【正文】 度級(jí)統(tǒng)計(jì)過程中注重保留重要信息區(qū)的灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)量，同時(shí)削弱平滑區(qū)或背景區(qū)的統(tǒng)計(jì)量，使得統(tǒng)計(jì)結(jié)果可較好地反映各灰度級(jí)對(duì)刻畫信息所起的作用。 另外，傳統(tǒng)的直方圖均衡化方法是在假定不同的灰度級(jí)的視覺敏感度一樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但研究發(fā)現(xiàn)，人眼視覺系統(tǒng)的感知特性是非線性的，即在不同的灰度級(jí)范圍內(nèi)，視覺敏感度是不同的，在暗區(qū)，敏感度低，在亮區(qū)，敏感度高，因此傳統(tǒng)的直方圖均衡化方法在分配信息時(shí) 沒有充分利用視覺敏感度。為解決這XX 大學(xué) XX 學(xué)院 201X 屆 XXXX 專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 個(gè)問題，本文把灰度級(jí)按照視覺感知特性分為三個(gè)部分：最弱感知區(qū)、最強(qiáng)感知區(qū)及次強(qiáng)感知區(qū)，同時(shí)把圖像中大量信息區(qū)的灰度級(jí)分配在最強(qiáng)感知區(qū)，把含有少量信息的區(qū)域的灰度級(jí)分配在最弱感知區(qū)及次強(qiáng)感知區(qū)，但次強(qiáng)感知區(qū)分配到的信息量要比最弱感知區(qū)多，這樣可以拉伸圖像的灰度層次，提高圖像的對(duì)比度，使增強(qiáng)后的圖像獲得滿意的視覺效果。 由上一段得知，需要把直方圖劃分為三個(gè)區(qū)域，即大量信息區(qū)與兩個(gè)少量信息區(qū)，信息區(qū)的劃分，尤其是最大信息區(qū)與最小信息區(qū)的劃分，不能總是依靠人眼，這樣算法移植性不高， 而且由于圖像信息分布的多樣性，也不能固定閾值，比如，有的圖像灰度級(jí)較多且分布較均勻，則閾值不能太小，因?yàn)槿绻峙涞阶顝?qiáng)感知區(qū)的信息量太多，則會(huì)有大量的信息分享有限的灰度級(jí)空間，導(dǎo)致小于人眼感知能力曲線的信息量增加，反而不利于感知圖像；有的圖像灰度級(jí)較少，這時(shí)閾值不能太大，因?yàn)楸疚钠谕馨汛罅啃畔⒈M可能的分配在最強(qiáng)敏感區(qū)及次強(qiáng)敏感區(qū)，也就是在不損害且充分利用最強(qiáng)感知區(qū)信息的情況下，把盡可能少的信息分配給最弱感知區(qū)。為了自適應(yīng)的獲取使圖像增強(qiáng)效果最佳的閾值，本文根據(jù)視覺感知模型設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單有效的圖像增強(qiáng)質(zhì)量客 觀評(píng)價(jià)算法，該算法除了能對(duì)增強(qiáng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，也可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而獲得最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。 2 人眼視覺系統(tǒng)概述 圖像信息是通過人的視覺來接收的。在實(shí)際應(yīng)用中，許多圖像處理與分析的目的就是改善圖像的視覺效果或處理后以便于人們對(duì)圖像的分析，所以了解人的視覺系統(tǒng)特性及視覺信息處理特性在觀察圖像或判讀圖像時(shí)的某些現(xiàn)象和特性是有必要的。視覺是人類的主要感覺來源，人類認(rèn)識(shí)外界信息中 80%來自視覺。視覺器官“眼睛”接受外界的刺激信息，而大腦對(duì)這些信息通過復(fù)雜的機(jī)理進(jìn)行處理和解釋，使這些刺激具有明確的物理意義。視覺系統(tǒng)是 一個(gè)復(fù)雜的完善的信息獲取和分析系統(tǒng)，它涉及許多學(xué)科，但目前尚有許多感知機(jī)理仍不清楚，這也是阻礙圖像處理發(fā)展的重要原因。因?yàn)楝F(xiàn)有的大多圖像處理算法都或多或少地引入了人眼視覺系統(tǒng)，為便于理解，本章首先就人眼構(gòu)造及光學(xué)特性、人眼視覺感知系統(tǒng)作簡(jiǎn)單介紹。 人眼構(gòu)造及其光學(xué)感知特性 人眼的結(jié)構(gòu)和照相機(jī)相似，如圖 所示。眼睛的前部為一圓球，其平均直XX 大學(xué) XX 學(xué)院 201X 屆 XXXX 專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 人眼的構(gòu)造 徑為 20mm 左右，它由三層薄膜包著，即角膜和鞏膜外殼、脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜。它的正 前方六分之一 是透明的角膜，角膜是一種硬而透明的組織，它蓋著眼睛 的前表面，鞏膜與角膜連在一起，鞏膜是一層包圍著眼球剩余部分的不透明的膜。脈絡(luò)膜位于鞏膜的里邊，這層膜包含有血管網(wǎng)，它是眼睛的重要滋養(yǎng)源，脈絡(luò)膜外殼著色很重，因此有助于減少進(jìn)入眼內(nèi)的外來光和眼球內(nèi)的回射。在脈絡(luò)膜的最前面角膜的后面被分為睫狀體和虹膜。虹膜中間有一小圓孔稱為瞳孔。在虹膜環(huán)狀肌的作用下，瞳孔的直徑可在 2~8mm 間調(diào)節(jié)，從而控制進(jìn)入人眼的光通量，起到照相機(jī)光圈調(diào)節(jié)的作用。瞳孔后面是一扁球形的彈性透明體，稱為晶狀體，相當(dāng)于照相機(jī)鏡頭的作用。它在睫狀肌的作用下，可以調(diào)節(jié)曲率改變焦距，使不同距離的景物可以 在視網(wǎng)膜上成像。當(dāng)晶狀體的折射能力由最小變到最大時(shí)，晶狀體的聚集中心與視網(wǎng)膜之間的距離約由 17mm 縮小到 14mm。當(dāng)眼睛聚集到遠(yuǎn)于 3m的物體時(shí)，晶狀體的折射能力最弱，當(dāng)聚集到非常近的物體時(shí)，其折射能力最強(qiáng)。 眼睛最里層的膜是視網(wǎng)膜，它布滿在整個(gè)眼球后部的內(nèi)壁上，當(dāng)眼球適當(dāng)聚集時(shí)，從眼睛的外部物體來的光就在視網(wǎng)膜上成像。整個(gè)視網(wǎng)膜表面上分布的分離的光接收器造成了圖案。這種光接收器可分為兩類：錐狀體和桿狀體。 錐狀細(xì)胞的直徑為 2~6μ m，長(zhǎng)約 40 μ m，有 500 萬個(gè)。它們主要位于視網(wǎng)膜的中間部分，叫做中央凹 ，即黃斑區(qū)，它們主要是在強(qiáng)光下檢測(cè)亮度和顏色信XX 大學(xué) XX 學(xué)院 201X 屆 XXXX 專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 息。每個(gè)錐狀細(xì)胞連接著一個(gè)視神經(jīng)末梢，因此黃斑區(qū)的分辨率極高，從而使人所感興趣物體的像落在視網(wǎng)膜的中央凹上，這樣人們利用這些錐體細(xì)胞就能充分地識(shí)別圖像的細(xì)節(jié)，形成人眼的明視。在視網(wǎng)膜的其他部分分布著桿狀細(xì)胞，直徑約 2~~7004μ m，長(zhǎng)約 60 μ m，共有 7500~15000 萬個(gè)。由于分布面積較大且多個(gè)桿狀細(xì)胞與一個(gè)視覺神經(jīng)末梢相連，使接收器能夠識(shí)別細(xì)節(jié)的量減少了，即對(duì)細(xì)分辨率較低，只能給出視野中一般的輪廓，形成人眼的暗視。它們能在弱光下檢測(cè)亮度信息，但沒有色彩 的感覺。例如，在白天呈現(xiàn)鮮明顏色的物 體，在月光下卻沒有顏色，這是因?yàn)橹挥袟U狀細(xì)胞受到了刺激，而桿狀 沒有色彩的感覺。 視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞統(tǒng)稱視細(xì)胞。圖 況。以眼球水平方向上的圓周角作為水平距離的度量，黃斑中心在鼻側(cè)的地方是視神經(jīng)的匯聚點(diǎn)，沒有視細(xì)胞就形成“盲點(diǎn)”。對(duì)于落入盲點(diǎn)的圖像人眼無法看到。 圖 視細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的應(yīng)用 從生理學(xué)角度看視覺有以下顯著特性： （ 1）分辨率人眼對(duì)于不同空間細(xì)節(jié)的分辨能力是變化的，視覺空間頻率響應(yīng)具有帶通濾波器的性質(zhì)，高頻端的靈敏度要 低于低頻端的靈敏度，對(duì)高頻區(qū)域的噪聲或失真也不太敏感。 （ 2）同時(shí)對(duì)比度由于人眼對(duì)亮度有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此很難精確判斷刺激的絕對(duì)亮度。即使有相同的亮度，由于其背景亮度不同，人眼所感受的主觀亮度是不一樣的。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院 201X 屆 XXXX 專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 （ 3）對(duì)比靈敏度實(shí)驗(yàn)表明，人眼辨別亮度差的能力是同周圍環(huán)境以及照度本身的大小有關(guān)，即視覺對(duì)亮度偏差的敏感程度隨背景亮度變化呈非線性變化，總的來說在高亮度背景區(qū)人眼對(duì)亮度偏差的辨別力相比在低亮度區(qū)要強(qiáng)。把主觀上可識(shí)別的最小亮度差稱為亮度的可辨別閾值。 （ 4）視覺掩蔽效應(yīng)當(dāng)存在多個(gè)刺激量時(shí)，它們之間會(huì)相互 干擾，導(dǎo)致視覺閾值的變化，它有多種表現(xiàn)形式，人眼對(duì)損傷的敏感度在非常亮或者非常暗的區(qū)域會(huì)下降，在圖像空間域變化大的區(qū)域會(huì)比變化小的區(qū)域低。 人眼視覺感知系統(tǒng) 視覺信息傳遞過程 視覺是一個(gè)根據(jù)圖像發(fā)現(xiàn)周圍景物中有什么物體和物體在什么地方的過程，也就是從圖像獲得對(duì)觀察者有用的符號(hào)描述的過程。因此視覺是一個(gè)有明確輸入和輸出的信息處理問題。 人類視覺信息處理系統(tǒng)是由視覺器官、視覺通路和多級(jí)視覺中樞組成，實(shí)現(xiàn)著視覺信息的產(chǎn)生、傳遞和處理?？紤]到其中的視覺信息處理過程的復(fù)雜性，研究學(xué)者又將其劃分為視 感覺處理和視知覺處理兩個(gè)階段。這樣，人眼視覺信息的處理則如圖 所示。 圖 人眼視覺的信息傳遞過程 感受野 研究發(fā)現(xiàn)，視覺通路上各個(gè)層次的神經(jīng)元感受野尺寸是不同的，神經(jīng)元的層次越深入，其感受野的尺寸就越大，比如，視網(wǎng)膜中心（ Fovea）具有較小的感受野，外周（ Periphery）的則較大，這種層次體系被稱為感受野等級(jí)結(jié)構(gòu)。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和外側(cè)膝狀體神經(jīng)元的感受野呈同心圓中心 外周頡頏形式，即在感受野的中心與外圍，刺激對(duì)細(xì)胞響應(yīng)的影響正好相反。 視皮層神經(jīng)元的感受野對(duì)光點(diǎn)刺激沒有 反應(yīng)，而是對(duì)具有一定形狀的刺激敏感，它們通常被形象的稱為特征檢測(cè)器。當(dāng)具有一定朝向和寬度的條形刺激出現(xiàn)在其感受野內(nèi)某個(gè)特定位置上時(shí)，細(xì)胞的響應(yīng)最強(qiáng)，而當(dāng)刺激偏離該朝向時(shí)則反XX 大學(xué) XX 學(xué)院 201X 屆 XXXX 專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 應(yīng)急劇降低，甚至消失，這些細(xì)胞被稱為朝向選擇性細(xì)胞（又稱做簡(jiǎn)單細(xì)胞）。 感受野機(jī)制所反映出來的多尺度表示方法和中央外周（ CenterSurround）計(jì)算策略是一種十分重要的視覺計(jì)算模型。 人類視覺系統(tǒng)的注意機(jī)制 視覺注意 (Visual Attention)是人類視覺的一項(xiàng)重要的心理調(diào)節(jié)機(jī)制。根據(jù)上文所述，視感受的信息處理 方式是并行 (Parallel Process)的，視知覺的信息處理方式是串行 (Serial Process)的。這樣，視感覺過程所提供的信息量就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于視知覺過程所能處理的信息量。將這嚴(yán)重失調(diào)的兩個(gè)過程聯(lián)系起來的橋梁正是視覺注意機(jī)制，它是視覺感知過程的引導(dǎo)者，是其高效性和可靠性的保障。 1. 認(rèn)識(shí)視覺注意 圖 是幾個(gè)視覺注意示例圖，從中可以非常明顯地感受到視覺注意的存 在。這三幅圖像中， (a)中的圓環(huán)， (b)中的圓盤和 (c)中的 135 度 線段會(huì)迅速引起人們的注意。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的反應(yīng)，正是由于視覺注意機(jī)制在 發(fā)生作用。 圖 視覺注意的示例圖 從視覺注意與視覺感知的關(guān)系中可以看到，選擇性是視覺注意眾多功能中最根本的一條，它表現(xiàn)為舍棄一部分信息，以便有效地處理重要信息的控制和調(diào)節(jié)能力。具體地說，人們?cè)谟^察一個(gè)場(chǎng)景時(shí)，總是有選擇地將注意力集中在場(chǎng)景中的某些最具吸引力的內(nèi)容上。從人的角度來看，這是一個(gè)從場(chǎng)景中選擇內(nèi)容進(jìn)行觀察的過程，可以稱之為視覺選擇性（ Visual Selection）；從場(chǎng)景的角度來看，場(chǎng)景中的某些內(nèi)容比其他內(nèi)容更能引起觀察者的注意，可以稱之為視覺顯著性（ Visual Saliency）。兩者其實(shí)都是從不同的角度對(duì)選擇性視覺注意（ Selective XX 大學(xué) XX 學(xué)院 201X 屆 XXXX 專業(yè) 畢業(yè)設(shè) 計(jì) 12 Attention）過程的描述。而在該過程中，引起注意的場(chǎng)景內(nèi)容則被稱為注意焦點(diǎn)（ Focus ofAttention，簡(jiǎn)稱 FOA）。 選擇性視覺注意也是各個(gè)領(lǐng)域的研究者共同關(guān)心的一個(gè)焦點(diǎn)，目前大家對(duì)于視覺注意機(jī)制的研究幾乎全部集中在這一方面。人類視覺之所以能夠通過極為有限的信息處理資源完成極為復(fù)雜的信息處理任務(wù)，選擇性視覺注意的控制和調(diào)節(jié)能力在其中發(fā)揮著決定性的作用。 小結(jié) 本章首先介紹了人眼的生理結(jié)構(gòu)，初步了解 了視覺的生理特性，然后從心理學(xué)角度介紹了視覺信息的傳遞過程及其主要特性，并簡(jiǎn)要介紹了感受野，同時(shí)論知的關(guān)系、選擇性視覺注意。本章的這些研究為將人眼視覺特性引入到圖像增強(qiáng)算法中打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 人類視覺是非常復(fù)雜的，它是心理學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期以來一直致力解決的主要問題之一，目前形成的許多理論仍然存在不少局限，這主要表現(xiàn)在：大多數(shù)觀點(diǎn)還停留在假說層次；許多理論還不夠完善；不同理論之間還有一些矛盾；有些方面仍然存在研究空白。目前正在進(jìn)行的探索正在朝著統(tǒng)一的完整的理論方向前進(jìn)。 3 基于視覺注意機(jī)制的灰度級(jí)信息量直方圖構(gòu) 造 傳統(tǒng)直方圖的缺陷 傳統(tǒng)直方圖由于數(shù)據(jù)描述簡(jiǎn)單、便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類圖像分析算法，是圖像的一種重要的表達(dá)方式。但這種表達(dá)也存在嚴(yán)重缺陷：在灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)時(shí)，完全丟失了灰度級(jí)的位置信息，使得直方圖的統(tǒng)計(jì)結(jié)果并不能反映各灰度級(jí)對(duì)刻畫信息所起的作用，即出現(xiàn)灰度級(jí)統(tǒng)計(jì)量與信息量不一致問題。為了使以上分析更直觀，本文特別找了一幅圖像，如圖 (a)所示，圖中背景和刻畫信息灰度級(jí)區(qū)分較為明顯。從該圖像的直方圖統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，最大統(tǒng)計(jì)值僅是由背景提供，但圖中的主要細(xì)節(jié)信息卻是由直方圖中統(tǒng)計(jì) 值較小的灰度級(jí)刻畫的