2.1　圖像與人類視覺的關系

圖像在人類對外部世界的感知中起著最重要的作用并不令人奇怪，因為視覺系統是人類具備的感官系統中最高級也是最復雜的，但人類視覺被限制在電磁波波譜的可見光波段，無法像某些動物（比如貓科動物、爬行動物等）一樣可以感知到熱紅外等波段。如下將簡要介紹人類視覺系統模型及其感知特性。

2.1.1　人類視覺系統模型

人類視覺系統的結構是十分完備和極其復雜的。視覺是一個根據圖像發現周圍景物中有什么物體和確定物體在什么地方的過程，即視覺器官“眼睛”接收外界的刺激信息，大腦對這些信息通過復雜的機理進行處理和解釋，使這些刺激具有明確的物理意義，進而從圖像中獲得和觀察者相關的場景符號描述的過程。因此，可以說視覺感知是一個有明確輸入和輸出的信息處理過程。

人的視覺系統由眼球、神經系統及大腦的視覺中樞構成。具體的人眼視覺過程如圖2.1所示。

人眼接收電磁波譜中的可見光波長在380～780nm之間，具有不同波長和強度的光線刺激人眼，經眼部的光學系統在視網膜形成外界物體不同的物像。視網膜是眼睛最里面的膜，它布滿了整個后部的內壁。其表面分布的分離光接收器由錐狀體和桿狀體組成。錐狀體形成錐狀視覺，稱為白晝視覺或亮度視覺。利用錐狀視覺，人類可以充分地分辨出圖像的顏色和細節信息。桿狀體產生桿狀視覺，稱為夜視覺或暗視覺，可以得到視野內場景的總體圖像。桿狀體無彩色視覺，低照明度下對圖像較敏感。因此，在白天呈現鮮明色彩的物體，在月光下卻沒有色彩，但是人眼能感覺到物體的輪廓。視網膜將物像的光能轉換并加工成神經活動，經由視神經將活動傳入視覺中樞，在人腦中產生不同的光強、色彩、形狀等感覺與感受。

人類視覺系統（Human Visual System，HVS）相當復雜，并且關于這方面的認識非常有限。目前，人們通過研究認為人類的視覺感知有三個基本的特性，即視覺非線性特性（Weber定律）、視覺敏感度帶通和多通道特性及掩蓋效應。

人眼的感知亮度與所感知的場景實際亮度呈對數關系，即視覺非線性特性是Weber定律描述的基本內容。而視覺與對比度的關系用視覺系統的對比度敏感度函數CSF（Contrast Sensitivity Function，CSF）來表示，或稱為人眼視覺系統空間調制轉移函數MTF（Modulate Transform Function，MTF），簡稱為MTF過程。不同實驗所得的CSF函數形式各異，但基本上都認為HVS的對比度敏感性是空間頻率（正弦波光柵相鄰兩黑線條之間的距離稱為空間周期，單位距離內所包含的空間周期數可稱為空間頻率。）的函數，且具有帶通濾波器性質。對于靜態灰度圖像來說，圖像的多通道特性可以由它的空間頻率和方向性來表征，只要用足夠多的適當的調諧部件，圖像在視覺皮層的整個方向帶和頻率帶都可以被完全覆蓋，即可以完全模擬視覺系統的多通道。

CSF解釋了對單一視覺激勵的感知，一個激勵單獨存在時，人類視覺是很容易辨識的。幾個激勵同時存在時，激勵間會產生相互作用，一個激勵的存在將導致另一個激勵探測閾值的改變，或由于另一個激勵的存在導致它完全不能或者不容易被檢測到，即被掩蓋了，這種現象稱為掩蓋效應。在描述多通道中激勵之間的相互作用時，掩蓋效應是必須考慮的。激勵可見度與激勵所在地方的平均背景亮度有關的掩蓋效應，稱為對比度掩蓋效應。此外，還有一種紋理掩蓋效應，它是指由于背景亮度在空間或時間上的非均勻性所導致的可見度閾值的改變。據研究，大多數圖像都包含復雜而不均勻的亮度背景，且在有較大亮度變化的區域和具有豐富活動性的區域，其可見度閾值增大。

除了上述三個基本特性外，還有一些與視覺現象密切相關的特性，如馬赫帶效應（Mach bands Effect）是馬赫在1865年首先描述的。如果一幅圖像一邊暗一邊亮，中間的過渡是緩慢斜變的，當我們觀看這樣的圖像時，視覺會自然地產生亮的一邊更亮，暗的一邊更暗，同時靠近暗的一邊的亮度比遠離暗的一邊要亮，而靠近亮的一邊比遠離亮的一邊顯得更暗的感覺。這種主觀亮度和實際亮度不一致的情況稱為馬赫帶效應。產生馬赫帶效應的原因是HVS的空間頻率響應在較低的空間頻率處，人眼視覺靈敏度并非隨空間頻率升高而下降，而是存在一個極大值，即在某一較低的空間頻率處，視覺靈敏度最高。因為該空間頻率成分被視覺強調突出，所以該空間頻率成分出現在亮區就顯得更亮，出現在暗區則顯得更暗。因此，馬赫帶效應是圖像亮度變化邊界處的一種主觀銳化效應。圖2.2為馬赫帶效應示意圖。

2.1.2　視覺空間分辨率及感知特性

通過研究發現，人類視覺的空間分辨率（在空間上能區分相鄰點的最小角距離稱為極限分辨角，而其倒數被稱為人眼分辨力。）具有以下一些特點。

①由于人眼的視錐細胞在黃斑區分布最密，因此，人眼對圖像邊緣、輪廓信息的變化很敏感。

②人眼對圖像紋理細節的靈敏度與它所處的背景亮度有關，對高亮度和低亮度背景中的紋理細節人眼靈敏度較低，而對中高亮度背景中的紋理細節靈敏度較高。

③人眼對不同方向的圖像細節信息具有不同的靈敏度，對水平方向和垂直方向上的細節靈敏度大于其他方向上的靈敏度。

④當視覺目標運動速度加快時，人眼視覺的空間分辨率會降低。

⑤人眼對彩色細節的分辨能力比對亮度細節的分辨能力差。

除了上述描述的視覺特性外，通過研究也發現了人類視覺感知物體的一些具體特點。

①相位特性：人眼對相位角的變化要比對模的變化敏感（人眼視覺可由光學傳遞函數描述，其包括調制傳遞函數和相位傳遞函數。相角由相位傳遞函數確定，不影響像的清晰度；而模由調制傳遞函數確定）。

②方向特性：人眼對傾斜方向的變化要比水平和垂直方向的變化敏感度低。

③形狀特性：通常細長的形狀比圓形更有吸引力。

④位置特性：眼睛跟蹤實驗表明，觀測者的眼睛大多直接看到的是圖像中間1/4的區域。

⑤前景/背景特性：觀測者更多被前景而不是背景吸引。

⑥人物以及特定目標：很多研究表明人們更多把注意力投向場景中的人物，特別是他們的臉龐和眼睛。

⑦區域大小：區域的大小也是影響注意力的一個重要因素。較大的區域通常更容易得到關注，也可以說人類觀察場景時首先是對場景的總貌進行感覺的。