人眼视觉特性
2016-05-18 16:49阅读：
视觉系统在人类探求、认知客观外在世界及主观内在心理的过程中扮演重要角色。视觉系统是人类获取外界信息的主要途径，统计科学研究表明超过70%的外界信息通过人眼所获得。同时视觉神经系统能快速、有效地解读及分析所采集的信息，从而使人类认知外界事物。因此研究和分析人类视觉系统的组成及其所具有的视觉特性具有重要的理论及实际意义。本章介绍人类视觉的基本组成，以及其在信息采集过程中的视觉关注特性和信息处理时的视觉感知特性，为后续章节奠定理论基础。
人类视觉系统的信息处理机制是一个高度复杂的过程，科学家们从生物学·解剖学、神经生理学、心理物理学等方面做了大量的研究，提出一系列人类视觉特性，为视觉系统建模和应用奠定了理论基础。根据本文的研究方向，我们主要介绍视觉关注、亮度及对比敏感度、视觉掩盖三个特性。
1视觉关注
在纷繁复杂的外界场景中，人类视觉总能快速定位重要的目标区域并进行细致的分析，而对其他区域仅仅进行粗略分析甚至忽视。这种主动选择性的心理活动被称为视觉关注机制(Visual
Attention)
。视觉关注可由两种模式引起:其一是客观内容驱动的自底向上(bottom-up)关注模型;另一种是主观命令指导的自顶而下(top-down)关注模型。
自底向上关注主要跟图像内容的显著性相关。心理学研究发现，那些与周围区域具有较大差异性的目标容易吸引观察者的视觉关注。如图2.3所示，当目标具有某种与众不同的特征时，如具有独特的方向、形状、颜色等，该显著目标将会自动吸引更多的关注。
自顶而下关注受意识支配、依赖于特定的命令，该机制可将视觉关注强行转移到某一特定区域。例如，当观察者接到命令，要在一幅图中寻找某一
目标时，观察者会根据对该目标的特征等的记忆，快速搜寻具有该目标的区域而忽略其它区域。
视觉关注机制体现了人类视觉系统主动选择关注内容并加以集中处理的视觉特性，该特性能有效提升图像内容筛选、目标检索等图像处理能力。
![人眼视觉特性]( "人眼视觉特性")
2 亮度及对比敏感度
亮度指人眼对光照所引起的明暗程度的一种感觉。实验表明，人眼对光强度具有某种自适应的调节功能，即能通过调节感光灵敏度来适应范围很广的亮度，同时这也导致了对绝对亮度判断能力较差。因此人眼对外界目标亮度的感知更多依赖于目标跟背景之间的亮度差。换言之，人类视觉系统对亮度的分辨能力是有限的，只能分辨具有一定亮度差的目标物体，而差异较小的亮度则会被认为是一致的。
在某一特定的背景亮度下，人眼所能感知到的最小亮度差，被称为该亮度级下的亮度敏感度。Weber定理指出，亮度敏感度和背景亮度的比值近似为一个常数。为了测试处于不同光强度下的亮度敏感度，研究人员设置如下实验:如图4.11
(a)所示，在一幅具有相同背景亮度(L)的图像上，逐渐改变(增加或减小)其中心区域的亮度值(L士△L)，直到人眼能感觉到该变化为止，自此得到该背景亮度下的敏感度值。图4.11
(b)显示常用的数字图像(即光强度量化为256个灰度级)在各灰度级下的亮度敏感度曲线，从该图我们可以得知人眼对高、低光亮度区不敏感，而对于中间(灰度级为128左右)光亮度区域敏感。
人类视觉系统非常关注物体的边缘，往往通过边缘信息获取目标物体的具体形状、解读目标物体等。由于视觉系统具有鲁棒性，无法分辨一定程度以内的边缘模糊，这种对边缘模糊的分辨能力则称为对比灵敏度。对比灵敏度与所观察区域的空域信息及亮度对比度相关，因此可根据空域信号频率(如基于频率的灵敏度函数，Contrast
Sensitivity
Function)或空域信号强度对比度(LuminanceContrast)来度量。Legge等人设计相应的心理视觉实验(如图(a)所示)，来测试特定亮度对比度下的视觉分辨能力，从而得到各亮度对比度下的对比灵敏度值(Visible
Threshold，如图(b)所示)。
亮度及对比敏感度反映视觉对光强度及光强对比度的分辨能力，为计算机视处理中的信号感知提供理论基础。
2.2.3视觉掩盖
视觉信息间的相互作用或相互干扰将引起视觉掩盖效应。例如，人眼能观测到某单一信号的刺激，但是当该信号出现的同时又出现另外一个或多个信号时，人眼对该信号的分辨能力会因为几个信号间的相互作用而下降。结合视觉生理、心理学研究成果，科研人眼通过对视觉系统的长期观察发现掩盖效应跟信号的带宽、相位、方向、频率等特性有关。常见的掩盖效应有:1)由于边缘存在强烈的亮度变化，人眼对边缘轮廓敏感，而对边缘的量度误差不敏感，即对比度掩盖;2)图像纹理区域存在较大的亮度以及方向变化，人眼对该区域信息的分辨率下降，即纹理掩盖;3)视频序列相邻帧间内容的剧烈变动(如目标运动或者场景变化)，导致人眼分辨率的剧烈下降，即时域的运动掩盖及切换掩盖。
视觉掩盖效应使人眼无法察觉到一定阈值以下的失真，该阈值被称为恰可识别失真(Just Noticeable
Distortion)恰可识别失真阈值在实际图像处理中具有重要的指导意义。该阈值可以帮助我们区分出哪些信号是视觉系统能察觉、感兴趣的，哪些信号是视觉系统无法察觉、可忽略的。筛选出能察觉的信息而忽略其余不可察觉信息可以减少图像处理的复杂度，且在一定条件下能改善图像的显示质量。
