HVS特性研究

摘　要：长期以来，通过对人眼的某些视觉现象的观察并结合视觉生理和心理学方面的研究成果，人们发现人类HVS的许多特性，这些特性直接或间接的与影像的质量评价相关。其中研究较多、较有影响的特性主要有：亮度适应性、多通道结构、掩盖效应和视觉非线性等。

关键词：HVS ， 视觉空间分辨率， 掩盖效应
1.亮度适应性
　　　对比灵敏度是指人眼分辨亮度差异的能力。对人类视觉早期的研究发现,HVS对刺激信号的响应不是取决于信号的绝对亮度, 而是取决于该信号相对于背景亮度(或刺激信号平均亮度)的局部变化,即刺激信号的对比度。人眼主观上刚可察觉的最小亮度差ΔL称为亮度的可见度阈值。这就是说，当刺激光L增大时，人眼最初感觉不出，直到L变化到某值L+ΔL时人眼就会感觉到亮度的变化.由此我们定义对比灵敏度因数为△L/L，它的大小与背景亮度L和环境亮度L0有关。研究发现在宽阔的常用的背景亮度变化范围内，人眼对比灵敏度因数△L/L ≈0.22且变化很小，我们称此比值为韦伯比(Weber )，该关系式称为韦伯定律。当背景亮度很强或很弱时，人眼分辩亮度差异的能力下降，即对比灵敏度下降，△L/L上升.当背景亮度不等于周围环境亮度时，对比灵敏度就不仅与背景亮度有关，而且与环境亮度有关.在一定环境亮度L0下，韦伯比保持较低常量的范围变窄，但是在不同Lo值时其△L/L与L曲线的包络却与L= L0与情况时一致。
　　人眼的亮度视觉还有个重要特点，就是对被观察物体的绝对亮度判断力差，而对亮度的相对差异判断力较强，即上面所说的对比灵敏度较高。而人眼的主观亮度感觉正是与人眼对亮度差异的感觉密切相关的。可见度阈值与背景亮度间的关系的示意曲线如图2.1所示, 对于不同的物理亮度水平, 此阈值的响应曲线呈现分段、非线性特点(移变非性), 这就是人眼的亮度适应性, 它产生的根源是视细胞非线性地把接收到的光信号转换成电信号. 当背景亮度大于10cd/m2时, 亮度适应性可用著名的Weber-Fencher律描述, 阈值与背景亮度为对数非线性关系；当背景亮度处于10cd/m2以下,阈值与背景亮度为平方根(或立方根)关系。由于感知亮度的非线性压缩作用,在高亮度区,视觉感知可以允许较大的影像误差, 表现出亮度掩盖效应。图2.1可见度阈值与背景平均亮度变化关系。
　　
　　
图2.1可见度阈值与背景平均亮度变化关系

的空间频率特性
　　人眼辨别影像细节的能力称为视觉锐度或视觉空间分辨率。关于人眼的空间分辨率有以下一些特点。
　　　（1）由于人眼的视锥细胞在黄斑区分布最密，因此人眼对影像中心部分细节的分辩能力大于边缘部分。
    （2）当照度太低时，只有视杆细胞起作用，因而人眼的空间分辨率很低且不易辨出颜色;当照度太强时，人眼的空间分辨率不会增加，反而会下降。
    （3）背景亮度太强时，由于神经细胞的周围抑制作用，人眼分辩力降低，而且对物体的分辨率与背景亮度的对数成反比。
    （4）当视觉目标运动速度加快时，人眼视觉的空间分辨率降低。
　　　（5）眼对彩色细节的分辩能力比对亮度细节的分辩力差。
　　　人眼的光学系统特征以及视网膜等视觉处理过程的非线性与滤波效果,使得对比度阈值随刺激信号空间频率的不同而变化。对比度阈值的倒数, 随空间频率变化的曲线称为对比度敏感函数(CSF, contrast sensitivity function), CSF经常被看作是视觉系统的调制传递函数(MTF)。经过众多学者的大量实验研究，一般认为MTF呈带通滤波特性。实际上,MTF对应的只是CSF中的线性滤波成分(光学系统特征)。由于CSF 受到诸如方向性、亮度、影像观察距离等多种因素的影响, 准确的描述比较复杂,因此在实际应用中,基本上都认为HVS的对比度敏感性是空间频率的函数, 且具有带通滤波器性质, 其对高低频端敏感度下降。基本的CSF函数形式有H(r),s(ρ,θ,l,i2,d,e),│A(r)│H(r)以及s(w)。他们的CSF函数响应曲线如图2.2所示, 其中曲线1为Ngan等人提出的CSF函数, 曲线2，3分别为由Nill给出的曲线及其改进曲线。其中横轴为图像的空间频率,单位为c/d(cycle per degree 周每度),纵轴为CSF函数, 表明视觉响应的相对幅度。

　　　图2.2 CSF响应曲线
　　　按照傅立叶光学原理，任何空间影像都是由不同空间频率的亮度按正弦和余弦规律变化的各种成分组成。空间频率愈高的成分代表影像的细节越小，受人眼视觉空间分辨率的限制，探测能力也愈小。对于影像的某一空间频率成分，定义亮度调制度为其亮度最大值与最小值二者之差与二者之和的比值。人眼的空间频率可探测阈值(TOD)曲线就是表示人眼对各种空间频率成分刚可探测时的最低亮度调制度。研究表明亮度调制度愈大，人眼愈容易探测如图2.3所示。由于影像中空间频率越高的成分代表影像的细节越小，人眼的探测能力越低，因此为达到可以分辩，必须相应增大其调制量。

  图2.3探测阈值曲线
3.多通道与掩盖效应
　　　视觉皮层的细胞对不同的视觉信息或激励,如颜色、频率和方向等有不同的敏感性,而对目标识别、掩盖与自适应的研究认为：所有这些特征激励在人的视觉系统中,是在不同的通道进行处理的,这是早期的多通道理论,而后进一步的理论得出,视觉机制的多通道之间并不是彼此孤立的,而是存在着相互的作用、判决与相互影响,以产生最佳视觉。对于静止灰度图像来说,图像的多通道特性可以由它的空间频率和方向性来表征,只要用足够多的适当的调谐部件, 图像在视觉皮层的整个方向带和频率带都可以被完全覆盖,即可以完全模拟视觉系统的多通道, 但多通道之间的相互作用机制尚不明确。对初级视皮层细胞感受器实验测试显示, HVS由相邻的多个并列视觉通道构成。这些通道的空间频率带宽约为一个倍频程, 方向上的选择宽度在15°～60°之间。它们具有线性或正交相位、位移不变性、一致的频率响应和多尺度性,对水平(0°)和竖直(90°)方向的刺激最敏感,而向对角方向敏感性逐渐减弱,在45°(或135°)方向处最不敏感。这一结构特征恰好与多分辨滤波器组或小波分解相匹配。
　　　一个激励单独存在时,是很容易辨识的,掩盖效应(masking)是指由于另一个激励的存在导致它完全不能或者不容易被检测到,即被掩盖了。在描述多通道中激励之间的相互作用时,掩蔽效应是必须考虑的一种非常重要的现象。另外,这种掩盖效应导致的视觉系统的探测阈值(JND)的改变,既可以是抑制,也可以是加强,在计 算机视觉中,有时为了识别特定的目标, 需制作特定的掩盖器(masker),这也是掩盖效应。基于以上多通道与掩盖效应的这种特殊关系,需要说明以下两点: 一是视觉皮层细胞的响应在频域呈带通特性, 且有其相应的敏感度的峰值位置和响应带宽; 二是人的视觉系统具有将独立的视觉信息聚合起来的能力, 且不同的视觉皮层细胞对频率域的不同频段敏感度不一。为此, 用一组空间频率分段的滤波器来建立人眼视觉特性的模型, 将可见数据按照掩盖效应的特点分别在不同的带通频段内进行滤波。在影像质量评价工作中，对掩盖效应的研究是很有意义的。研究表明： 
    1.人眼对影像边缘、轮廓信息的失真很敏感。
    2.人眼对影像纹理细节的敏感度与它所处的背景亮度有关，对高、低亮度背景中的纹理细节人眼敏感度较低，而对中高亮度背景中的纹理细节敏感度较高。
　　3.人眼对不同方向的图像细节信息具有不同的敏感度，对水平方向上和垂直方向上的细节敏感度大于其他方向的敏感度。
　　4.人眼对低频端的敏感度高于高频端。
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