第2章视觉与成像

第1页第2讲第2章视觉与成像2.1视觉过程2.2光度学和亮度视觉2.3从感觉到知觉2.4视觉特性2.5形状知觉2.6空间知觉2.7运动知觉第2页第2讲2.1视觉过程1．光学过程15/100=2.55/17第3页第2讲2.1视觉过程2．化学过程锥细胞和柱细胞：锥细胞：数量少，对颜色很敏感锥细胞视觉：明视觉或亮光视觉柱细胞：数量多，分辨率比较低不感受颜色并对低照度较敏感柱细胞视觉：暗视觉或微光视觉第4页第2讲2.1视觉过程3．神经处理过程每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触（synapse）相连每个神经元细胞借助其它的突触与其它细胞连接，从而构成光神经（opticalnerve）网络光神经进一步与大脑中的侧区域（sideregionofthebrain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striatedcortex）对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉第5页第2讲2.1视觉过程整体视觉过程视觉＝“视”＋“觉”第6页第2讲2.2光度学和亮度视觉2.2.1光度学2.2.2一个简单的成象模型2.2.3视觉系统对光的感知特点2.2.4光度学和亮度视觉第7页第2讲2.2.1光度学辐射度量学研究各种电磁辐射强弱的学科光是一种电磁辐射光度学研究光的强弱的学科光通量的单位：lm（流明）第8页第2讲2.2.1光度学点光源线度足够小，或距离观察者足够远发光强度I：点光源沿某个方向上单位立体角d内发出的光通量d单位：cd（坎）1cd=1lm/srrdrd扩展光源点光源(a)(b)NSS'ddQddI第9页第2讲2.2.1光度学点光源立体角（solidangle）是从一点（称为立体角的顶点）出发通过一条闭合曲线上所有点的射线围成的空间部分，所以立体角表示由顶点看闭合曲线时的视角。可以取一立体角在以其顶点为球心所作的球面上截出部分的面积与球面半径的平方之比作为对该立体角的度量。立体角的单位是球面度，记为sr。一个球面度对应在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形面积时的立体角。第10页第2讲2.2.1光度学扩展光源有一定发光面积的光源光度学亮度B(单位：cd/m2)rdrd扩展光源点光源(a)(b)NSS'ddQcosdddcosddddSSIS'IB第11页第2讲2.2.1光度学照度（illumination）一个被光线照射的表面上的照度定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS上的光通量为d，则此面元上的照度E为：单位：lx（勒[克斯]），1lx=1lm/m2照度：是光源对物体辐射的一种量度{表2.3.2}亮度：观察者对物体表面光强的量度{表2.3.1}ddSE第12页第2讲2.2.2一个简单的成象模型图象成象模型2-D亮度函数：f(x,y)亮度是能量的量度，一定不为零且为有限值(1)入射到可见场景上的光量(2)场景中目标对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页第2讲2.2.2一个简单的成象模型图象成象模型f(x,y)与i(x,y)和r(x,y)都成正比i(x,y)的值是由光源决定的r(x,y)的值是由场景中的目标特性所决定的{典型值：P.40}),(),(),(yxryxiyxf),(0yxi1),(0yxr第14页第2讲2.2.3视觉系统对光的感知特点人眼适应的亮度范围（1）总体范围大：从暗视觉门限到眩目极限之间的范围在1010量级（2）具体范围小：一般范围在102量级总体范围具体范围暗视觉门限眩目极限第15页第2讲2.2.4光度学和亮度视觉亮度变化的感知人类视觉系统对亮度变化的感知比对亮度本身要敏感人类视觉系统对光强度的响应不是线性的，而是对数形式的（对暗光时亮度的增加比对亮光时亮度的增加更敏感）第16页第2讲2.3从感觉到知觉1.　视感觉和视知觉人的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和热觉等功能都可分为感觉和知觉两个层次感觉是较低层次的，它主要接收外部刺激。知觉则处于较高层次，它要将外部刺激转化为有意义的内容视知觉的任务是确定“什么东西在什么地方”（Whatiswhere）{P.17}第17页第2讲2.3从感觉到知觉2.　视知觉的复杂性视知觉是一个复杂的过程，在很多情况下只依靠光投射到视网膜上形成的视网膜图像和人们已知的眼或神经系统的机制还难以把全部知觉过程解释清楚(1)视觉边缘：随视点而变化{P.18}(2)亮度对比：两个可视表面仅在它们被看作处在同一个视觉平面上时可比较亮度。如果将它们看作与眼有不同的距离，要比较它们相对的亮度就很困难　第18页第2讲2.3从感觉到知觉3.　图象的双重感知真实性人们在观察图象时会同时将图象感知为一个平面的一部分和一个3-D空间的一部分。这个基本的心理现象可称为图象的双重感知真实性（doubleperceptualrealityofimages）{P.18}(1)有关图象2-D真实性的信息(2)有关图象3-D真实性的信息(3)视点假设(4)双重真实性和学习　第19页第2讲2.4视觉特性用空间以及时间的语言来描述感知2.4.1　视觉的时间特性2.4.2　视觉的空间特性第20页第2讲2.4.1视觉的时间特性•视觉首先并主要是一个空间的感受，但时间因素也是视觉感知中的一个基本因素。这可从三方面解释：(1)　大多数视觉刺激是随时间变化的，或者是顺序产生的(2)　眼睛一般是在不停运动的，这使得由大脑获取的信息是不断变化的(3)　感知本身并不是一个瞬间的过程，尽管有些感知步骤很快，但总有一些步骤会较慢，因为信息处理总是需要时间的第21页第2讲2.4.1视觉的时间特性1.　随时间变化的视觉现象(1)　亮度适应•　当眼睛遇到亮度的突然变化时，眼睛会暂时看不见一会儿以尽快适应新的亮度•　对亮光的适应比对暗光的适应要快(2)　眼睛的时间分辨率•　60-80微秒区分两种不同步的亮度现象•　20-40微秒以确定哪个亮度现象先出现第22页第2讲2.4.1视觉的时间特性2.　感知中的时间因素（快响应）(1)　闪烁　当入射光的强度变化频率不太快时，视觉系统能感知到入射光强的变化，当光的频率增加且超过一个临界（critical）频率（其值依赖于光的强度）后，这种效果就消失了(2)　视觉屏蔽　一个接一个快速到来的光刺激有可能互相影响第23页第2讲2.4.1视觉的时间特性3.　视觉在时间上的累积效应　当对一般亮度（光刺激不太大）的物体进行观察时，接收光的总能量E与物体可见面积A、表面亮度L和时距（观察时间长度）T成正比，如令Ec为以50%的概率觉察到所需的临界光能量（即在多次试验中，每两次中有一次观察到光刺激时的光能量），则有成立的条件是TTc，Tc为临界时距TLAEc第24页第2讲2.4.2视觉的空间特性1.　视觉在空间上的累积效应　光面积和强度的反比定律其中Ec为50%觉察概率所需的临界光能量，即视觉的绝对阈值，A为累积面积，L为亮度，k是一个常数，它与Ec，A，L所用的单位有关　当小而弱的光点单独呈现时可能看不见，但是当多个这样的光点连在一起作为一个大光点同时呈现时便能看见了LAkEc第25页第2讲2.4.2视觉的空间特性2.　视敏度　反映对细节的分辨能力　对应观察者所能看见的最小测试物体的尺寸　视敏度为1：表示对应视角为1度（1）时的分辨能力（视敏度为2对应视角为0.5度）觉察解象E认知定位{P.22}第26页第2讲2.5形状知觉形状知觉是对视野中各种空间关系的知觉形状知觉是对视野中各种空间关系的知觉2.5.1　形状的感知2.5.2　轮廓2.5.3　图形和背景2.5.4　几何图形视错觉第27页第2讲2.5.1形状的感知与形状密切相关的概念{P.23}(1)　视觉边缘和目标(2)　前景和背景的分离(3)　形状构造的规律接近，相似，连续，封闭(4)　形状和信息第28页第2讲2.5.2轮廓•人在知觉一个形状以前一定先看到轮廓•轮廓的构成用数学语言来说：轮廓对应亮度的二阶导数亮度变化不产生轮廓，需要亮度的加速变化•轮廓不等于形状{P.25}第29页第2讲2.5.2轮廓主观轮廓•在没有直接刺激作用下而产生的轮廓知觉•在一定感觉信息的基础上进行知觉假设的结果第30页第2讲2.5.3图形和背景形成图形和背景的决定因素1.视野中的距离（接近程度）2.相同或相似（颜色和亮度）{P.26}第31页第2讲2.5.3图形和背景形成图形和背景的决定因素3.　良好图形{P.28}•刺激性因素(1)封闭；(2)连续；(3)对称(a)(b)(c)(d)第32页第2讲2.5.3图形和背景形成图形和背景的决定因素•非刺激性因素(1)定势（心向）(2)先验知识•对图形“良好性”的客观测量：(1)图形的“良好性”可借助信息论进行判定；(2)图形的“良好性”也可由它能变换出来的图形数量来定量地说明{P.30}第33页第2讲2.5.4几何图形视错觉•　当观察线条图形而把注意力只集中于它的某一特征如它的长度、面积或方向时，由于各种主客观因素的影响，有时感知到的结果与实际的刺激模式不相对应(1)数量（尺寸）上的视错觉，包括在大小、长短方面引起的视错觉{P.30}(2)方向上的视错觉，指直线或曲线在方向上变化引起的视错觉{P.31}第34页第2讲2.5.4几何图形视错觉第35页第2讲2.6空间知觉•人能从只有高和宽的2-D空间（视网膜）上形成的视象感知得到一个3-D视觉空间•空间知觉本质上是一个深度感知问题2.6.1非视觉性深度线索2.6.2双目深度线索2.6.3单目深度线索第36页第2讲2.6.1非视觉性深度线索(1)眼睛聚焦调节(2)双眼视轴的幅合（有生理基础）原来平行的视轴向P点幅合时左眼向内侧转动的角度为L，右眼向内侧转动的角度为R，且有=L+R知道转角就可以算出物距D第37页第2讲2.6.2双目深度线索双目视觉中，每只眼睛的视网膜上先各形成一个独立的视像。它们不完全相同，导致双眼视差（横向象差）双眼视像传到大脑皮层后结合起来，产生一个单一的具有深度感的视像对应点：双眼视场中许多点被感知为一个点，这些点的左右视网膜图像组成对应点对（双眼单视）第38页第2讲2.6.2双目深度线索•中央眼：从主观感觉上单一的器官理论上假想的，处于两眼正中•主观方向：{P.36}•随机立体图轮廓知觉并不是立体视觉的先决条件CSFCLLSRCRSCFS中央眼第39页第2讲2.6.3单目深度线索刺激物本身的一些物理条件(1)大小和距离s=S/D（欧几里德定律）(2)照明的变化1)光亮与阴影的分布；2)颜色分布3)空气透视(3)线性透视(4)纹理梯度(5)物体的遮挡(6)运动视差PABv方向运动视差第40页第2讲2.6.3单目深度线索知觉恒常性•物理尺寸（场景中物体的实际大小）•视像象尺寸（对应视网膜上视角的大小）•知觉尺寸（人最终所知觉的大小）•知觉恒常性指实际中人能比较正确地知觉不同距离外物体的物理大小，不完全因视角大小的变化而变化视像尺寸知觉尺寸物理尺寸第41页第2讲2.7运动知觉1.　运动感知的条件运动只能在一定条件或限度内被感知到•运动非常慢：将不会被认为是运动的•运动非常快：它将被认为是模糊的(1)　物体的尺寸：大尺寸的物体需要多运动些才能被看作是运动的(2)　亮度和反差：越大运动越感知得明显(3)　环境：运动的感知有一定的相对性，如果有固定的参考点运动就容易感知到第42页第2讲2.7运动知觉2.　真实运动和表观运动•表观运动（apparentmovement）实际中没有景物运动，但感知到运动时间差很小时间差很大时间差恰当第43页第2讲2.7运动知觉3.　眼睛的运动眼睛总是处在运动之中，有若干种：(1)　突然的且非常快的急速运动（~1/10秒）：这可能是有意的（如阅读换行时）或无意的（如为了感知视网膜周边的刺激）(2)　跟踪运动：即追寻运动目标的眼睛运动(3)　补偿运动：目的是在头部或身体运动时保持视角，这完全是条件反射的结果(4)　漂移运动：眼睛不可能保持固定第44页第2讲2.