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第二章图像与视觉系统
视觉系统的基本构造 人眼的光学结构 视网膜 视觉通路 侧抑制 视神经的感受野 眼睛中图像的形成 视网膜 视网膜具有不同形状的光感受器(光敏细胞/视细胞) 锥状细胞(cone cell):白天, 感知颜色 锥状细胞的数目(大约6.5x106个),主要集中在中央凹,只在高照度下提供视觉响应(明视觉),能识别景物的细节 杆状细胞(rod cell): 夜晚, 只能感知亮度 杆状细胞的数目(大约130x106个),布满整个视网膜,在低照度下杆状细胞提供视觉响应,并且对形状和运动敏感(暗视觉) 视觉系统的基本构造 视觉系统的信息传递 侧抑制 马赫带效应 感受野的概念 单色视觉模型 一种最简单的模型是由一个低通滤波器后接一个高通滤波器组成。 低通滤波器模拟人眼的光学系统。由于晶状体的光学像差以及瞳孔尺寸、感光细胞尺寸和密度的有限性限制了系统的上限频率。 高通滤波器则反映了侧抑制引起引起的马赫带效应。 彩色视觉模型 经典的三色理论自英国医学家兼物理学家Thomas Young(13 June 1773 – 10 May 1829)提出的,他认为人的眼睛中有三类感光组织,分别对蓝光、红光、绿光灵敏。在白光照明下三类感光体都受到激励 彩色对立学说 由德国生理学家E.Hering提出对立色学说 在正常人眼的全部色调中,只有四种色调,即红、绿、黄、蓝四原色,不能用混合方式获得 四种颜色分别形成二二对立色,每对中的两种原色有着相反的性质。 蓝色同黄色形成一队 红色与绿色形成一对 亮度感觉是由黑色和白色是形成的各级灰度 彩色视觉模型 O.D.Faugeras提出的彩色视觉模型包含三级 第一级反映了经典的三色理论 第三级则反映了对立色学说 色彩的基本属性 对颜色的感知 亮度: 光的明亮程度 色度: 光的颜色和深浅 色调: 光的颜色,依赖于光的峰值波长 饱和度: 颜色的纯度,由光谱的范围或带宽决定 彩色物理学中的一个非常重要的发现就是“自然界的绝大多数颜色都可以由适当选择的三种基色混合产生。这就是所谓的三基色原理,这一原理首先由Maxwell在1855年给出证明的 三原色理论 三原色理论 发射光源 能发射光(太阳、TV监视器、灯) 对颜色的感知依赖于发射光的频率 遵循加色原理: R+G+B = White 反射光源 反射入射光 (布、 粗糙表面、颜料) 对颜色的感知依赖于反射光的频率 =incident freq – absorbed freq 遵循减色原理:R+G+B = Black(青品黄) 颜色表示模型 基于三原色的混色模型 -RGB -CMY -CMYK RGB颜色模型 RGB颜色模型 C(青)M(品红)Y(黄) RGB是加色模型 CMY是减色模型 HSI颜色模型 亮度和颜色感觉的视觉特性 刺激强度与感觉的关系 由于光照条件不同,人眼的锥状细胞和杆状细胞在视觉过程中起的作用不同,于是就有了人眼的明、暗视觉视敏函数曲线之分。 光的刺激强度与感觉的关系 亮度适应和颜色适应 明亮?较暗?现象? 逐渐能够看清物体?暗光适应(20~30s) 较暗?明亮?现象? 逐渐能够看清物体?亮光适应(1~2s) 亮度适应和颜色适应 亮度适应和颜色适应 亮度对比和颜色对比 马赫带效应 色调对比效应 颜色感觉与刺激面积的关系 颜色的主观性 暖色与冷色 视觉的空间性质 视觉的空间性质 整合时间/人眼的视觉惰性 视觉惰性 使视觉图像建立起来时需要时间的,而视觉图像一旦建立起来之后,即使把目标图像拿走,视觉反应也有持续一小段时间。正因为视网膜上的图像是逐渐消退的,所以视觉暂留可以存在约150~250ms。 人眼的亮度感觉不会随着物体亮度的消失而立即消失,而有一个过渡时间,这就是视觉惰性。实验表明,在此过渡时间内,亮度感觉按指数规律逐渐减小。 让观察者观察按时间重复的亮度脉冲,如果闪烁频率比较低,人眼就有一亮一暗的感觉。如果闪烁频率足够高,人眼看到的则是一个恒定的亮点。闪烁感刚好消失的重复频率叫做临界闪烁频率,经测定为46HZ。 电影播放过程中,每秒投射24幅静止画面,每幅画面投射过程中用机械挡光阀遮挡一次,等效于每画面投射2次,这样就得到了48HZ的闪烁频率。 电视每秒扫描50幅画面,由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力,看起来就成了整幅的活动景象。 主观轮廓和空间错觉 视觉现象-主观轮廓 视觉现象-空间错觉 视觉现象 空间错觉 Fraser螺旋错觉 左图是Fraser螺旋。黑色弧看起来像是一个螺旋,其实是一组同心圆构成。 背景上每一个带有方向性的小单元格使之产生螺旋上升的感觉,黑色内切的线条起到了引导作用 左边的图中
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