1、数字图像处理学第2章 图像、图像系统与视觉系统（第三讲）,2.6 视觉的空间性质,2.6.1、视力,视力是指人眼分辨物体细微部分的能力。眼睛的视野是较广的。一般以视线为中心向鼻子一侧大约为65，向耳朵一侧约为100104，向上约65，向下约75这样一个范围。在这样宽的视野范围内，视力最好的那一部分仅仅在视线附近，也就是只在视网膜中央凹上。在中央凹周围视力则急剧下降。,根据不同的测试条件测得的视力值也不同。根据国际标准，通常采用所谓的兰多尔特(Landolt)环来测定视力值。具体测定方法如图241所示。测试条件如下：视距为5m，照度为500lx，环的开口缝隙则刚好使视角为 1。当刚好勉强能分辨得
2、开时，这种情况下的视力为1.0。,图 241 视力为1.0时的兰多尔特环,如果使缝隙为上述的 1/2 时，那么在其他条件相同时视力为2.0。在视角范围内或者说在视网膜的各个部分上视力是不同的。在较暗的场合，因为锥状体不起作用，杆状体密度较高的中央凹附近视力相对的变高。,眼睛的光学系统对视力也有影响。瞳孔较大时，视力变低，但是在极端情况下，瞳孔很小时视力也要下降。,一般情况下，视距在1m以下时视距越小则视力降低越显著。此外，当背景用黑色，测试标为白色时，在某一对比度的场合由于光渗作用视力也会降低。特别是测试标在运动的情况下，运动速度越快则视力越低。,图 242 测试运动速度对视力的影响,2.6.
3、2 视觉的空间频率特性,在电信号的传输系统中，常常用输入激励和输出响应之间的关系表示系统的特性。最为常用的是相位特性与频率特性等。如果系统没有非线性失真，那么响应与激励之间就有确定的对应关系，此时就可以用一个测量结果采用数学处理方法来推导其他响应。,在光学系统中，可以用空间变化的信号来代替时间变化的信号。例如空间正弦波，只要把时间量纲换以距离的量纲就可以用相同的方法加以处理。,对于视觉系统，采用视力和亮度辨别门限一类参数来表示视觉系统的特性固然有重要意义，同时也希望考虑物理图像传输系统和适用于数学处理的系统这一环节。以此为基础，我们有可能采用通盘考虑视觉系统的反差灵敏度和分辨能力以及图像的主观
4、粒状性质和清晰度等物理系统的方法进行处理和预测。,眼睛光学系统的空间频率特性,眼睛光学系统的空间频率特性已由拉曼特(Lamant)、迪莫特(Demott)、克劳斯科普夫(Krauskopf)及罗尔勒(Rohler)等人进行了测定，测定结果如图243所示。图中实线是克劳斯科普夫的测定结果；点划线是罗尔勒测定的结果；点线是迪莫特测定的结果；虚线是拉曼特测定的结果。由图可见眼球光学系统具有低通特性。,图 243 眼睛光学系统的空间频率特性,.根据主观判断求得的视觉空间频率特性,根据主观判断测定视觉空间频率特性可以这样进行，将图244示的图型（空间正弦波模型）通过光学装置或电视装置显示出来并让被试验者
5、观看，然后使辉度固定，改变对比度，求出刚好能辨别出图形的辨别门限。,或者另外准备一个标准的对比度模型，求出认为与模型相等的对比度主观等价值(Point of subjective equality)。根据各种空间频度数测出的曲线就表示出视觉的空间频率特性。用这种方法，很多人对上述特性进行了测试，其结果如图245所示。,灰度,距离,图 244 空间正弦波图形,测试结果虽然多少有些差异，但总的倾向是一致的。在高频域和低频域其响应值均较低，其整个特性近似于带通滤波器特性。图中曲线是日本测定的，采用的平均辉度为英尺朗伯；曲线是大上（日本）的测试结果；是谢德(Schade)在,图 245用对比度辨别门限
6、测定的空间频率特性,在视觉的空间频率特性中的一个重要特性是马赫效应。马赫效应是一种轮廓增强现象。一幅明暗图像，一边亮一边暗，中间过渡是缓慢斜变的，当观看这样的图像时，视觉的感觉是亮的一边更亮，暗的一边更暗，同时靠近暗的一边的亮度比远离暗的一边要亮，而靠近亮的一边比远离亮的一边显得更暗。这就是如图246所示的上冲现象。,2.6.3 颜色辨别门限的空间频率特性,谢德(Schade)和山口等人曾经用红、绿、蓝等单色空间正弦波来测定视觉的空间频率特性。实验结果表明与黑白情况几乎没有差别。用种颜色组合起来的色度空间正弦波测试视觉色度空间频率特性，其结果如图247所示。图中所示是以波长为598nm为中心向
7、红和绿方向变化，其特性与亮度的情况不一样，在低频范围灵敏度不下降。,图 247 用辨别门限测定的色度空间频率特性,2.6.4 视觉的空间频率特性和图像的清晰度,清晰度是指图像边界的明确程度。它是表示描述细微图像能力的物理量。分解力是表示微小图像的再现能力。因此，清晰度和分解力两者尚不尽相同。,四十几年前在光学领域中就引入了空间频率特性的概念，并开始研究包括视觉系统在内的图像传送的空间频率特性和主观清晰度的关系。到目前为止提出了不少关系式，但实验结果大致上相同，但究竟用什么尺度来衡量还须进一步讨论。,就电视而言，传输频带受限时还必须考虑相位关系。单纯加大传输能量，主观清晰度不一定能提高。在制式的
8、电视中，彩色副载波为3.58MHz，在接收机图像放大电路中要进行衰减，这样，支配清晰度的辉度信号的频带就变窄了。,在这种条件下与视觉空间频率特性的峰值相当的图像频率（在距画面高度的倍的距离观看时，这频率约1MHz）附近的增益比低频范围提高56dB时，图像的清晰度会显著提高。,2.7 视觉的时间特性,视觉的时间特性是指对光刺激的过渡反应特性。如：对闪烁的灵敏度特性、适应性、残像、对运动的感觉眼球运动和感觉的关系等性质。,2.7.1 加入阶跃光波刺激的明暗感觉,加入阶跃光波刺激产生的感觉如图248所示。由图可见，刺激后在几十毫秒时达到顶点，然后慢慢减少到一个常值。感觉曲线的上升沿随刺激光强的增加而
9、缩短。,图 248 阶跃白光刺激对明暗感觉的曲线,2.7.2 闪烁,当光的闪烁次数增加时，就不会有闪烁的感觉了，这时与连续光刺激的感觉一样。闪烁的次数叫临界融合频率（Critical Fusion Frequency）。与照射光的强度及在视网膜上的部位不同而有显著变化。离中央凹越远（偏角大）其融合频率越高。照度越高则融合频率越高。人眼锥状体的值约为6070Hz，杆状体大约是1215Hz。,值与光强有式（255）的关系。式中F代表CFF，l表示刺激光强，a、b为常数。这个关系叫Ferry-Porter）定律。除此之外，值还受背景亮度影响，背景亮度高时随着刺激光强的增大值也提高。,(255),图
10、249 视网膜部位及刺激光强与CFF的关系曲线,2.7.3 视觉空间频率特性和时间因素的关系用空间正弦波图形测试视觉的空间频率特性，测试图形的出示时间直接影响相对对比度灵敏度。其结果如图250所示。当测试图出示时间不受限制时相对灵敏度最大，出示时间越短则越低。,图 250 视觉空间频率特性与图形提示时间的关系,2.7.4 眼球运动和视觉的关系 视网膜上的视觉细胞大约有亿多个，从眼睛出来的神经末稍不超过万个。黄斑处的锥状细胞大约有万千个，其中每个细胞都有独立的神经末稍通往大脑。黄斑以外的部分则是几个杆状体接到一个神经末稍上。,因此，视力最好的部分只限于黄斑附近。在视野的大部分只能看到一个模糊的像
11、。但是，实际上我们却总能看到一个清楚的像，这主要归功于眼球的自由运动机能。,眼球运动有：断续性运动、平稳跟踪运动、辐辏开散(Vergence movement)运动 凝视运动,断续性运动是高速的跳跃性的运动，上升时间大约为1/20s1/100s；平稳跟踪运动是低速眼球运动。辐辏开散运动是指两眼视线在远近方向上的运动，运动速度较低。凝视运动是指视线注视一点时常常进行类似噪声状的微小运动，它包括有颤动、闪烁和偏移等形式。,总之，眼睛观察物体时总是伴随着各种运动，既使是注视着某一物体也伴随着所谓凝视运动的微小运动。眼球运动有维持对比度感觉的作用。一般情况下，对于不能预测的运动要延迟0.2左右才能响应
12、，能够预测的情况下眼球运动往往先于对象物的运动。,2.7.5 运动的感觉,不仅在实际物体运动和观察者运动时有运动的感觉，而且实际上物体不运动而其他条件在运动的条件下也有运动的感觉。在心理学上把实际物体或观察者运动产生的运动感觉叫做实际运动，不是这种情况下产生的运动感觉叫假象运动、诱导运动、自动运动及残像等。,诱导运动就是由于静止物体的周围物体运动的影响而感觉它在运动的现象。如在流动着的云中看月亮时，倒觉得好象是月亮在移动，而云反而似乎是静止的。,自动运动就是当我们在黑暗的室内凝视一发光小点，会感到小光点在运动的现象。运动残像当我们凝视飞落的瀑布时，在视线离开瀑布移向另外方向，会看到静止物体似乎
13、在向着瀑布落下相反的方向运动。,.实际运动,物体运动或观察者本身运动产生的运动感觉并没有特别的区别。为了感知物体运动，运动的速度和运动的偏移量必须大于某一数值，但速度过大也不会有运动的感觉。各种情况下的界限值叫做速度门限、运动距离门限和速度极限。,在速度变化或者二个运动物体有速度差的情况下，能感觉到运动的最小速度差叫做速度辨别门限。速度辨别门限与测试目标大小、背景情况及明暗条件有关。运动距离门限用视角来表示，其最小值约820。,中心视觉与边缘视觉相比较，一般来说中心视觉速度门限低，速度极限高。因此，仍然是中心视觉最好。感觉速度快慢的门限值同样受各种因素影响。,例如，视线跟踪物体与视线固定两种情
14、况后者感觉快；如果物体的形状在运动方向上较长和与运动方向相垂直的方向上较长的两物体以相同速度运动，会感觉前者速度快；大物体和小物体相比，当它们以相等的速度运动时，我们会感到大物体运动速度较慢。,.假象运动,一般把静止的光刺激的交替发生而产生运动的感觉叫假象运动。例如，把两个红灯泡一个点亮，一个关掉这样反复切换，会感到好象一个点亮的红灯泡在往复运动。,假象运动如果加进图形因素，运动方向就会受到显著影响。如图251(a)所示的图形，如果和的刺激图形交替的出现和消失，就会感到图形在以为轴作立体旋转运动（如同翻书一样的运动）。图251(b)是图形影响的另一例子。当虚线图形和实线图形交替出现时会产生逆时
15、针方向运动的感觉而绝不会出现相反的运动的感觉。,.残像 光刺激移去后而残留的感觉叫残像。残象形成直到消灭的经过是复杂的。白色光刺激的痕迹一般是明像和暗像交替出现，徐徐消灭。有色光刺激后是刺激光的颜色和它的补色相近的色交替出现徐徐消灭。残像主要是由视觉细胞的光化学反应引起的。,2.8 形状感觉与错视,视觉系统所感觉到的物体的形状并不是简单的投影到视网膜上的原封不动的形状。对形状的感觉受到物体自身形状及周围背景的影响。这类影响是多种多样的，有神经系统引起的错视现象也有心理因素的作用。,在研究心理学的作用方面格斯特尔特（Gestalt）学派曾作出了较大的贡献。比如沃梯默(Wertheimer)提出，
16、当出示几个图形时，互相接近的人之间对图形的感觉比较容易取得一致的看法，这里就包括有心理上的诱导作用，他把这种现象叫做群化法则。,另一个关系到心理因素的重要问题是图形和背景的关系问题。例如，看到下面图形时，首先感觉到的是图形还是背景呢？通过研究发现，对图形和背景的感觉与观察者的经验、态度、明暗差别以及面积的比例等各种因素都有关系。,几个著名的几何学的错视图形的例子。(a)本是两条相等的线段，由于两端加了不同方向的图形使我们感觉下边的一条线段较长；(b)使我们看到斜线是错位的；(c)中原本是二条平行的直线，可给我们的感觉却是二根弯曲的线；,(d)本来是互相平行的三条线，可我们看到的却是不平行的了；
17、(e)中左边和右边两图中央的圆是相同的，但我们都觉得右边的要大。所有这些均是由错视造成的。,视觉对大小形状的感觉也有时间因素的影响。例如，当我们长时间凝视一条弯曲的线之后马上看一条直线，就会感到这条直线向着原来所看的曲线相反的方向弯曲。这种现象叫做吉布森(Gibson)效应。另外，如图254所示的两个同心圆，外边的圆的直径固定，当内部小圆的直径作大小变化时，我们看到的情况却好象大圆也在变化。通常这个现象叫图形残效(figural afeer effect)。,当视网膜受到刺激时，并不是只有与刺激部位相对应的神经系统产生反应，而是对其周围也有影响。这种影响可以看成是由某种场引起的，所以把它叫做诱
18、导场。,利用诱导场的概念可以解释一些错视现象。图254所示的图形，(a)中的白色线条的交点处给我们的感觉是盔色的而不是白色的。图(b)中菱形的中央特别黑。这些现象都可以用诱导场的概念来解释。,在这一章中，我们对图像和视觉的特性进行了许多讨论。但这只是一些初步认识，应该看到，就图像本身的客观性质而言，至今尚未找到一个更加贴切的数学模型来表达图像的内在实质。同时对于视觉器官以及人的生理和心理特性的研究也远未穷尽。,在图像处理这一领域中会涉及许多边缘学科知识，若在这些边缘学科中有新的突破，那么也必然会给图像处理这一学科带来方向性的影响。所以，在深入研究各种处理方法的同时，要对图像信号的统计特性及视觉特性这一带有根本性的理论问题给予充分的注意。,
