人眼的視覺特性

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1、人眼的視覺特性1、引言　　人眼的視覺系統(tǒng)是世界上最好的圖像處理系統(tǒng)，但它遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是完美的。人眼的視覺系統(tǒng)對圖像的認(rèn)知是非均勻的和非線性的，并不是對圖像中的任何變化都能感知。例如圖像系數(shù)的量化誤差引起的圖像變化在一定范圍內(nèi)是不能為人眼所覺察的。因此，如果編碼方案能利用人眼視覺系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，是可以得到高壓縮比的。對人眼視覺特性的深入研究及由此而建立的各種數(shù)學(xué)模型，一直是各種圖像數(shù)字壓縮算法的基礎(chǔ)。2、人眼的視覺特性　　人眼對380～780納米內(nèi)不同波長的光具有不同的敏感程度，稱為人眼的視敏特性。衡量描述人眼視敏特性的物理量為視敏函數(shù)和相對視敏函數(shù)。　　1）視敏函數(shù)在相同亮度感覺的條件下，不同波長上

2、光輻射功率的倒數(shù)可以用來衡量人眼對各波長光明亮感覺的敏感程度。稱為視敏函數(shù)K(λ)=1/pr(λ)。　　2）相對視敏函數(shù)實(shí)驗(yàn)表明，人眼對波長為555納米的光最敏感，因此把任意波長的光的視敏函數(shù)與最大視敏函數(shù)值K(555)相比的比值稱為相對視敏函數(shù)　　?？梢姽獠ㄩL　　實(shí)驗(yàn)表明：視敏涵數(shù)的曲線的最大值位于５５５nm處當(dāng)光線微弱向左偏移最大值為５０7nm處，兩者相差近５０nm，人眼就相當(dāng)于帶通濾波器，這就表明人眼對亮度變化比較敏感。　　人眼對于藍(lán)光的視覺靈敏度要比紅光和綠光低的多．三條曲線的峰值比為Ｒ：Ｇ：Ｂ＝０．５４：０．５７５：０．０５３（藍(lán)光放大２０倍）．三條曲線有相當(dāng)一部分是重疊的．正常觀察

3、條件下，人眼得到的是二者的合成的視覺，不能將他們各自的數(shù)值區(qū)分開來．大腦根據(jù)三者的比例，感知彩色的色調(diào)和飽和度，而三者的和決定了光的總亮度?！?.1對比靈敏度　　人眼對亮度光強(qiáng)變化的響應(yīng)是非線性的，通常把人眼主觀上剛剛可辨別亮度差別所需的最小光強(qiáng)差值稱為亮度的可見度閾值。也就是說，當(dāng)光強(qiáng)I(xiàn)增大時，在一定幅度內(nèi)感覺不出，必須變化到一定值I+ΔI時，人眼才能感覺到亮度有變化，ΔI/I一般也稱為對比靈敏度。因此恢復(fù)圖像的誤差如果低于對比靈敏度，即不會被人眼察覺。此外，高頻部分在相同的靈敏度閾值下，色差信號Y-R空間頻率只有亮度Y的一半，色差信號Y-B空間頻率只有亮度Y的1/4。人眼對于運(yùn)動圖像的

4、對比靈敏度與時間軸上信息的變化速度有關(guān)，隨著時間軸變化頻率的增加，人眼所能感受到的圖像信息的誤差閾值呈上升趨勢，視覺上的這種動態(tài)對比靈敏度特性表現(xiàn)為圖像序列之間相互掩蓋效應(yīng)?？梢姸乳撝岛脱谏w效應(yīng)對圖像編碼量化器的設(shè)計(jì)有重要作用，利用這一視覺特性，在圖像的邊緣可以容忍較大的量化誤差，因而可使量化級減少，從而降低數(shù)字碼率?！?.2分辨率　　當(dāng)空間平面上兩個黑點(diǎn)相互靠攏到一定程度時，離開黑點(diǎn)一定距離的觀察者就無法區(qū)分它們，這意味著人眼分辨景物細(xì)節(jié)的能力是有限的，這個極限值就是分辨率。研究表明人眼的分辨率有如下一些特點(diǎn)：①當(dāng)照度太強(qiáng)、太弱時或當(dāng)背景亮度太強(qiáng)時，人眼分辨率降低。②當(dāng)視覺目標(biāo)運(yùn)動速度加快時

5、，人眼分辨率降低。③人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨率比對亮度細(xì)節(jié)的分辨率要差，如果黑白分辨率為1，則黑紅為0.4，綠藍(lán)為0.19?！?.3馬赫效應(yīng)　　當(dāng)亮度發(fā)生躍變時，會有一種邊緣增強(qiáng)的感覺，視覺上會感到亮側(cè)更亮，暗側(cè)更暗。馬赫效應(yīng)會導(dǎo)致局部閾值效應(yīng)，即在邊緣的亮側(cè)，靠近邊緣像素的誤差感知閾值比遠(yuǎn)離邊緣閾值高3~4倍，可以認(rèn)為邊緣掩蓋了其鄰近像素，因此對靠近邊緣的像素編碼誤差可以大一些。3、圖像子采樣　　對色差信號使用的采樣頻率比對亮度信號使用的采樣頻率低，這種采樣就稱為圖像子采樣（Subsampling）。最簡便的圖像壓縮技術(shù)恐怕就要算圖像子采樣了。這種壓縮方法的基本根據(jù)是人的視覺系統(tǒng)所具有的兩個特性

6、，一是人眼對色度信號的敏感程度比對亮度信號的敏感程度低，利用這個特性可以把圖像中表達(dá)顏色的信號去掉一些而使人不易察覺：二是人眼對圖像細(xì)節(jié)的分辨能力有一定的限度，利用這個特性可以把圖像中的高頻信號去掉而使人不易察覺，子采樣就是利用這個特性來壓縮彩色電視信號?！　∽硬蓸痈袷剑?∶2∶2子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本，2個紅色差cr樣本和2個藍(lán)色差cb樣本，平均每個像素用2個樣本表示。4∶1∶1子采樣格式是指在每條掃描線上每4個連續(xù)的采樣點(diǎn)取4個亮度Y樣本，1個紅色差cr樣本和1個藍(lán)色差cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示。這是數(shù)字電視磁帶DVC（DigitalV

7、ideoCassette）上使用的格式。4∶2∶0子采樣格式是指在水平和垂直方向上每2個連續(xù)的采樣點(diǎn)上取2個亮度Y樣本，1個紅色差Cr樣本和1個藍(lán)色差Cb樣本，平均每個像素用1.5個樣本表示。4、變換編碼　　在圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)中，變換編碼（TransformCoding）與預(yù)測編碼（PredictiveCoding）已成為最基本的兩種編碼方法。變換編碼的基本思想是，將空間域描寫的圖像信號變換到一個