jué)現(xiàn)象（續(xù)3）,三、分辨率 人眼剛好能夠鑒別空間上或時(shí)間上二相鄰視覺(jué)信號(hào)存在的能力稱為系統(tǒng)的分辨率。用剛能分辨黑白線對(duì)數(shù)(1mm內(nèi))來(lái)定義分辨率。分辨率可用視覺(jué)銳度（空間域）、調(diào)制傳遞函數(shù)（頻率域）來(lái)測(cè)度。 視覺(jué)銳度：能夠鑒別最小空間模式的一種測(cè)度，用試驗(yàn)?zāi)Ｊ降囊暯?的倒數(shù)來(lái)定義銳度， ?以分為單位。 調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）：定義為頻域中輸出頻譜函數(shù)的絕對(duì)值與

13、輸入頻譜函數(shù)的絕對(duì)值之比。方法是輸入沿水平方向按正弦方式變化的線柵，一張正弦光柵作為參考圖，對(duì)比度和空間頻率固定，另一張可變，作為測(cè)試圖，讓觀察者在一定距離處看這兩張正弦光柵。反復(fù)測(cè)試不同頻率，達(dá)到視覺(jué)的MTF。MTF具有帶通濾波特性。,§2.2.1 視覺(jué)現(xiàn)象（續(xù)4）,四、Mach帶 在亮度變化部位附近的暗區(qū)和亮區(qū)中分別存在一條更黑和更亮的條帶，稱之為“馬赫帶”。（參見教材p16 ，圖2.2.3） 同時(shí)對(duì)比度是

14、面積亮度差引起的現(xiàn)象，馬赫帶是明暗邊界引起的現(xiàn)象。 側(cè)抑制效應(yīng)：視覺(jué)信號(hào)并不是單純由一個(gè)視覺(jué)細(xì)胞感覺(jué)產(chǎn)生的，而是由相鄰視覺(jué)細(xì)胞信號(hào)加權(quán)和形成的。 Mach帶可用側(cè)抑制機(jī)理來(lái)解釋，可認(rèn)為是局部空間域內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞之間相互作用的結(jié)果。 同時(shí)對(duì)比度和馬赫帶效應(yīng)表明，人所感覺(jué)到的亮度并不是強(qiáng)度的簡(jiǎn)單函數(shù)。,§2.2.2 單色視覺(jué)模型,簡(jiǎn)單視覺(jué)模型由一個(gè)低通濾波器后接一個(gè)高通濾波器組成，它是一種線性模型。 低

15、通濾波器模擬人眼的光學(xué)系統(tǒng)； 高通濾波器則反映側(cè)抑制引起的Mach帶效應(yīng)。 改進(jìn)：考慮視覺(jué)的亮度恒定現(xiàn)象，即物體和背景的亮度在很寬的范圍內(nèi)同時(shí)變化時(shí)，人對(duì)物體的亮度感覺(jué)保持不變。 模擬該現(xiàn)象的方法是在高通濾波器之前加上對(duì)數(shù)操作，采用非線性模型來(lái)模擬。 典型視覺(jué)系統(tǒng)模型如下： 低通濾波器 log 高通濾波器,,,,,