視覺與成像PPT課件

1、2.1 視覺過程2 化學過程 錐細胞和柱細胞：錐細胞和柱細胞：錐細胞：數(shù)量少，對顏色很敏感錐細胞視覺：明視覺或亮光視覺柱細胞：數(shù)量多，分辨率比較低 不感受顏色并對低照度較敏感柱細胞視覺：暗視覺或微光視覺第2頁/共43頁第1頁/共43頁2.1 視覺過程3 神經(jīng)處理過程 每個視網(wǎng)膜接收單元都與一個神經(jīng)元細胞借助突觸（synapse）相連每個神經(jīng)元細胞借助其它的突觸與其它細胞連接，從而構(gòu)成光神經(jīng)（optical nerve）網(wǎng)絡光神經(jīng)進一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（side region of the brain）連接，并到達大腦中的紋狀皮層（striated cortex）對光刺激產(chǎn)生的響應經(jīng)過一系列處理

2、最終形成關(guān)于場景的表象，從而將對光的感覺轉(zhuǎn)化為對景物的知覺 第3頁/共43頁第2頁/共43頁2.1 視覺過程 整體視覺過程視覺 “視” “覺” 第4頁/共43頁第3頁/共43頁2.2 光度學和亮度視覺2.2.1 光度學2.2.2一個簡單的成象模型2.2.3視覺系統(tǒng)對光的感知特點 2.2.4 光度學和亮度視覺第5頁/共43頁第4頁/共43頁2.2.1 光度學輻射度量學研究各種電磁輻射強弱的學科光是一種電磁輻射光度學研究光的強弱的學科光通量的單位：lm（流明）第6頁/共43頁第5頁/共43頁2.2.1 光度學點光源線度足夠小，或距離觀察者足夠遠發(fā)光強度I：點光源沿某個方向上單位 立體角d內(nèi)發(fā)出的光

3、通量dF 單位：cd（坎） 1 cd = 1 lm / srrd點光源QFddI第7頁/共43頁第6頁/共43頁2.2.1 光度學點光源立體角（solid angle）是從一點（稱為立體角的頂點）出發(fā)通過一條閉合曲線上所有點的射線圍成的空間部分，所以立體角表示由頂點看閉合曲線時的視角?？梢匀∫涣Ⅲw角在以其頂點為球心所作的球面上截出部分的面積與球面半徑的平方之比作為對該立體角的度量。立體角的單位是球面度，記為sr。一個球面度對應在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長的正方形面積時的立體角。第8頁/共43頁第7頁/共43頁2.2.1 光度學擴展光源有一定發(fā)光面積的光源光度學亮度B(單位：cd /

4、m2)rd擴展光源(b)NSSddFcos d dd cos ddddSSISIB第9頁/共43頁第8頁/共43頁2.2.1 光度學照度（illumination）一個被光線照射的表面上的照度定義為照射在單位面積上的光通量。設(shè)面元dS上的光通量為dF，則此面元上的照度E為： 單位：lx（勒克斯），1 lx = 1 lm / m2照度：是光源對物體輻射的一種量度 表2.3.2亮度：觀察者對物體表面光強的量度 表2.3.1 d dSEF第10頁/共43頁第9頁/共43頁2.2.2 一個簡單的成象模型圖象成象模型2-D亮度函數(shù)：f (x, y)亮度是能量的量度，一定不為零且為有限值(1) 入射到可見

5、場景上的光量(2) 場景中目標對入射光反射的比率照度成分 i (x, y)和反射成分 r (x, y),(0yxf第11頁/共43頁第10頁/共43頁2.2.2 一個簡單的成象模型圖象成象模型f (x, y)與 i (x, y)和 r (x, y)都成正比i (x, y)的值是由光源決定的r (x, y)的值是由場景中的目標特性所決定的典型值：P.40),(),(),(yxryxiyxf),(0yxi1),(0yxr第12頁/共43頁第11頁/共43頁2.2.3 視覺系統(tǒng)對光的感知特點人眼適應的亮度范圍人眼適應的亮度范圍 （1）總體范圍大：從暗視覺門限到眩目極限之間的范圍在1010量級 （2）

6、具體范圍?。阂话惴秶?02量級總體范圍具體范圍暗視覺門限眩目極限第13頁/共43頁第12頁/共43頁2.2.4光度學和亮度視覺亮度變化的感知亮度變化的感知人類視覺系統(tǒng)對亮度變化的感知比對亮度本身要敏感 人類視覺系統(tǒng)對光強度的響應不是線性的，而是對數(shù)形式的（對暗光時亮度的增加比對亮光時亮度的增加更敏感） 第14頁/共43頁第13頁/共43頁2.3 從感覺到知覺1. 視感覺和視知覺人的視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺和熱覺等功能都可分為感覺和知覺兩個層次感覺是較低層次的，它主要接收外部刺激。知覺則處于較高層次，它要將外部刺激轉(zhuǎn)化為有意義的內(nèi)容視知覺的任務是確定“什么東西在什么地方”（What is

7、where） P.17第15頁/共43頁第14頁/共43頁2.3 從感覺到知覺2.視知覺的復雜性 視知覺是一個復雜的過程，在很多情況下只依靠光投射到視網(wǎng)膜上形成的視網(wǎng)膜圖像和人們已知的眼或神經(jīng)系統(tǒng)的機制還難以把全部知覺過程解釋清楚(1) 視覺邊緣：隨視點而變化P.18(2) 亮度對比：兩個可視表面僅在它們被看作處在同一個視覺平面上時可比較亮度。如果將它們看作與眼有不同的距離，要比較它們相對的亮度就很困難 第16頁/共43頁第15頁/共43頁2.3 從感覺到知覺3.圖象的雙重感知真實性 人們在觀察圖象時會同時將圖象感知為一個平面的一部分和一個3-D空間的一部分。這個基本的心理現(xiàn)象可稱為圖象的雙重

8、感知真實性（double perceptual reality of images） P.18 (1) 有關(guān)圖象2-D真實性的信息 (2) 有關(guān)圖象3-D真實性的信息(3) 視點假設(shè) (4) 雙重真實性和學習 第17頁/共43頁第16頁/共43頁2.4 視覺特性用空間以及時間的語言來描述感知2.4.1視覺的時間特性2.4.2視覺的空間特性 第18頁/共43頁第17頁/共43頁2.4.1 視覺的時間特性視覺首先并主要是一個空間的感受，但時間因素也是視覺感知中的一個基本因素。這可從三方面解釋：(1)大多數(shù)視覺刺激是隨時間變化的，或者是順序產(chǎn)生的(2)眼睛一般是在不停運動的，這使得由大腦獲取的信息是

9、不斷變化的(3)感知本身并不是一個瞬間的過程，盡管有些感知步驟很快，但總有一些步驟會較慢，因為信息處理總是需要時間的 第19頁/共43頁第18頁/共43頁2.4.1 視覺的時間特性1. 隨時間變化的視覺現(xiàn)象(1) 亮度適應當眼睛遇到亮度的突然變化時，眼睛會暫時看 不見一會兒以盡快適應新的亮度 對亮光的適應比對暗光的適應要快 (2)眼睛的時間分辨率60-80微秒?yún)^(qū)分兩種不同步的亮度現(xiàn)象20-40微秒以確定哪個亮度現(xiàn)象先出現(xiàn) 第20頁/共43頁第19頁/共43頁2.4.1 視覺的時間特性2.感知中的時間因素 （快響應）(1)閃爍當入射光的強度變化頻率不太快時，視覺系統(tǒng)能感知到入射光強的變化，當光的

10、頻率增加且超過一個臨界（critical）頻率（其值依賴于光的強度）后，這種效果就消失了(2)視覺屏蔽一個接一個快速到來的光刺激有可能互相影響 第21頁/共43頁第20頁/共43頁2.4.1 視覺的時間特性3.視覺在時間上的累積效應當對一般亮度（光刺激不太大）的物體進行觀察時，接收光的總能量E與物體可見面積A、表面亮度L和時距（觀察時間長度）T成正比，如令Ec為以50%的概率覺察到所需的臨界光能量（即在多次試驗中，每兩次中有一次觀察到光刺激時的光能量），則有成立的條件是T Tc，Tc為臨界時距 TLAEc第22頁/共43頁第21頁/共43頁2.4.2 視覺的空間特性1.視覺在空間上的累積效應光

11、面積和強度的反比定律其中Ec為50%覺察概率所需的臨界光能量，即視覺的絕對閾值，A為累積面積，L為亮度，k是一個常數(shù)，它與Ec，A，L所用的單位有關(guān)當小而弱的光點單獨呈現(xiàn)時可能看不見，但是當多個這樣的光點連在一起作為一個大光點同時呈現(xiàn)時便能看見了 LAkEc第23頁/共43頁第22頁/共43頁2.4.2 視覺的空間特性2.視敏度反映對細節(jié)的分辨能力 對應觀察者所能看見的最小測試物體的尺寸 視敏度為1：表示對應視角為1度（1）時的 分辨能力（視敏度為2對應視角為0.5度） 覺察解象E認知定位P.22第24頁/共43頁第23頁/共43頁2.5 形狀知覺 2.5.1形狀的感知2.5.2輪廓 2.5.

12、3圖形和背景 2.5.4幾何圖形視錯覺 第25頁/共43頁第24頁/共43頁2.5.1 形狀的感知與形狀密切相關(guān)的概念 P.23 (1)視覺邊緣和目標 (2)前景和背景的分離 (3)形狀構(gòu)造的規(guī)律接近，相似，連續(xù)，封閉(4)形狀和信息 第26頁/共43頁第25頁/共43頁2.5.2 輪廓人在知覺一個形狀以前一定先看到輪廓輪廓的構(gòu)成用數(shù)學語言來說：輪廓對應亮度的二階導數(shù)亮度變化不產(chǎn)生輪廓，需要亮度的加速變化 輪廓不等于形狀 P.25第27頁/共43頁第26頁/共43頁2.5.2 輪廓主觀輪廓 在沒有直接刺激作用下而產(chǎn)生的輪廓知覺 在一定感覺信息的基礎(chǔ)上進行知覺假設(shè)的結(jié)果第28頁/共43頁第27頁

13、/共43頁2.5.3 圖形和背景形成圖形和背景的決定因素 1. 視野中的距離（接近程度）2. 相同或相似（顏色和亮度）P.26第29頁/共43頁第28頁/共43頁2.5.3 圖形和背景形成圖形和背景的決定因素 3.良好圖形P.28刺激性因素 (1)封閉；(2)連續(xù)；(3)對稱 (a)(b)(c)(d)第30頁/共43頁第29頁/共43頁2.5.3 圖形和背景形成圖形和背景的決定因素 非刺激性因素 (1)定勢（心向） (2)先驗知識 對圖形“良好性”的客觀測量：(1)圖形的“良好性”可借助信息論進行判定；(2)圖形的 “良好性”也可由它能變換出來的圖形數(shù)量來定量地說明 P.30 第31頁/共43

14、頁第30頁/共43頁2.5.4 幾何圖形視錯覺 當觀察線條圖形而把注意力只集中于它的 某一特征如它的長度、面積或方向時，由于各種主客觀因素的影響，有時感知到的結(jié)果與實際的刺激模式不相對應 (1) 數(shù)量（尺寸）上的視錯覺，包括在大小、長短方面引起的視錯覺 P.30 (2) 方向上的視錯覺，指直線或曲線在方向上變化引起的視錯覺 P.31第32頁/共43頁第31頁/共43頁2.5.4 幾何圖形視錯覺第33頁/共43頁第32頁/共43頁2.6 空間知覺 人能從只有高和寬的2-D空間（視網(wǎng)膜） 上形成的視象感知得到一個3-D視覺空間 空間知覺本質(zhì)上是一個深度感知問題2.6.1非視覺性深度線索 2.6.2

15、雙目深度線索 2.6.3單目深度線索第34頁/共43頁第33頁/共43頁2.6.1 非視覺性深度線索(1) 眼睛聚焦調(diào)節(jié)(2) 雙眼視軸的幅合（有生理基礎(chǔ)）原來平行的視軸向P點幅合時左眼向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動的角度為 L，右眼向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動的角度為 R，且有 = L + R知道轉(zhuǎn)角 就可以算出物距D 第35頁/共43頁第34頁/共43頁2.6.2 雙目深度線索 雙目視覺中，每只眼睛的視網(wǎng)膜上先各形成一個獨立的視像。它們不完全相同，導致雙眼視差（橫向象差） 雙眼視像傳到大腦皮層后結(jié)合起來，產(chǎn)生一個單一的具有深度感的視像對應點：雙眼視場中許多點被感知為一個點，這些點的左右視網(wǎng)膜圖像組成對應點對（雙眼單視）第36頁

16、/共43頁第35頁/共43頁2.6.2 雙目深度線索 中央眼：從主觀感覺上單一的器官理論上假想的，處于兩眼正中 主觀方向： P.36 隨機立體圖 輪廓知覺并不是立體視覺的先決條件CSFCLLSRCRSCFS中央眼第37頁/共43頁第36頁/共43頁2.6.3 單目深度線索刺激物本身的一些物理條件(1) 大小和距離 s = S/D （歐幾里德定律）(2) 照明的變化1) 光亮與陰影的分布； 2) 顏色分布 3) 空氣透視(3) 線性透視(4) 紋理梯度 (5) 物體的遮擋(6) 運動視差PABv方向運動視差第38頁/共43頁第37頁/共43頁2.6.3 單目深度線索知覺恒常性 物理尺寸（場景中物

17、體的實際大小） 視像象尺寸（對應視網(wǎng)膜上視角的大?。?知覺尺寸（人最終所知覺的大小）知覺恒常性指實際中人能比較正確地知覺不同距離外物體的物理大小，不完全因視角大小的變化而變化視視像像尺寸尺寸 知覺尺寸知覺尺寸 物理尺寸物理尺寸第39頁/共43頁第38頁/共43頁2.7 運動知覺 1.1.運動感知的條件運動只能在一定條件或限度內(nèi)被感知到運動非常慢：將不會被認為是運動的運動非?？欤核鼘⒈徽J為是模糊的(1)物體的尺寸：大尺寸的物體需要多運動些才能被看作是運動的(2)亮度和反差：越大運動越感知得明顯(3)環(huán)境：運動的感知有一定的相對性，如果有固定的參考點運動就容易感知到第40頁/共43頁第39頁/共43頁2.7 運動知覺 2.2.真實運動和表觀運動表觀運動（apparent movement）實際中沒有景物運動，但感知到運動時間差很小時間差很大時間差恰當?shù)?1頁/共43頁第40頁/共43頁2.7 運動知覺 3.3.眼睛的運動 眼睛總是處在運動之中，有若干種： (1)突然的且非?？斓募彼龠\動（ 1/10秒）：這可能是有意的（如閱讀換行時）或無