第2章視覺(jué)與成像

1、第1頁(yè)第2講 第第2章章 視覺(jué)與成像視覺(jué)與成像 2.1 視覺(jué)過(guò)程 2.2 光度學(xué)和亮度視覺(jué) 2.3從感覺(jué)到知覺(jué) 2.4視覺(jué)特性 2.5形狀知覺(jué) 2.6空間知覺(jué) 2.7運(yùn)動(dòng)知覺(jué) 第2頁(yè)第2講 2.1 視覺(jué)過(guò)程視覺(jué)過(guò)程 1 光學(xué)過(guò)程 15 / 100 = 2.55 / 17 第3頁(yè)第2講 2.1 視覺(jué)過(guò)程視覺(jué)過(guò)程 2 化學(xué)過(guò)程 錐細(xì)胞和柱細(xì)胞：錐細(xì)胞和柱細(xì)胞： 錐細(xì)胞：數(shù)量少，對(duì)顏色很敏感 錐細(xì)胞視覺(jué)：明視覺(jué)或亮光視覺(jué) 柱細(xì)胞：數(shù)量多，分辨率比較低 不感受顏色并對(duì)低照度較敏感 柱細(xì)胞視覺(jué)：暗視覺(jué)或微光視覺(jué) 第4頁(yè)第2講 2.1 視覺(jué)過(guò)程視覺(jué)過(guò)程 3 神經(jīng)處理過(guò)程 每個(gè)視網(wǎng)膜接收單元都與一個(gè)神經(jīng)元細(xì)

2、胞借助突觸 （synapse）相連 每個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞借助其它的突觸與其它細(xì)胞連接， 從而構(gòu)成光神經(jīng)（optical nerve）網(wǎng)絡(luò) 光神經(jīng)進(jìn)一步與大腦中的側(cè)區(qū)域（side region of the brain）連接，并到達(dá)大腦中的紋狀皮層（striated cortex） 對(duì)光刺激產(chǎn)生的響應(yīng)經(jīng)過(guò)一系列處理最終形成關(guān)于 場(chǎng)景的表象，從而將對(duì)光的感覺(jué)轉(zhuǎn)化為對(duì)景物的知覺(jué) 第5頁(yè)第2講 2.1 視覺(jué)過(guò)程視覺(jué)過(guò)程 整體視覺(jué)過(guò)程 視覺(jué) “視” “覺(jué)” 第6頁(yè)第2講 2.2 光度學(xué)和亮度視覺(jué)光度學(xué)和亮度視覺(jué) 2.2.1 光度學(xué) 2.2.2一個(gè)簡(jiǎn)單的成象模型 2.2.3視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光的感知特點(diǎn) 2.2.4 光

3、度學(xué)和亮度視覺(jué)光度學(xué)和亮度視覺(jué) 第7頁(yè)第2講 2.2.1 光度學(xué) 輻射度量學(xué)輻射度量學(xué) 研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科 光是一種電磁輻射 光度學(xué)光度學(xué) 研究光的強(qiáng)弱的學(xué)科 光通量的單位：lm（流明） 第8頁(yè)第2講 2.2.1 光度學(xué) 點(diǎn)光源點(diǎn)光源 線度足夠小，或距離觀察者足夠遠(yuǎn) 發(fā)光強(qiáng)度I：點(diǎn)光源沿某個(gè)方向上單位 立體角d內(nèi)發(fā)出的光通量dF 單位：cd（坎） 1 cd = 1 lm / sr rdr d 擴(kuò)展光源點(diǎn)光源 (a)(b) N S Sd d Q F d d I 第9頁(yè)第2講 2.2.1 光度學(xué) 點(diǎn)光源點(diǎn)光源 立體角（solid angle） 是從一點(diǎn)（稱為立體角的頂點(diǎn)）出發(fā)通過(guò)一條閉合

4、曲線上所有點(diǎn)的射線圍成的空間部分，所以立體角表示由 頂點(diǎn)看閉合曲線時(shí)的視角。 可以取一立體角在以其頂點(diǎn)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(duì)該立體角的度 量。立體角的單位是球面度，記為sr。一個(gè)球面度對(duì)應(yīng)在 球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長(zhǎng)的正方形面積時(shí) 的立體角。 第10頁(yè)第2講 2.2.1 光度學(xué) 擴(kuò)展光源擴(kuò)展光源 有一定發(fā)光面積的光源 光度學(xué)亮度B(單位：cd / m2) rdr d 擴(kuò)展光源點(diǎn)光源 (a)(b) N S Sd d Q F cos d d d cos d d d d S S I S I B 第11頁(yè)第2講 2.2.1 光度學(xué) 照度照度（illum

5、ination） 一個(gè)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(duì)物體輻射的一種量度 表2.3.2 亮度：觀察者對(duì)物體表面光強(qiáng)的量度 表2.3.1 d d S E F 第12頁(yè)第2講 2.2.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的成象模型 圖象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(jiàn)場(chǎng)景上的光量 (2) 場(chǎng)景中目標(biāo)對(duì)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1

6、3頁(yè)第2講 2.2.2 一個(gè)簡(jiǎn)單的成象模型 圖象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(chǎng)景中的目標(biāo)特性所決定的 典型值：P.40 ),(),(),(yxryxiyxf ),(0yxi 1),(0yxr 第14頁(yè)第2講 2.2.3 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光的感知特點(diǎn) 人眼適應(yīng)的亮度范圍人眼適應(yīng)的亮度范圍 （1）總體范圍大：從暗視覺(jué)門(mén)限到眩目極限之 間的范圍在1010量級(jí) （2）具體范圍?。阂话惴秶?02量級(jí) 總體范圍 具體范圍 暗視覺(jué)門(mén)限 眩目極限 第15頁(yè)第2講 2.2.4光度學(xué)和亮度視覺(jué)光度學(xué)

7、和亮度視覺(jué) 亮度變化的感知亮度變化的感知 人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)亮度變化的感知比對(duì)亮度本 身要敏感 人類視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)光強(qiáng)度的響應(yīng)不是線性的， 而是對(duì)數(shù)形式的（對(duì)暗光時(shí)亮度的增加比對(duì)亮光 時(shí)亮度的增加更敏感） 第16頁(yè)第2講 2.3 從感覺(jué)到知覺(jué)從感覺(jué)到知覺(jué) 1. 視感覺(jué)和視知覺(jué) 人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué) 和熱覺(jué)等功能都可分為感覺(jué)和知覺(jué)兩個(gè)層次 感覺(jué)是較低層次的，它主要接收外部 刺激。知覺(jué)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(jué)的任務(wù)是確定“什么東西在什 么地方”（What is where） P.17 第17頁(yè)第2講 2.3 從感覺(jué)到知覺(jué)從感覺(jué)到知覺(jué) 2.視知覺(jué)的復(fù)雜性 視知覺(jué)

8、是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)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(jī)制還難以把全部知覺(jué)過(guò) 程解釋清楚 (1) 視覺(jué)邊緣：隨視點(diǎn)而變化P.18 (2) 亮度對(duì)比：兩個(gè)可視表面僅在它們被看作處 在同一個(gè)視覺(jué)平面上時(shí)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(duì)的亮度就很困難 第18頁(yè)第2講 2.3 從感覺(jué)到知覺(jué)從感覺(jué)到知覺(jué) 3.圖象的雙重感知真實(shí)性 人們?cè)谟^察圖象時(shí)會(huì)同時(shí)將圖象感知為一個(gè) 平面的一部分和一個(gè)3-D空間的一部分。這個(gè)基本 的心理現(xiàn)象可稱為圖象的雙重感知真實(shí)性（double perceptual reality of images） P.

9、18 (1) 有關(guān)圖象2-D真實(shí)性的信息 (2) 有關(guān)圖象3-D真實(shí)性的信息 (3) 視點(diǎn)假設(shè) (4) 雙重真實(shí)性和學(xué)習(xí) 第19頁(yè)第2講 2.4 視覺(jué)特性視覺(jué)特性 用空間以及時(shí)間的語(yǔ)言來(lái)描述感知 2.4.1視覺(jué)的時(shí)間特性 2.4.2視覺(jué)的空間特性 第20頁(yè)第2講 2.4.1 視覺(jué)的時(shí)間特性 視覺(jué)首先并主要是一個(gè)空間的感受，但時(shí)間 因素也是視覺(jué)感知中的一個(gè)基本因素。這可從三 方面解釋： (1)大多數(shù)視覺(jué)刺激是隨時(shí)間變化的，或 者是順序產(chǎn)生的 (2)眼睛一般是在不停運(yùn)動(dòng)的，這使得由 大腦獲取的信息是不斷變化的 (3)感知本身并不是一個(gè)瞬間的過(guò)程，盡 管有些感知步驟很快，但總有一些步驟會(huì)較慢， 因?yàn)?/p>

10、信息處理總是需要時(shí)間的 第21頁(yè)第2講 2.4.1 視覺(jué)的時(shí)間特性 1. 隨時(shí)間變化的視覺(jué)現(xiàn)象 (1) 亮度適應(yīng) 當(dāng)眼睛遇到亮度的突然變化時(shí)，眼睛會(huì)暫時(shí)看 不見(jiàn)一會(huì)兒以盡快適應(yīng)新的亮度 對(duì)亮光的適應(yīng)比對(duì)暗光的適應(yīng)要快 (2)眼睛的時(shí)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(gè)亮度現(xiàn)象先出現(xiàn) 第22頁(yè)第2講 2.4.1 視覺(jué)的時(shí)間特性 2.感知中的時(shí)間因素 （快響應(yīng)） (1)閃爍 當(dāng)入射光的強(qiáng)度變化頻率不太快時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng) 能感知到入射光強(qiáng)的變化，當(dāng)光的頻率增加且超 過(guò)一個(gè)臨界（critical）頻率（其值依賴于光的 強(qiáng)度）后，這種效果就消失了 (2)視覺(jué)屏蔽 一個(gè)接

11、一個(gè)快速到來(lái)的光刺激有可能互相影響 第23頁(yè)第2講 2.4.1 視覺(jué)的時(shí)間特性 3.視覺(jué)在時(shí)間上的累積效應(yīng) 當(dāng)對(duì)一般亮度（光刺激不太大）的物體進(jìn)行觀 察時(shí)，接收光的總能量E與物體可見(jiàn)面積A、表面 亮度L和時(shí)距（觀察時(shí)間長(zhǎng)度）T成正比，如令Ec 為以50%的概率覺(jué)察到所需的臨界光能量（即在多 次試驗(yàn)中，每?jī)纱沃杏幸淮斡^察到光刺激時(shí)的光 能量），則有 成立的條件是T Tc，Tc為臨界時(shí)距 TLAE c 第24頁(yè)第2講 2.4.2 視覺(jué)的空間特性 1.視覺(jué)在空間上的累積效應(yīng) 光面積和強(qiáng)度的反比定律 其中Ec為50%覺(jué)察概率所需的臨界光能量，即視覺(jué) 的絕對(duì)閾值，A為累積面積，L為亮度，k是一個(gè)常 數(shù)，

12、它與Ec，A，L所用的單位有關(guān) 當(dāng)小而弱的光點(diǎn)單獨(dú)呈現(xiàn)時(shí)可能看不見(jiàn)，但是 當(dāng)多個(gè)這樣的光點(diǎn)連在一起作為一個(gè)大光點(diǎn)同時(shí) 呈現(xiàn)時(shí)便能看見(jiàn)了 LAkE c 第25頁(yè)第2講 2.4.2 視覺(jué)的空間特性 2.視敏度 反映對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力 對(duì)應(yīng)觀察者所能看見(jiàn)的最小測(cè)試物體的尺寸 視敏度為1：表示對(duì)應(yīng)視角為1度（1）時(shí)的 分辨能力（視敏度為2對(duì)應(yīng)視角為0.5度） 覺(jué)察解象 E 認(rèn)知定位 P.22 第26頁(yè)第2講 2.5 形狀知覺(jué)形狀知覺(jué) 2.5.1形狀的感知 2.5.2輪廓 2.5.3圖形和背景 2.5.4幾何圖形視錯(cuò)覺(jué) 第27頁(yè)第2講 2.5.1 形狀的感知 與形狀密切相關(guān)的概念 P.23 (1)視覺(jué)邊緣

13、和目標(biāo) (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28頁(yè)第2講 2.5.2 輪廓 人在知覺(jué)一個(gè)形狀以前一定先看到輪廓 輪廓的構(gòu)成用數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)： 輪廓對(duì)應(yīng)亮度的二階導(dǎo)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29頁(yè)第2講 2.5.2 輪廓 主觀輪廓 在沒(méi)有直接刺激作用下而產(chǎn)生的輪廓知覺(jué) 在一定感覺(jué)信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行知覺(jué)假設(shè)的結(jié)果 第30頁(yè)第2講 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31頁(yè)第2講 2.5.3 圖形和背景 形成圖形和背

14、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(duì)稱 (a)(b)(c)(d) 第32頁(yè)第2講 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(shì)（心向） (2)先驗(yàn)知識(shí) 對(duì)圖形“良好性”的客觀測(cè)量：(1)圖形的“良 好性”可借助信息論進(jìn)行判定；(2)圖形的 “良好性”也可由它能變換出來(lái)的圖形數(shù)量 來(lái)定量地說(shuō)明 P.30 第33頁(yè)第2講 2.5.4 幾何圖形視錯(cuò)覺(jué) 當(dāng)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(zhǎng)度、面積或方向時(shí)，由于 各種主客觀因素的影響，有時(shí)感知到的結(jié)果 與實(shí)際的刺激模式不相對(duì)應(yīng) (1) 數(shù)量（尺寸）上的視錯(cuò)覺(jué)，包

15、括在大小、 長(zhǎng)短方面引起的視錯(cuò)覺(jué) P.30 (2) 方向上的視錯(cuò)覺(jué)，指直線或曲線在方向上 變化引起的視錯(cuò)覺(jué) P.31 第34頁(yè)第2講 2.5.4 幾何圖形視錯(cuò)覺(jué) 第35頁(yè)第2講 2.6 空間知覺(jué)空間知覺(jué) 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(gè)3-D視覺(jué)空間 空間知覺(jué)本質(zhì)上是一個(gè)深度感知問(wèn)題 2.6.1非視覺(jué)性深度線索 2.6.2雙目深度線索 2.6.3單目深度線索 第36頁(yè)第2講 2.6.1 非視覺(jué)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(lái)平行的視軸向P點(diǎn)幅合 時(shí)左眼向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度 為 L，右眼向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的 角度為 R，且有 =

16、L + R 知道轉(zhuǎn)角 就可以算出物距D 第37頁(yè)第2講 2.6.2 雙目深度線索 雙目視覺(jué)中，每只眼睛的視網(wǎng)膜上先各 形成一個(gè)獨(dú)立的視像。它們不完全相同，導(dǎo) 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(lái)，產(chǎn) 生一個(gè)單一的具有深度感的視像 對(duì)應(yīng)點(diǎn)：雙眼視場(chǎng)中許多點(diǎn)被感知為 一個(gè)點(diǎn)，這些點(diǎn)的左右視網(wǎng)膜圖像組成對(duì)應(yīng) 點(diǎn)對(duì)（雙眼單視） 第38頁(yè)第2講 2.6.2 雙目深度線索 中央眼：從主觀感覺(jué)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(jī)立體圖 輪廓知覺(jué) 并不是立體視 覺(jué)的先決條件 CS F CL L S R C R S C F S 中央眼中央眼 第39頁(yè)第2講 2.

17、6.3 單目深度線索 刺激物本身的一些物理?xiàng)l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(yùn)動(dòng)視差 PAB v 方向運(yùn)動(dòng)視差 第40頁(yè)第2講 2.6.3 單目深度線索 知覺(jué)恒常性 物理尺寸（場(chǎng)景中物體的實(shí)際大?。?視像象尺寸（對(duì)應(yīng)視網(wǎng)膜上視角的大?。?知覺(jué)尺寸（人最終所知覺(jué)的大?。?知覺(jué)恒常性指實(shí)際中人能比較正確地知覺(jué)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(jué)尺寸知覺(jué)尺寸 物理尺寸物理尺寸 第41頁(yè)第2

18、講 2.7 運(yùn)動(dòng)知覺(jué)運(yùn)動(dòng)知覺(jué) 1.1.運(yùn)動(dòng)感知的條件運(yùn)動(dòng)感知的條件 運(yùn)動(dòng)只能在一定條件或限度內(nèi)被感知到 運(yùn)動(dòng)非常慢：將不會(huì)被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)的 運(yùn)動(dòng)非?？欤核鼘⒈徽J(rèn)為是模糊的 (1)物體的尺寸：大尺寸的物體需要多運(yùn)動(dòng)些 才能被看作是運(yùn)動(dòng)的 (2)亮度和反差：越大運(yùn)動(dòng)越感知得明顯 (3)環(huán)境：運(yùn)動(dòng)的感知有一定的相對(duì)性，如果 有固定的參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)就容易感知到 第42頁(yè)第2講 2.7 運(yùn)動(dòng)知覺(jué)運(yùn)動(dòng)知覺(jué) 2.2.真實(shí)運(yùn)動(dòng)和表觀運(yùn)動(dòng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)和表觀運(yùn)動(dòng) 表觀運(yùn)動(dòng)（apparent movement） 實(shí)際中沒(méi)有景物運(yùn)動(dòng)，但感知到運(yùn)動(dòng) 時(shí)間差很小 時(shí)間差很大 時(shí)間差恰當(dāng) 第43頁(yè)第2講 2.7 運(yùn)動(dòng)知覺(jué)運(yùn)動(dòng)知覺(jué) 3.3.眼睛的運(yùn)動(dòng)眼睛的運(yùn)動(dòng) 眼睛總是處在運(yùn)動(dòng)之中，有若干種： (1)突然