数字视频处理

数字视频处理第1页，共39页，2023年，2月20日，星期五2.1视觉特性人类视觉系统(HVS)是人类获取外界图像、视频信息的工具。光辐射刺激人眼时，将会引起复杂的生理和心理变化，这种感觉就是视觉。视觉是人类最重要、同时也是最完美的感知手段，研究人的视觉特性对于进行视频处理具有重要的指导意义，研究包括光学、色度学、视觉生理学、视觉心理学、解剖学、神经科学和认知科学等许多科学领域第2页，共39页，2023年，2月20日，星期五2.1.1视觉形成晶状体：调节焦距视网膜：由大量的光敏细胞和神经纤维组成光敏细胞包括：

1）锥状细胞：主要在明亮环境起作用2）杆状细胞：主要在黑暗环境起作用第3页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉形成视觉是由眼球接收外界光刺激，通过视神经、大脑中的视觉中枢的共同活动来完成的：外界物体发出或反射的光线，从角膜、瞳孔进入眼球，穿过如放大镜的晶状体，使光线聚焦在眼底的视网膜上，形成物体的像第4页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉形成图像刺激视网膜上的光敏细胞，产生神经冲动，沿着视神经传到大脑的视觉中枢，在那里进行分析和整理，产生具有形态、大小、明暗、色彩和运动的视觉由于晶状体的凸度可以由睫状肌调节，因此在一定范围内，不同远近的物体，都可以形成清晰的图像落在视网膜上第5页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉形成光敏细胞杆状细胞：能帮助我们看到较暗环境下的景物，但只能分辨出景物的明亮程度，不能分辨出其色度锥状细胞：既能分辨出景物的明亮程度，又能分辨出其色度总的来说，人眼对亮度的敏感程度比对色度的敏感程度高图像可以由亮度（明亮程度）和色度（色彩）共同表示第6页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉形成人既有杆状细胞，又有锥状细胞，所以白天晚上均可以分辨物体猫头鹰只有杆状细胞，没有锥状细胞，所以它在夜间视觉敏锐，一到白天就什么也看不见，它也不能感觉色彩，是个十足的色盲与猫头鹰相反，鸽子和鸡却只有锥状细胞，没有杆状细胞，所以是天生的夜盲第7页，共39页，2023年，2月20日，星期五2.1.2人的视觉特性第8页，共39页，2023年，2月20日，星期五明视觉/暗视觉明视觉也称为日间视觉，是指人眼白天对各种波长的光的敏感程度暗视觉也称为夜间视觉，是人眼在夜晚或微弱光线下对光的敏感程度第9页，共39页，2023年，2月20日，星期五视敏度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在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波长光的辐射功率P(λ)P(λ)的倒数可用来衡量视觉对波长为λ的光的敏感程度，即视敏度，用K(λ)表示第10页，共39页，2023年，2月20日，星期五相对视敏度实测表明，在明视觉条件下人眼对波长555nm的光（黄绿光）有最大视敏度Km=K(555)明视觉相对视敏度：任意波长光的视敏度K(λ)与Km之比暗视觉条件下人眼对波长为510nm的光（蓝绿光）亮度最敏感（最大视敏度）第11页，共39页，2023年，2月20日，星期五杆状细胞对短波成分更敏感锥状细胞对长波成分更敏感相对视频度第12页，共39页，2023年，2月20日，星期五相对视敏度相对视敏函数曲线表明，要使人眼产生相同的亮度感觉，不同波长的光必须施以不同的照明功率；反之，在受到完全相同的辐射功率的刺激时，人眼对不同波长的光的亮度感觉是不同的第13页，共39页，2023年，2月20日，星期五视亮度亮度是辐射光或反射光的强度，即光的能量人眼的亮度感觉（视亮度）是一个主观量，它不仅取决于景物给出的亮度值，而且还与人眼对周围环境的平均亮度的适应特性有关第14页，共39页，2023年，2月20日，星期五视亮度和亮度的关系1如果一个物体的亮度I+△I与其周围背景I有刚刚可觉察的差别（最小可觉差）,则△I和I的比值是在一定的亮度范围内近似不变：II+I人眼不能察觉的亮度差别，在重现景象上也无需精确复制出来第15页，共39页，2023年，2月20日，星期五视亮度和亮度的关系2两种光敏细胞的感觉不同当眼睛适应于不同平均亮度时，其亮度视觉范围不同同一亮度在不同条件下对人眼可引起不同的视亮度第16页，共39页，2023年，2月20日，星期五对比效应亮度对比效应——人眼对亮暗程度所形成的“黑”、“白”感觉具有相对性第17页，共39页，2023年，2月20日，星期五对比效应重现景物的亮度范围无需与实际景物的相等，只需保持与环境亮度间的对比度（相对亮度）相同就能给人以真实的感觉人眼的明暗（黑白）感觉是相对的，正因为如此，并不反映景物实际亮度的电影和电视，却能给人以真实的亮度感觉第18页，共39页，2023年，2月20日，星期五人眼的适应性暗适应——当我们进入黑洞洞的暗房，什么也看不见，但一会儿眼睛就适应亮适应——半夜起床开了灯的瞬间,由于人眼不能马上适应亮度的变化,会处于暂时失明的状态适应性——人眼需要一定的时间来重新达到最大灵敏度,并恢复辨别物体的细微特征的能力第19页，共39页，2023年，2月20日，星期五马赫带效应(MachBandsEffect)人眼对图像边缘特别敏感，图为5个不同亮度的条带，每个条带内的亮度是一常数，我们可以感到有强烈边缘效应，这种现象称为马赫带效应第20页，共39页，2023年，2月20日，星期五马赫带效应人类视觉系统在不同亮度区域边缘周围的“欠调”和“过调”现象虽然条带的亮度恒定，但是实际感觉条带边缘亮度有变化当亮度发生跃变时，会有一种边缘增强的感觉，视觉上会感到亮侧更亮，暗侧更暗第21页，共39页，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力对人眼进行分辨力测试的方法是在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一定长度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，感觉只有一个黑点第22页，共39页，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力这说明眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值，我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度第23页，共39页，2023年，2月20日，星期五人眼分辨力人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，θ为1~1.5′影响人眼分辨力的主要因素有：环境照度、景物的对比度、被观察物体的距离及运动状态等第24页，共39页，2023年，2月20日，星期五分辨力的影响因素被观察景物的位置越近，其分辨力就越高当环境照度较低时，人眼受到光的刺激的强度小，分辨力就会下降但是环境照度过大时，分辨力不再增加，甚至由于眩目现象，分辨力反而有所降低对比度越高，分辨力也就越高第25页，共39页，2023年，2月20日，星期五分辨力的影响因素10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx第26页，共39页，2023年，2月20日，星期五分辨力的影响因素人眼对于静止物体的分辨力高，对运动物体的分辨力低运动速度越快，分辨力就越低对于水平方向的平移运动和垂直方向的平移运动，前者的分辨力高，这是因为眼球左右移动方便，容易跟踪物体的运动对于物体的旋转运动，由于眼球不易跟踪，因此分辨力较低第27页，共39页，2023年，2月20日，星期五分辨力的影响因素人眼对有色彩细节的分辨力要远比对黑白细节的分辨力低如用白粉笔在黑板上写字看得清楚，而用蓝粉笔在黑板上写字就看得不那么清楚实验还表明，人眼对不同色彩细节的分辨力也不相同若人眼对黑白细节的分辨力定为100％，则对其它不同色彩细节的分辨力如表格所示第28页，共39页，2023年，2月20日，星期五分辨力的影响因素第29页，共39页，2023年，2月20日，星期五不同亮度分级下的图像第30页，共39页，2023年，2月20日，星期五视野（周边视觉范围）在相同的亮度水平下，不论明视觉还是暗视觉，短波成份多的蓝绿色比长波成分多的红色光源有更大的视野第31页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉惰性实验证明，人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度在时间上是不同步的当一定强度的光突然作用于视网膜时，不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而是按近似指数规律上升；当亮度突然消失后，人眼的亮度感觉也并不是不立即消失，而是按近似指数规律下降人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留第32页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉惰性(a)表示作用于人眼的光脉冲，(b)表示该光脉冲造成的主观亮度感觉，它滞后于实际的光脉冲；光脉冲消失后，亮度感觉还要一段时间才能消失(b)中t1～t2就是视觉暂留时间在中等亮度的光刺激下，视力正常的人视觉暂留时间约为0.1秒第33页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉惰性电视和电影充分利用了人眼的这一特性，采用多帧连续图像序列(视频)在一定时间内的连续播放，给人以较好的连续运动景物的感觉第34页，共39页，2023年，2月20日，星期五视觉惰性视频帧率（Framerate）至少是15帧/秒的时候，人眼才有连贯的感觉第35页，共39页，2023年，2月20日，星期五闪烁感觉当人眼受到周期性光脉冲照射时，若重复的频率不太高，则会产生忽明忽暗的闪烁感觉若将重复频率提高到某一定值以上，人眼就感觉不到闪烁了，而形成均匀的非闪烁光源的感觉不引起闪烁感觉的光脉冲最低的重复频率，称为临界闪烁频率第36页，共39页，2023年，2月20日，星期五闪烁感觉临界闪烁频率与很多因素有关，其中最重要的是光脉冲亮度，随着光脉冲亮度的提高，临界闪烁频率也会提高明亮时间的占空比、相继两帧图像本身的亮度分布和色彩、观看者到画面的距离以及环境等，也都对临界闪烁频率有影响第37页，共39页，2023年，2月20日，星期五闪烁感觉人眼的临界闪烁频率约为46Hz对于重复频率在临界闪烁频率以上的光