可视化视觉适应

摘要

本文介绍了一种用于模拟和研究视觉系统适应性的新方法。

摘要

人们已开发出多种技术，用于可视化一幅图像在具有不同视觉敏感性的个体眼中的呈现效果：例如，由于光学差异或年龄因素，或存在色觉缺陷或眼部疾病。本实验方案描述了一种将感觉适应纳入模拟过程的技术。虽然本方案以彩色视觉为例进行说明，但其原理普遍适用于任何形式的视觉适应。该方案基于人类彩色视觉的简化模型，该模型建立在关于视网膜和皮层编码颜色机制的标准且合理的假设之上，并描述了这些机制如何根据当前刺激的平均颜色和颜色范围调整其敏感性。通过调整各机制的增益，使其在一种视觉环境下的平均响应与另一种环境下的响应相等。此类模拟有助于揭示适应能力的理论极限，并生成与特定环境或观察者最匹配的"适应后图像"。此外，该方法还提供了一个通用度量标准，用于探究不同观察者之间或不同环境条件下适应效应的影响。利用这些图像对视觉感知和视觉表现进行表征，为研究视觉或其他感觉系统中长期适应的功能与后果提供了一种新颖的工具。

引言

他人眼中的世界，或我们自身在变化过程中所感知的世界会是什么样子？这些问题的答案对于理解感知的本质与机制，以及正常和临床条件下感觉编码差异所带来的影响具有根本性的重要意义。目前已有多种技术和方法被开发出来，用于模拟图像在具有不同视觉敏感度的个体眼中的呈现方式。例如，这些方法包括模拟不同类型色觉缺陷者能够分辨的颜色^1,2,3,4，婴儿或老年观察者可分辨的空间与颜色差异^5,6,7,8,9，图像在周边视野中的表现¹⁰，以及光学误差或疾病造成的影响^11,12,13,14

方案

注意：本方案所展示的程序允许用户选择图像，然后通过不同下拉菜单中的选项对图像进行调整。

1. 选择要调整的图像

1. 点击图像并浏览以选择要处理的图像文件名。在左上角窗格中观察原始图像。

2. 指定刺激与观察者

1. 点击 "格式" 菜单，选择如何表示图像和观察者。
2. 点击 "标准观察者" 选项，以模拟一个标准或平均观察者对特定颜色分布的适应情况。在此情况下，使用标准方程将图像的 RGB 值转换为视锥细胞敏感性³²。
3. 点击 "个体观察者" 选项，以模拟特定观察者的光谱敏感性。由于这些敏感性依赖于波长，程序会利用显示器的标准或实测发射光谱，将图像的 RGB 值转换为电子枪光谱。
4. 点击 "自然光谱" 选项，以近似现实世界中的实际光谱。此选项通过使用标准基函数³³ 或高斯光谱³⁴ 等方法，将 RGB 值转换为光谱，从而逼近图像颜色对应的光谱。

3. 选择适应条件

1. 可将同一观察者适应于不同环境（例如，森林环境....

结果

图2 - 4 说明观察者或环境变化的适应性模拟。 图2 比较塞尚作品预测外观的 静物与苹果 仅在晶状体色素密度上存在差异的年轻与年长观察者²⁸. 年轻眼睛所见的原始图像（图2a）通过色素更密集的晶状体观察时，显得更黄且更暗图2b）。(平均颜色和色度反应的相应变化如图所示 图1c然而，对平均光谱变化的适应几乎消除了全部的颜色外观变化（图 2c). 视锥细胞的适应使原始的颜色反应几乎完全恢复，因此后续的对比度变化影响甚微。

图3 显示梵高的 鸢尾属植物 过滤以模拟在绿视异常观察者中的颜色外观，其正常的M视锥色素的峰值敏感度偏移至与L视锥色素.......

讨论

本图示方案展示了如何在图像中呈现适应环境或观察者变化所产生的效应。这种呈现形式取决于模型所采用的假设——例如颜色的编码方式，以及编码机制如何响应和适应变化。因此，最关键的步骤是确定颜色视觉模型——例如假设的通道具有哪些特性，以及这些通道被假定如何适应。其他重要步骤是为所要适应的两种环境或两种观察者敏感性特性设置适当的参数。

所示模型非常简单，根据具体应用，该模型在许多方面并不完善，尚有多种扩展可能。例如，颜色信息并未独立于形状进行编码，且所示模拟未考虑图像的空间结构、神经感受野，或诸如对比度归一化等机制间的已知相互作用³⁸。同样，图像中所有像素被赋予相同权重，因此模拟未包含诸如眼动过程中场景采样方式等空间因素。模型中的适应过程也被假定为简单的乘法性缩放，这适用于某些类型的色觉适应，但可能无法准确描述感受器后水平的响应变化。类似地，模型中的对比度响应函数为线性函数，因而无法模拟神经元的实际响应函数。另一个重要局限是，所示模拟未包含噪声。若噪声出现在适应位点或其上游，则适应可能同时调节信号与噪声，从而对视觉外观和视觉表现产生截然不同的影响.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
计算机
用于适配的图像
编程语言（例如，Visual Basic 或 Matlab）
用于处理图像的程序
观察者的光谱敏感性（适用于与观察者相关的适配应用）
设备发射光谱（适用于依赖设备的应用）