1.8 视觉特性

图像处理与人的视觉系统息息相关，因此有必要介绍人眼结构及其视觉特性。

1.8.1 人眼结构与机理要点

人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视神经构成的。人眼结构的剖面图如图1-17所示。人眼是一个直径约 20mm 的球体，球体外包覆有三层薄膜。最外层由角膜、巩膜组成。前 1/6 为透明的角膜，其余5/6为白色的巩膜。中间层又称葡萄膜、色素膜，具有丰富的色素和血管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。最内层为视网膜，是一层透明的膜，也是视觉形成的神经信息传递的第一站。下面介绍与视觉直接相关的各部分结构。

1．瞳孔

透明的角膜后是不透明的虹膜，虹膜中间的圆孔称为瞳孔，其直径可调节，控制进入眼内的光通量，起着照相机光圈的作用。

2．晶状体

瞳孔后是一扁球形弹性透明体，其曲率由睫状肌的伸缩调节，以改变焦距，使不同距离的景物始终能成像于视网膜的黄斑区，起着照相机透镜的作用。

3．视细胞

视网膜上集中了大量视细胞，分为锥状细胞和杆状细胞两类。锥状细胞是明视细胞，在强光下检测亮度和颜色；杆（柱）状细胞是暗视细胞，在弱光下检测亮度，无色彩感觉。其中，每个锥状细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率高，能分辨细节和颜色；多个杆状细胞连接着一个视神经末梢，故分辨率低，仅能分辨物体的轮廓。

根据人眼结构和机理的实验研究得到的人眼成像过程如图1-18所示。

1.8.2 视觉模型

一幅图像可看做无数个像素点的集合，这里的每个像素点可看做一个点光源，点光源可以用δ函数表示。这样一幅图像可用二维δ 函数表示如下：

即通过冲激函数δ (x,y)可以将任意一幅图像f(x,y)表示为

这样一个光学成像系统可用图1-19来描述。

原始图像经过光学成像系统后，其输出为

大多数光学成像系统可以看做线性系统，即具有叠加性、齐次性、移不变性，则

设h(x,y)=T[δ (x,y)]，则有

其中h(x,y)称为该光学系统的冲激响应，也称点扩散函数。于是有

由式（1-10）可知，如果系统的点扩散函数已知，那么对于任意输入f(x,y)，系统的输出就可由点扩散函数来决定。

人眼类似于一个光学成像系统。但由于神经系统的调节作用，实际上要比光学成像系统复杂得多。不过，为了描述人眼的机理和成像过程，可把视觉模型简化为线性光学成像系统。目前常用的视觉模型是低通-对数-高通模型，如图1-20所示，大多数视觉现象都可以用它来解释。

由于人眼晶状体的光学像差以及瞳孔尺寸、感光细胞尺寸和密度的有限性限制了系统的上限频率，使视觉系统对高频起抑制作用，因此人眼对光刺激的感知过程等效于一个低通滤波器。

对数运算器表达了主观亮度感觉符合韦伯-弗赫涅尔定律，即人眼感觉到的景物亮度并不直接由景物本身的亮度所决定。人眼的视觉范围是很宽的，其主观亮度感觉 S 与光强度（实际刺激亮度）B的对数成线性关系：

其中，K和K0均为常数。

视神经细胞的侧向抑制作用，使其等效于高通滤波器。视觉过程的高通特性反映了侧抑制引起的马赫带效应，即在客观亮区的边沿会存在一条比主观亮度更亮的光带。

1.8.3 亮度感觉

亮度是一种外界辐射能量在人眼中反映出来的心理感觉。人眼感知的亮度与实际的客观亮度并非完全相同，但有一定的对应关系。下面介绍亮度感觉的几个主要特性。

评价灰度图像质量的一个重要参数是对比度，它是图像中亮度的最大值与最小值的比值：

有时也采用相对对比度Cr，定义为

其中，B为物体亮度，B0为背景亮度。

人眼所能感觉到的亮度范围非常大，大约为10-2～106 cd/m2，即C=108。但是人眼并不能同时感受这样大的亮度范围。在人眼适应了某一个平均的亮度环境以后，它所能感受的亮度范围要小很多。当平均亮度适中时，能分辨的亮度上限和下限之比为 1000:1，即 C=103。而当平均亮度较低时，C大概只有10。

人眼感受到的亮度不是光强的简单函数。对于同样亮度的刺激，由于背景亮度不同，主观亮度感觉也不同，这就是亮度对比效应。其中一个例子是同时对比效应，如图1-21所示，大小和亮度都相同的四个小方块处于不同亮度的背景之中，但当人们同时观察小方块和背景时，会感到背景较暗的小方块较亮，而背景较亮的小方块较暗。另一个例子是马赫带（Mach band）效应，如图1-22所示。各条带灰度都是均匀的，相邻条带的亮度相差一个固定值，但感觉每个条带内的亮度并不均匀，且左边比右边亮一些。马赫带效应有增强图像边缘、提高图像反差的作用。