Светлота и цвет в теории ретинекса

Ланд и Макканн [129) положили в основу своей теории именно допущения о свойствах реального мира Она относится к плоскому миру так называемых мондрианов, который, как мы уже убедились в гл 2, состоит из прямоугольных накладок, прикрепленных к большому куску плотного картона, который может освещаться различными способами (см рис 2 30) Первая часть этой теории посвящена качеству, которое Ланд и Макканн назвали светлотой, и в ней рассматриваются монохроматические изображе-

260

Рис 3 82 Яркости двух отмеченных стрелками квадратов абсолютно одинаковы, и тем не менее одни из них воспринимается как значительно более темный по сравнению с

другим [129]

ния как раз такого рода Центральной они считают проблему разделения эффектов, связанных с отражательной способностью поверхности, и эффектов, связанных с источником света, поскольку, как давно известно, воспринимаемый человеком цвет поверхности в значительно большей степени отражает спектральные характеристики функции отражательной способности поверхности, чем спектральные характеристики света, попадающего в глаза человека

Как же можно разделить эти эффекты'' Какие именно характеристики могли бы иметь решающее значение, для того чтобы стало возможным разделение эффектов, вызванных изменениями освещения, и эффектов, вызванных изменениями отражательной способности⁹ Ланд и Макканн предложили следующее изменения, связанные с освещением, в целом имеют постепенный характер, проявляясь обычно в виде гладких градиентов освещенности, в то время как изменения, связанные с вариациями отражательной способности, проявляют тенденцию к резкости Эти дихотомия явно имеет место в изу-

261

чавшемся ими мире мондрианов, и, следовательно, если можно разделить эти два типа изменений, то можно разделить также эффекты, связанные с изменениями освещения, и эффекты, связанные с изменениями отражательной способности, работая с такими изображениями.

На рис. 3.82 приведен пример, иллюстрирующий теорию Ланда и Макканна: это изображение монохроматического мондриана, освещенного сверху. Яркость двух накладок, отмеченных стрелками, абсолютно одинакова, однако одна из них выглядит более темной, чем другая. Если устранить эффекты, порожденные градиентом освещенности, то одна накладка действительно станет намного темнее другой. Утверждается, что именно эта информационная задача и решается в зрительной системе человека, а соответствующий процесс назван обработкой информации в ретинексе.

Алгоритмы

Обработка информации в ретинексе реализуется по меньшей мере двумя способами. Сами Ланд и Макканн придерживались одномерного подхода, иллюстрация которого дана на рис 3.83, а. Если на изображении вдоль некоторого пути, соединяющего точки А и В, зарегистрировать значения яркостей, то их можно представить в виде первого графика, на котором медленные изменения перемежаются с большими скачками, соответствующими границам, на которых происходят изменения отражательной способности. Использовав некоторое пороговое значение, можно исключить медленные изменения; в результате возникает второй график, отражающий лишь эффекты, связанные с измене-

Измеренная яркость                     Восстановленная яркость

Рис. 3.83. Схемы, иллюстрирующие алгоритмы работы ретинекса: а — одномерный алгоритм, предложенный Ландом и Макканом; б — двухмерный вариант алгоритма, предложенный Хорном. Оба алгоритма основаны на одном и том же принципе, согласно которому плавные изменения яркости не учитываются, а во внимание принимаются лишь нарушения непрерывности

262

ниями отражательной способности. Поскольку система консервативна, не имеет значения, какой именно путь между точками А и В выбирается - получаемые в результате описания эффектов, вызванных изменениями отражательной способности, будут всегда одними и теми же. Ланд и Макканн использовали этот метод, задавая достаточное число случайно выбираемых пугей на изображении, с тем чтобы был обеспечен учет всех точек изображения.

Хорн [90] предложил двухмерный вариант этого же алгоритма, состоящий фактически из все тех же трех шагов (этот алгоритм проиллюстрирован рис. 3.83, б). Первый шаг состоит в применении оператора вычисления последовательных разностей, который в данном случае имеет двухмерную центрально-периферическую организацию. После этого удаляются все малые значения и для дальнейшего рассмотрения оставляются лишь большие - соответствующие изменениям отражательной способности. И наконец, на основе лишь этих больших изменений проводится восстановление изображения, целью которого является построение двухмерного аналога второго из приведенных на рис. 3.83, а графиков. Для реализации этих процедур Хорном предложен интересный итерационный алгоритм, основанный на методе ближайшего соседа и обеспечивающий воспроизведение уравнений, представленных на рис. 3.83, б.

Обобщение на случай цветового зрения

Операции, схема выполнения которых приведена на рис. 3.83, иллюстрируют работу ретинекса в случае монохроматического зрения. Ланд и Макканн, обобщая идею рети-некса на случай цветового зрения, ввели условие независимости его работы по каналам красного, зеленого и синего цвета. В этом случае, как они предполагали, на выходе каждого из каналов воспроизводится сигнал, зависящий не от освещения, а исключительно от отражательной способности поверхности. Объединение этих сигналов могло бы позволить добиться восприятия цвета, благополучно основывающегося исключительно на особенностях отражательной способности поверхности, а не на неверной природе источника освещения. При этом, естественно, требуется попарная калибровка сигналов, поступающих по этим трем каналам, однако в этой связи Ланд и Макканн предложили назначать самую яркую точку сцены белой.

Макканн, Макки и Тейлор [137] опубликовали результаты сравнения прогнозов, полученных с помощью этого алгоритма при предъявлении в качестве раздражителей мон-дрианов, и психофизических оценок цвета, данных испытуемыми, которым эти раздражители предъявлялись. Они установили, что согласие между оценками испытуемых и прогнозами было столь же хорошим, как и согласие между самими испытуемыми.

Комментарии по поводу теории ретинекса

Работа Ланда и Макканна кажется мне привлекательной в трех отношениях. Во-первых, они предприняли попытку создать подлинную теорию цветового зрения, а не просто предложили некоторое описание процесса восприятия цвета. Во-вторых, они обратили внимание на значение границ и описали один из возможных способов распространения граничных эффектов по изображению. Такие эффекты известны давно, например иллюзия Крейка - Корнсуита или кольцо Бинасси, однако в явном виде граничные эффекты в уравнения Хелсона - Джадда не входят. В-третьих, в своей более ранней работе Ланд сформулировал интересный принцип, на важность которого обратил внимание Джадд, а именно: если цвета освещенных участков, образующих сцену, могут претерпевать только одномерные изменения, наблюдатель обычно воспринимает объекты такой сцены как фактически лишенные преобладающего цветового тона.

Возражения против теории ретинекса, судя по всему, сводятся к одному главному и нескольким второстепенным аргументам. Главный аргумент состоит в том, что за яв-

263

лением одновременного контраста стоит больше, чем содержится в теории ретинекса, т. е. модели, подобно модели Хелсона - Джадда основанные на явлении одновременного контраста, позволяют давать объяснение эффектам Ландаи Макканна, а теория ретинекса, предусматривающая исключение из рассмотрения градиента освещенности, не позволяет объяснять все эффекты, связанные с одновременным контрастом, поскольку последние проявляются особенно четко в случае равномерного освещения, когда градиенты освещенности отсутствуют. Кроме того, Ланд и Макканн явно не всегда в своих экспериментах уделяли достаточное внимание эффектам одновременного контраста. Так, в частности, на рис. 3.82 один из квадратов окружен более темными " соседями", чем другой, так что можно предположить, что как раз на таком фоне они будут выглядеть по-разному. Во всяком случае восприятие яркости и восприятие цвета, очевидно, связаны по меньшей мере с несколькими эффектами, не укладывающимися в рамки подхода Ланда и Макканна.

Одно из возможных объяснений этого заключается в том, что " дополнительные" эффекты определяются теми аспектами проблемы, которые Ландом и Макканном не рассматривались. Скажем, например, их теория относится только к плоским поверхностям, а эти дополнительные эффекты могут вводиться лишь для того, чтобы можно было рассматривать и более сложные варианты задачи, связанные с различными ориен-тациями поверхности в различных частях зрительного поля. Это, однако, маловероятно. Несомненно, трехмерность оказывает воздействие на восприятие яркости, но влияние ее, возможно, не очень велико. Гилкрист [61 ] указывал, что коэффициенты, учитывающие влияние воспринимаемой ориентации на восприятие яркости, могут доходить до 0, 3, однако Икэути [102], повторив его эксперименты, не смог получить коэффициенты, значения которых намного превышали бы 0, 05 — 0, 1.

Первый из второстепенных доводов против идеи ретинекса имеет информационный характер: теория ретинекса предполагает наличие некоторого порогового значения (уровня градиента, при котором производится селекция изменений яркости), но не указывает, каким должно быть это пороговое значение. Однако печальный опыт говорит нам, что каждый раз, когда в задаче обработки изображений приходится задавать некоторое пороговое значение, возникают, как правило, проблемы (это одна из причин того, почему столь привлекательна идея пересечений нулевого уровня). В данном случае проблема заключается в том, что при слишком низком значении порог не позволит исключить градиент освещенности; если же значение порога будет слишком велико, то это будет приводить к утрате ценной информации о затенении. Плавные изменения ориентации поверхности также порождают плавные изменения яркости на изображении, которые могут представлять слишком большой интерес, для того чтобы непринужденно жертвовать ими. Могут быть важными также и плавные изменения окраски поверхности. В конце концов, радугу мы можем наблюдать, даже если она " увеличена" с помощью бинокля. Изменения цвета не исключаются посредством селекции по порогу.

Второй второстепенный аргумент является плодом нейрофизиологических наблюдений. Согласно теории ретинекса информация в красном, зеленом и синем каналах обрабатывается независимо, причем каждый канал работаете соответствии со схемами, приведенными на рис. 3.83, и объединение происходит лишь впоследствии. Это, однако, не соответствует тому, что наблюдается. Обработка на нейронном уровне, очевидно, основывается на принципе дополнительных цветов - выходные значения определяются разностью результатов, получаемых пс двум цветовым каналам - непосредственно с самого начала. Даже в сетчатке большинство цветочувствительных клеток имеет оппонент-ную (в смысле реакции на дополнительные цвета) организацию [40]; кроме того, де Ва-луа и его сотрудники обнаружили существенную связь психофизических процессов, обеспечивающих различные цвета, с обнаруженными в эксперименте нейрофизиологическими свойствами оппонентных нервных клеток наружного коленчатого тела.

264

Эти данные не опровергают той точки зрения, что функция ретинекса определяется обработкой информации в зрительном пути. Можно было бы возразить, как это сделал Хорн [90], что ретинекс может реализовываться на любой из трех линейных комбинаций выходов красного, зеленого и синего каналов с тем же успехом, что и на выходах отдельных каналов, причем такая модификация могла бы сделать теорию ретинекса совместимой с данными нейрофизиологических экспериментов. Этот довод, однако, не очень убедителен, особенно из-за того, что данная теория не дает достаточно убедительных объяснений тому, почему операции над линейными комбинациями сигналов предпочтительнее операций над отдельными сигналами.

⇐ Предыдущая11121314151617181920Следующая ⇒

Поделиться: