视觉与成像

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2讲 第4页
2.1 视觉过程
整体视觉过程
视觉 ＝ “视” ＋ “觉”
第2讲 第5页

2.2 光度学和亮度视觉
2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4
第2讲
光度学 一个简单的成象模型 视觉系统对光的感知特点 光度学和亮度视觉
(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2讲 第33页
2.5.4 几何图形视错觉
第2讲
第34页
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
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2讲 第3页
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（optical nerve）网络 光神经进一步与大脑中的侧区域（side region of the brain）连接，并到达大脑中的纹状皮层（striated cortex）
图象成象模型
f (x, y)与 i (x, y)和 r (x, y)都成正比
f ( x, y ) i( x, y )r( x, y )
i (x, y)的值是由光源决定的
0 i( x, y )
r (x, y)的值是由场景中的目标特性所决定的
0 r( x, y ) 1
第2讲
{典型值：P.40}
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2讲 第26页
2.5.1 形状的感知
与形状密切相关的概念 (1) 视觉边缘和目标 (2) 前景和背景的分离
{P.23}
(3) 形状构造的规律
接近，相似，连续，封闭
(4) 形状和信息
第2讲 第27页
2.5.2 轮廓
2.5.3 图形和背景
形成图形和背景的决定因素
{P.26}
1. 视野中的距离（接近程度）
2. 相同或相似（颜色和亮度）
第2讲
第30页
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2讲
第31页
2.5.3 图形和背景
第13页
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
暗视觉门限 眩目极限
具体范围
第2讲 第14页
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
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
第2讲
中央眼
C
S
SL CL
FS
FC
SR
CR
第38页
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）
第2讲 第36页
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2讲 第37页
第2讲 第16页
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
(2)
{P.18}
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
Ec A L T
成立的条件是T < Tc，Tc为临界时距
第2讲 第23页
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
Ec k A L
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
视觉与成像
2.1 2.2 2.3 2.4 视觉过程 光度学和亮度视觉 从感觉到知觉 视觉特性
2.5
2.6 2.7
形状知觉
空间知觉 运动知觉
第2讲
第1页
2.1 视觉过程
1． 光学过程
15 / 100 = 2.55 / 17
第2讲 第2页
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
2.6.1
2.6.2 2.6.3
第2讲
非视觉性深度线索
双目深度线索 单目深度线索
第35页
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2讲 第24页
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）
{P.22}
觉察
第2讲
E
定位 解象 认知
第25页
2.5 形状知觉
形状知觉是对视野中各种空间关系的知觉
• 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2讲 第40页
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
第17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（double perceptual reality of images） {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
(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2讲 第22页
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
• 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2讲 第21页
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
• • 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2讲
第28页
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2讲
第29页
第2讲 第9页
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
dI dI B dS' dS cos dF r d dS cos
(单位：cd / m2)
扩展光源 d S' dS N d
d
r
(a)
第2讲
(b)
第10页
2.2.1 光度学
照度（illumination）
第6页
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2讲 第7页
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dF
dF I d