《视觉的底层处理》课件

视觉的底层处理视觉的底层处理是计算机视觉的核心，它涉及对图像进行分析和解释，从而提取有意义的信息。视觉信息处理的历程1古代古希腊哲学家对视觉现象进行了初步研究，但缺乏科学实验和工具。217世纪开普勒提出了眼睛像一个相机，将光线汇聚在视网膜上的理论。319世纪赫尔姆霍兹利用解剖学和生理学方法研究了眼睛和大脑的结构和功能。420世纪借助电生理学和计算机技术，人们对视觉信息处理的神经机制有了更深入的理解。521世纪人工智能技术和脑科学的结合，推动着对视觉感知和认知的理解不断深入。感受器:视网膜视网膜是眼睛中感光组织，负责将光信号转化为神经信号。视网膜包含两种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞对弱光敏感，主要负责夜视，而视锥细胞对亮光敏感，主要负责颜色视觉。视网膜中的感光细胞会将光信号转化为电信号，然后传递给视神经。视神经将信号传输到大脑，大脑再将信号解读成视觉信息。视网膜是视觉信息处理的起点，其功能对于正常视觉至关重要。视神经传送信息1视神经将视觉信息传递到大脑2神经纤维携带神经信号3视网膜感受光线4光线进入眼睛视神经由视网膜中光感受器细胞的轴突组成，这些轴突将视觉信息从眼睛传递到大脑。视神经纤维将视觉信息转换为电信号，并在视神经中传输到大脑。这些信号在视觉皮层中被进一步处理，从而产生我们对世界的视觉感知。视觉通路视网膜视网膜是眼睛中的光感受器层，接收光信号并将其转化为神经信号。视神经视神经将视网膜上的信息传送到大脑，连接着眼睛和大脑。丘脑丘脑是视觉信息的中转站，将来自视神经的信息传递到视觉皮层。视觉皮层视觉皮层是大脑中负责处理视觉信息的区域，位于后脑叶。视觉皮层的定位功能视觉皮层的定位功能视觉皮层负责处理来自眼睛的视觉信息。它位于大脑后部，由多个区域组成，每个区域负责特定的视觉任务。视觉皮层的定位功能是指它能够识别物体的位置、形状和大小等信息。这对于我们理解周围环境至关重要。视觉皮层的定位功能视觉皮层包含多个区域，其中一些区域负责特定任务，例如识别物体的颜色、形状、运动方向和深度。这些区域之间相互协作，共同完成视觉信息处理的任务。视觉皮层定位功能的实现依赖于神经元的活动。当眼睛接收到来自物体的信息时，这些信息被传递到视觉皮层，不同的神经元对不同的视觉特征做出反应，最终形成对物体位置、形状和大小的感知。简单细胞方向选择性简单细胞对特定方向的线条或边缘敏感。位置敏感性它们对刺激在视网膜上的特定位置做出反应。对比度敏感性简单细胞对对比度变化敏感，例如明暗边界。复杂细胞对运动方向和形状敏感复杂细胞对特定方向和形状的刺激作出反应，且对刺激位置不敏感。位于视觉皮层的更高层复杂细胞位于视觉皮层的更高层，接收来自简单细胞的输入。接受来自多个简单细胞的输入复杂细胞的感受野更大，可以接受来自多个简单细胞的输入。从属细胞11.响应复杂模式从属细胞对更复杂、更抽象的视觉特征做出反应，例如运动方向、形状和纹理。22.集成信息它们整合来自简单细胞和复杂细胞的输入，创建更高级别的视觉表征。33.识别特定特征从属细胞在识别诸如人脸、物体和场景等复杂物体中发挥重要作用。44.视觉感知它们为我们的视觉感知，如形状、颜色、运动和深度感知，提供了基础。边缘细胞边缘细胞边缘细胞对物体边缘的识别和定位很敏感。它们在视觉系统中扮演重要角色，帮助我们感知物体的轮廓和形状。特征响应边缘细胞对特定方向和位置的边缘有强烈响应。它们对物体轮廓和形状的感知贡献很大。视觉信息的整合从特征到物体视觉系统将边缘、颜色、纹理等特征整合在一起，形成有意义的物体。例如，将圆形、棕色、有毛的特征整合为一只狗。从物体到场景物体识别后，视觉系统进一步整合不同物体的空间关系和场景信息。例如，识别出狗在草地上奔跑，并判断出是一个公园场景。从场景到理解整合后的视觉信息被理解为一个完整的场景，并与记忆和知识相结合，产生对场景的认知和理解。例如，看到一个熟人，识别出他的身份，并回忆起相关的经历。空间感知空间感知是视觉系统的重要功能之一。它让我们能够感知周围环境中物体的距离、大小和方向。这种能力依赖于多种线索，包括双眼视差、运动视差和纹理梯度。运动感知运动方向运动感知是通过识别物体移动方向和速度来实现的，这有助于我们理解环境的变化。运动速度大脑通过分析物体在视网膜上的移动速度来判断其运动速度，并预测其未来位置。运动模糊当物体快速移动时，图像会产生模糊，这反映了视觉系统对运动的动态响应。深度感知1双眼线索双眼视差，即两只眼睛看到的同一个物体角度略有不同，从而产生深度信息。2单眼线索线性透视、大小比例、重叠、纹理梯度、空气透视等线索，单眼也能感知深度。3运动线索运动视差，物体运动时，距离观察者较近的物体移动速度较快，反之较慢，从而感知深度。4经验影响个体的生活经验和认知也会影响深度感知，例如，对熟悉物体的深度感知更准确。颜色感知颜色混合人眼可以感知红、绿、蓝三种基本颜色。混合这些颜色，就能看到各种不同的颜色。色调、饱和度和亮度颜色可以分为三个属性：色调，饱和度和亮度。这些属性共同决定了我们看到的颜色。文化与颜色不同文化对颜色的理解和感知存在差异，这反映在艺术、语言和社会习俗中。视觉信息处理的神经机制1对比度编码神经元对对比度进行编码。2方向性编码神经元对方向进行编码。3运动方向编码神经元对运动方向进行编码。4颜色编码神经元对颜色进行编码。视觉信息处理依赖于神经元对不同特征的编码。神经元可以对对比度、方向、运动方向和颜色进行编码，从而将视觉信息转化为神经信号。对比度编码对比度编码是视觉信息处理中的一种重要机制。它指的是神经元对刺激亮度差异的反应，即对明暗变化的敏感性。例如，当观察一个物体时，其边缘处的明暗变化会引起神经元的强烈反应，从而增强对物体轮廓的感知。方向性编码方向性编码视觉系统识别物体形状简单细胞对特定方向的边缘敏感复杂细胞对特定方向的运动敏感视觉系统通过对不同方向的敏感性进行编码，从而识别物体形状。运动方向编码大脑中存在专门的神经元负责编码物体运动的方向。这些神经元对特定方向的运动敏感，当物体朝特定方向移动时，它们会发出更强的信号。1方向每个神经元只对一个方向的运动敏感。2速度神经元对运动的速度也有反应，速度越快，信号越强。颜色编码颜色编码在视觉信息处理中起着至关重要的作用，它能够帮助我们识别和区分不同的物体。大脑利用颜色信息来识别物体，并根据颜色来判断物体的属性，例如大小、形状和距离等。颜色编码也与情绪和心理状态密切相关，不同的颜色会引发不同的情感反应，例如红色会让人联想到激情和兴奋，而蓝色则会让人联想到平静和放松。视觉注意力选择性视觉注意力是指我们从环境中选择特定信息的能力，并对其进行优先处理。它就像一束光，照亮了我们感兴趣的区域，而其他区域则变得模糊。增强当我们专注于某个目标时，视觉注意力会增强该目标的感知，使我们能够更清晰地识别和理解它。抑制视觉注意力不仅会增强关注区域，还会抑制其他区域的信息，从而减少干扰，提高效率。自底向上注意力颜色和形状颜色鲜艳的物体，形状独特的物体更容易引起注意。比如，一只红色的蝴蝶在绿色的草地上会更加突出。声音和运动响亮的声音，移动的物体更容易吸引注意力。比如，一个孩子玩着发出噪音的玩具，更容易引起周围人的注意。突发事件突然发生的事件，比如意外的噪声或物体移动，会迅速吸引注意力。比如，突然听到一声巨响，人们会本能地转头去看。自顶向下注意力目标引导根据我们的目标和任务，我们选择性地关注某些信息，忽略其他信息。经验影响我们过去的经验和知识会影响我们对信息的关注，引导我们注意特定特征或区域。认知控制我们有意识地控制自己的注意力，专注于特定目标，并抑制无关信息的干扰。注意力的神经机制大脑中多个区域参与注意力的调节和控制，形成一个复杂的神经网络。1前额叶皮层负责高级认知功能，包括注意力的目标导向和抑制无关信息。2顶叶参与空间注意和物体识别。3丘脑负责过滤和传递感官信息到大脑皮层。4脑干控制注意力的觉醒和警觉水平。这些脑区之间的相互作用，使我们能够选择性地关注重要信息，并忽略无关信息。视觉的反射性行为本能反应例如，当物体突然移动时，我们会本能地转头去看，这是由视觉系统快速处理信息而引发的反射性行为。防御机制比如眨眼和瞳孔缩小，是为了保护眼睛免受强光或异物的刺激。协调动作我们能根据视觉信息调整身体姿势和动作，例如接住飞来的球或躲避障碍物。视觉通路与大脑功能1视觉信息处理视觉皮层处理视觉信息2空间感知识别物体的位置和形状3运动感知识别物体运动的方向和速度4认知功能视觉信息影响记忆、语言和决策视觉通路将信息传递到大脑的不同区域，这些区域协同工作执行不同的功能。例如，视觉皮层负责处理视觉信息，而空间感知和运动感知则依赖于其他脑区。视觉信息不仅影响视觉感知，还会影响记忆、语言和决策等认知功能，证明了视觉在人类认知中扮演着至关重要的角色。视觉通路与行为感知视觉通路将接收到的光信息传递到大脑，形成视觉感知，帮助我们认识世界。行动感知到的信息会被处理，并指导我们的行为，例如抓取物体、躲避障碍等。学习通过视觉信息的学习，我们不断完善对事物的认识，提高判断和决策能力。适应视觉通路在不断适应外界环境的变化，例如光线强弱的调整，以及对新环境的适应。视觉障碍11.视力受损视觉障碍是指视力受损，导致无法正常感知外界环境。22.常见类型包括近视、远视、散光、色盲等，影响不同程度的视力功能。33.影响生活日常生活受到显著影响，需要借助辅助工具，如眼镜、拐杖等。44.医疗干预通过医疗干预，例如手术、药物治疗等，改善部分视觉障碍。视觉重建1视觉重建视觉重建是指通过技术手段，帮助视力受损者恢复部分或全部的视觉功能，例