第2章視覺與成像

1、第1頁第2講第第2章章 視覺與成像視覺與成像 2.1 視覺過程 2.2 光度學(xué)和亮度視覺2.3從感覺到知覺2.4視覺特性2.5形狀知覺2.6空間知覺2.7運(yùn)動(dòng)知覺 第2頁第2講2.1 視覺過程視覺過程1 光學(xué)過程 15 / 100 = 2.55 / 17第3頁第2講2.1 視覺過程視覺過程2 化學(xué)過程 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：明視覺或亮光視覺柱細(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：暗視覺或微光視覺第4頁第2講2.1 視覺過程視覺過程3 神經(jīng)處理過程 每個(gè)視網(wǎng)膜接收單元都與一個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞借助突觸（synapse）相連每個(gè)

2、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)過一系列處理最終形成關(guān)于場景的表象，從而將對(duì)光的感覺轉(zhuǎn)化為對(duì)景物的知覺 第5頁第2講2.1 視覺過程視覺過程 整體視覺過程視覺 “視” “覺” 第6頁第2講2.2 光度學(xué)和亮度視覺光度學(xué)和亮度視覺2.2.1 光度學(xué)2.2.2一個(gè)簡單的成象模型2.2.3視覺系統(tǒng)對(duì)光的感知特點(diǎn) 2.2.4 光度學(xué)和亮度視覺光度學(xué)和亮度視覺第7頁第2講2.2.1 光度學(xué)

3、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 / srrdrd擴(kuò)展光源點(diǎn)光源(a)(b)NSSddQFddI第9頁第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)通過一條閉合曲線上所有點(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?？梢匀∫涣Ⅲw角在以其頂點(diǎn)為球心所作的球面上截出部分

4、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的正方形面積時(shí)的立體角。第10頁第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)rdrd擴(kuò)展光源點(diǎn)光源(a)(b)NSSddQFcos d dd cos ddddSSISIB第11頁第2講2.2.1 光度學(xué)照度照度（illumination）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

5、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 dSEF第12頁第2講2.2.2 一個(gè)簡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) 入射到可見場景上的光量(2) 場景中目標(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13頁第2講2.2.2 一個(gè)簡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)的值是由場景中的目標(biāo)特性所決定的典型值：P.40),(

6、),(),(yxryxiyxf),(0yxi1),(0yxr第14頁第2講2.2.3 視覺系統(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：從暗視覺門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門限眩目極限第15頁第2講2.2.4光度學(xué)和亮度視覺光度學(xué)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(duì)亮度變化的感知比對(duì)亮度本身要敏感 人類視覺系統(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頁第2講2.3 從感覺到知覺從感覺到知覺1. 視感覺和視知覺人的視覺、聽覺、

7、嗅覺、味覺、觸覺和熱覺等功能都可分為感覺和知覺兩個(gè)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(wù)是確定“什么東西在什么地方”（What is where） P.17第17頁第2講2.3 從感覺到知覺從感覺到知覺2.視知覺的復(fù)雜性 視知覺是一個(gè)復(fù)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(jī)制還難以把全部知覺過程解釋清楚(1) 視覺邊緣：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

8、第18頁第2講2.3 從感覺到知覺從感覺到知覺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.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頁第2講2.4 視覺特性視覺特性用空間以及時(shí)間的語言來描述感知2.4.1視覺的時(shí)間特性2.4.2視覺的空間特性 第20頁第2講2.4.1 視覺的時(shí)間特性視覺首先并主要是一個(gè)空間的感受，但時(shí)間因素也是視覺

9、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)瞬間的過程，盡管有些感知步驟很快，但總有一些步驟會(huì)較慢，因?yàn)樾畔⑻幚砜偸切枰獣r(shí)間的 第21頁第2講2.4.1 視覺的時(shí)間特性1. 隨時(shí)間變化的視覺現(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頁第2講2.4.1 視覺的時(shí)間特性2.感知中

10、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)視覺屏蔽一個(gè)接一個(gè)快速到來的光刺激有可能互相影響 第23頁第2講2.4.1 視覺的時(shí)間特性3.視覺在時(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與物體可見面積A、表面亮度L和時(shí)距（觀察時(shí)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(yàn)中，每兩次中有一次觀察到光刺激時(shí)的光能量），則有成立的條件是T Tc，Tc為臨界時(shí)距 TLAEc第24頁第

11、2講2.4.2 視覺的空間特性1.視覺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%覺察概率所需的臨界光能量，即視覺的絕對(duì)閾值，A為累積面積，L為亮度，k是一個(gè)常數(shù)，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，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)便能看見了 LAkEc第25頁第2講2.4.2 視覺的空間特性2.視敏度反映對(duì)細(xì)節(jié)的分辨能力 對(duì)應(yīng)觀察者所能看見的最小測試物體的尺寸 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） 覺察解象E認(rèn)知定位P.22第26頁第2講2.5 形狀知覺形狀知覺 2.5.1形狀的感知2

12、.5.2輪廓 2.5.3圖形和背景 2.5.4幾何圖形視錯(cuò)覺 第27頁第2講2.5.1 形狀的感知與形狀密切相關(guān)的概念 P.23 (1)視覺邊緣和目標(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頁第2講2.5.2 輪廓人在知覺一個(gè)形狀以前一定先看到輪廓輪廓的構(gòu)成用數(shù)學(xué)語言來說：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頁第2講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(jìn)行知覺假設(shè)的結(jié)果第30頁第2講2.5.3 圖形和背景形成圖形和背景的決定因素 1. 視

13、野中的距離（接近程度）2. 相同或相似（顏色和亮度）P.26第31頁第2講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(duì)稱 (a)(b)(c)(d)第32頁第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的圖形數(shù)量來定量地說明 P.30 第33頁第2講2.5.4 幾何圖形視錯(cuò)覺 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度、面積或方向時(shí)，由于各種主客觀因

14、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，包括在大小、長短方面引起的視錯(cuò)覺 P.30 (2) 方向上的視錯(cuò)覺，指直線或曲線在方向上變化引起的視錯(cuò)覺 P.31第34頁第2講2.5.4 幾何圖形視錯(cuò)覺第35頁第2講2.6 空間知覺空間知覺 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(gè)3-D視覺空間 空間知覺本質(zhì)上是一個(gè)深度感知問題2.6.1非視覺性深度線索 2.6.2雙目深度線索 2.6.3單目深度線索第36頁第2講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(diǎn)幅合時(shí)左眼向內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)

15、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 = L + R知道轉(zhuǎn)角 就可以算出物距D 第37頁第2講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(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，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頁第2講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(jī)立體圖 輪廓知覺并不是立體視覺的先決條件CSFCLLSRCRSCFS中央眼中央眼第39頁第2講2.6

16、.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PABv方向運(yùn)動(dòng)視差第40頁第2講2.6.3 單目深度線索知覺恒常性 物理尺寸（場景中物體的實(shí)際大?。?視像象尺寸（對(duì)應(yīng)視網(wǎng)膜上視角的大?。?知覺尺寸（人最終所知覺的大?。┲X恒常性指實(shí)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41頁第2講2.7 運(yùn)動(dòng)知覺運(yùn)動(dòng)知覺 1.1.運(yùn)

17、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)非常快：它將被認(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頁第2講2.7 運(yùn)動(dòng)知覺運(yùn)動(dòng)知覺 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)?shù)?3頁第2講2.7 運(yùn)動(dòng)知覺運(yùn)動(dòng)知覺 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)突然的且非?？斓募彼龠\(yùn)