视觉的基本知识:人类视觉系统的生理构造和工作方式

本章是视觉基本知识的第一节:介绍人类视觉系统的生理构造和工作方式,从视觉重要性以及眼球构造出发,介绍了眼底视网膜的生理结构、视觉通路、大脑皮层视觉区等概念,说明了人类视觉系统的组成。并从神经生理学、认知心理学两个角度展示了人类视觉系统的工作方式。
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1.第二章 视觉的基本知识

2. 主要内容  人类视觉系统的生理构造和工作方式  神经生理学  认知心理学  视觉系统的物理特性  光度学  色度学  视觉系统的几何特性  齐次坐标  射影几何

3.第一节 人类生理视觉系统

4. 1.1 人类生理视觉系统  人类所有的感觉当中,视觉具有特别重要 的意义。研究表明, 80% 以上的外界信息 是由视觉系统所接收、处理和感知的;  视觉系统所具有的各种功能使我们能够分 辨万物,感知它们的大小、形状、颜色、 亮暗、远近和动静;  人类的视觉系统事实上指的就是眼—脑系 统。眼—脑系统在完成上述这些视觉功能 时涉及不同的视觉信息处理过程。

5. 人类视觉的解剖结构 人类的视觉系统由以下四个部分组成 :  眼球 ; 是一个相当复杂 , 精细的光学仪器 , 起到调节适当的 光强 , 折射率 . 同时外界的三维景物变换成二维的视网 膜上的投影  眼底视网膜 ; 起到光电传感器的作用 , 吸收光量子 , 输出生物电流  视觉通路 将生物电信号经过平均与会聚转换成一束信号 , 传送 到大脑皮层  大脑皮层视觉区 工作机理非常复杂 , 还没有被探明

6. 眼球构造 从人眼的构造可知,它的 光路是由以下几部分组成 :前眼房 ( 角膜、水样 液 ) 、虹膜和瞳孔、水 晶体、玻璃体等。 人类的眼球是一个相当复杂 , 精细的光学仪器

7. 眼底视网膜 视网膜包含感光细胞,水平细胞 , 双极细胞和神经节细胞 。  感光细胞,即杆体细胞和锥体细胞。锥体细胞是明视器官,它在光 亮条件下发生作用,能分辨细节。共有三种锥体细胞 , 对应三元色 . 杆体细胞是暗视器官对弱光反应灵敏,在低照明情况下发生作用。 但它不能感受颜色,对精细物象的辨别也没有什么贡献。  水平细胞 . 负责横向联系感光细胞 , 起到平均调和信号的作用 .  双极细胞 . 锥体细胞和杆体细胞经水平细胞与双极细胞连接。一般 情况是每一个锥体细胞与一个双极细胞连接,这是为了在光亮条件 下便于精细地感受外界的刺激。而杆体细胞往往是几十个连接到一 个双极细胞。这是为了在黑暗条件下能汇集外界微弱的光刺激 .  神经节细胞 . 其细胞的视觉纤维通向大脑 .

8. 视觉通路 第一视觉通路 作用主要 第二视觉通路 作用微小 光交叉 : 形成立体视差 外膝体 : 作用尚不清 楚 , 与形状 \ 深度 \ 运 动检测有关

9. 大脑皮层视觉区  大脑皮层由约 1010 个细胞组成.根据功能分为若干 区。与视觉有关的有:  17 区 : 称为主视觉区 , 起到景物的光学特性处理作用.  18 、 19 区:对二维的特征 ( 形状、移动等 ) 进行处理, 称为相关视觉区 .  20 、 21 区:视觉的判断等高层处理。  大脑皮层的工作机理非常复杂 , 目前有关它的工作 过程仅能知道的是一切意识是和神经元的激活与抑 制有关,因此有必要进一步对神经细胞单元作一定 的研究。

10. 人类视觉系统的组成 人类视觉的眼— 脑系统看成一个有生命的光学变换器和信 息处理系统,可分为三个部分。第一部分是光学系统,由 于有关的神经活动最少,因此最为简单;第二部分是视网 膜。它把光信号转变成电信号,并进行某些细胞一级的处 理。第一、第二两部分都在眼睛里。最后一部分是视觉信 息处理,它实质上是代表从视网膜到大脑皮层的视觉通路 上所完成的复杂处理的统称。 在大脑和到大脑的通路中 在眼中 输入图像 光学系统 光信号 视网膜 电信号 视觉信息处理 感知 传导 处理

11. 1.2 神经元及视觉神经结构  神经元细胞是由细胞体 , 输入机构 (dentrites),dentrites),), 和 输出机构 (dentrites), 突触 axon) 组成 .  神经元的基本工作方式为激活与抑制两种状态。 当输入端的生物电变化时,细胞体状态变化并产 生一个相应的生物信号 .

12. 神经元的工作方式  Dentrites),: ωx-θ;  x 为源信号 ,ω 为权值 (dentrites), 双极性 ), θ 为阈值 .  细胞体 : 加法器 n y sign[ i xi  i ] i 1  Axon: 调频传送  免除噪声干扰和衰减影响  神经元之间的传送  在两个神经元的 dentrites), 和 axon 之间有电解化学 物质 , 起到电容的作用 .

13. 视觉神经结构  感受野 : 直接或间接影响某一特定神经细胞 的光感受器细胞的全体

14. 视觉神经细胞感受野模式  在视觉系统中,任何层次 或水平上的单个神经细胞 均在视网膜上有一特定代 表区域,在该区域上的光 学刺激能影响该神经细胞 的活动,这个区域定义为 该细胞的视觉感受野。  视网膜神经节细胞的感受 野结构是同心圆的、中心 和周边拮抗式的

15.同心圆感受野

16. 同心圆感受野  人的视觉细胞存在视觉场结构 . 视点的中心区域 存在正性细胞.它们接收光能并产生一个正的反 应。在该中心区域周围存在着负性细胞.它们在 接收光能时产生相反的反应。负性细胞随中心距 增大而迅速稀疏,代之而起的中性细胞不产生任 何反应。这种解释由诺贝尔奖金获得者 Hartline 得到证实。  这种场结构所产生的视觉反应可由”墨西哥草帽” 来表示 .  这种场结构可以使人的视觉具有侧抑制作用,它 使观察物体时保证“集中注意力”.即把视觉活动 集中在注意圈内,不受圈外的变化所干扰。

17.感受野同心圆拮抗式模型 ( Rodieck, 1965 )

18.同心圆感受野工作原理

19.同心圆感受野工作原理 发现问题了吗 ?

20. 非经典感受野的发现 视觉系统中的反演集合结构现象的研究——非经典感受野中的 一些数学拓扑结构 , 刘建忠 , 中国科技论文在线 ,2007

21. 3. 图像特征与视觉生理结构的关系  色彩  三元色与三种锥体细胞相对应  视觉接受场存在有侧抑制作用 , 两种互相抑制色块的 交界处会产生色彩增强的感觉  形状  形状是由线条 , 边缘等特征组成  大脑皮层中的两种细胞 : 简单细胞和复杂细胞  简单细胞 - 使用位置和方向 - 通过分层次检测得到完  复杂细胞 - 使用方向和中心 - 整的边缘和形状的感觉  更上复杂层细胞 - 使用边角 -

22. 视觉信息处理  运动特性  外膝体细胞层中含有 X 细胞和 Y 细胞 , X 细胞对应较慢 运动 ,Y 细胞对应较快运动 .  主视觉区内有简单细胞和复杂细胞 , 简单细胞负责检测 简单的点和线条运动 , 复杂细胞负责更大区域的运动边 界和线条 .  视网膜的光敏细胞对于运动物体的光的感应仅仅是光 源明暗的流动即光流,光流图像虽然是原始的运动图 像,但它包含了所有运动信息。因此在计算机视觉中 发展光流量理论成为运动图像研究的主要手段。

23. 视觉信息处理 由于 X 细胞的外周主要是接受平均亮度信息,所以它对运动的风 车不敏感。但是对于 Y 细胞的外周,运动的风车引起视网膜光强分 布的变化,从而影响到 Y 细胞反应变化。

24. 1.3 认知心理学与计算机视觉  “ 黑箱理论” ------ 心理学研究的主要方法  直觉 ------ 与底层视觉相关的一些规律 , 这 是我们要研究的主要内容  直觉的特点 :  不准确  与识别对象知识关系不大  带有主观性  人类视觉所独有 , 发挥了积极作用

25. 1. 视觉的适应和对比特性  人的实际视觉感受并不与客观目标的物理度量严格 一致,而是与所看到的目标的周围环境、变化过程 有关。  人们的视觉感受往往是通过相对比较而得到的。这 种比较包括与四周空间存在的“模式”进行比较,也 包括时间上先前出现的“模式’’进行比较。这里的模 式指亮度级别、色彩类型、形状因素等。  这种依赖于相对比较而得到感受的视觉特性称为适 应性或对比性。

26.马赫带-指人们在明暗变化的边界,常常在亮区看到一条更亮 的光带,而在暗区看到一条更暗的线条。这就是马赫带现象, 马赫带不是由于刺激能量的分布,而是由于受到视觉”惰性”的 影响

27.马赫带效应

28. 视觉”惰性”的表现  亮度 , 韦伯定律  色彩 , 色调错觉  边界 , 马赫带  形状 \ 大小 , 变化  运动 , 时间的适应性

29. 2. 盖式塔组合规律 人们的视觉往往能把图像中空间散布的小 点、小块看成连贯的线条或一块区域,这 些线条或区域可能是一个物体的一个表面 ,它们往往具有一定的模式特征。人们就 是通过这些模式特征收集图像中的散片 , 进而发现物体的形状。这种组合碎片的能 力由著名的心理学家 Gestalt 总结成以下 一些规律。