第2章数字图像基础1——视觉系统学案.pptxVIP

第二章 数字图像处理基础 李熙莹 副教授 stslxy@mail.sysu.edu.cn 人类视觉系统 成像传感器及其工作原理 图像采集 、量化与表示 图像像素间的基本关系及基本数据结构 图像文件格式 图像显示 图像运算与操作 一、视觉系统、视觉感知要素 与视觉特性（现象） 图像处理的研究需要了解人类视觉机理： 人们能够区分的光强度差别有多大？ 我们眼睛的空间清晰度是多少？ 对运动的感觉如何? 我们估计和比较距离和面积的精度是多少？ 人类特性视觉的光谱是什么样的? 人的视觉中彩色如何形成？起什么作用？ 人类是如何获得视觉感知，如何认知周围事物的？ 人们对于自己视觉机理的生理物理过程，以及神经运动、精神心理方面的了解还处于低级阶段，认识还很不完善，有一定局限性。 重点： 人眼形成图像的机理与参数 人类和电子图像的比较 人的直觉和分析在选择一种技术时起着核心作用。 视觉现象(视觉特性)—— 视觉的外在表现 (1)相对视敏函数； (2)对比度的灵敏度和同时对比度； (3)马赫带(Mach Bands)和视觉系统的调制传输函数MTF； (4)视觉的瞬时性质(Temporal Properties of Vision)； (5)彩色视觉特性…… 视觉感知 —— 视觉的内在表象 从外到内： 角膜 巩膜外壳 脉络膜 视网膜 1. 人眼的结构 从前到后： 角膜 晶状体 玻璃体 视网膜 视神经 鞘 图2.1 人眼结构 ● 杆细胞 细长而薄，对亮度灵敏，无彩色分辨能力。 提供暗视视觉。 7,500~15,000万，离视轴约20°时密度最大。 ● 中央凹 直径约1.5mm ● 锥状细胞 结构上短而粗，光灵敏度低，对颜色灵敏度高， 分为三种（红、绿、兰），提供明视视觉。 600~700万，主要集中在中央凹 可以看作1.5mm×1.5mm的方形传感器阵列 锥状细胞数目约为337,000个。 行分辨能力=中等分辨率的CCD (5mm×5mm) 光图像激活视杆体或视锥体时,发生光电化学反应，同时产生视神经脉冲。视觉系统散布视神经中有80万神经纤维，这些神经纤维传播视神经脉冲给大脑相应处理中枢。 许许多多的视杆体和视锥体相互连接到神经纤维上。 图2.3 杆细胞和锥细胞光谱响应属性 (实心黑点曲线代表杆细胞响应) 距视轴（中央凹的中心）的度数 每平方毫米杆细胞和锥体细胞的数目 盲点 —— 锥细胞 ------ 杆细胞 图2.4 视网膜上杆细胞和锥状细胞的分布 高级感知层次 图2.5 视觉通道示意图 2. 眼睛中图像的形成 晶状体 ? 光学透镜 焦距 10cm~无穷连续可调 范围有限 视觉系统从外界获取图像，就是在眼睛视网膜上获得周围世界的光学成像，然后由光接收器(杆状体和锥状体在视网膜上作为光接收器)将光图像信息转化为视网膜的神经活动电信息，最后通过视神经纤维，把这些图像信息传送入大脑,由大脑获得图像感知。 大脑对视神经纤维传送来的图像信息进行分析和理解，通过图像获得对周围世界感知的信息和知识。 人们对大脑的高级感知层次至今知之甚少，仍是生理学、神经科学、生物物理学、生物化学研究的重要课题。 图2.6 On-中心型与Off-中心型感受野 整体视觉过程 视觉 ＝ “视” ＋ “觉” 3. 视觉特性（现象） 图像是周围世界的一种映射。 周围世界是一个能量场，可以描述为：E(x, y, z, ?, t) 图像 I (x, y, ?) 是客观世界的一次摄影的结果，是能量场E的一个映射 运动图像——x、y、z 都是时间 t 的函数 若在连续的不同时间获取图像，可以获得序列图像{I1, I2, … , In}。 按不同波段获取图像，可获得彩色图像或不同波段的图像信号(如医学图像、航空图像等)。 视觉现象包括： 视觉对光强的感应 ——相对视敏函数；对比度的灵敏度和同时对比度 视觉对各种波长、彩色的光谱效应 ——彩色视觉特性 视觉对物体边缘等空间频率变化的响应 ——马赫带和视觉系统的调制传输函数 视觉对时间瞬时变化运动的响应 ——视觉的瞬时性质 (1) 相对视敏函数 人眼对不同波长的光有不同的敏感度，不同波长而幅射功率相同的光不仅给人以不同的色彩感觉，而且亮度感觉也不同。 视杆体和视锥体的相对视敏曲线有所不同 对视锥体情况，在 ? = 555nm 时绿光亮度最敏感，对视杆体暗视情况，则 ? = 505nm 时最敏感。 (2) 亮