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1 画像処理システム論 ( 視覚情報処理論 ) Image Media Systems 加藤俊一 Toshi KATO 人間の目 vs 機械の目 人間の目の役割と仕組み vs 機械の目の役割と仕組み 人間の目だから 経験する現象 できること (= 機械には難しいこと ) 通用すること (=だませること) 視覚のモデル ( 神経科学 ) 神経生理学 脳科学 視覚心理学 認知科学 視覚のモデル ( 計算機科学 ) 信号処理 画像計測 画像圧縮 復元 画像 ( 信号 ) の 変化の仕方を記述 統計的な性質を発見して利用 視覚のモデル ( 人工知能 ) 画像処理 人間にとっての認識 理解しやすさ 機械にとっての認識 理解しやすさ 画像認識 与えられた モデル との一致度を評価 画像理解 モデル そのものを対象から学習 視覚のモデル ( 感性工学 ) 知覚感性 ( 認識 理解 ) 創出感性 ( 表出 働き掛け ) 階層間の対応関係と相互作用を 認知的レベル 心理的レベル 生理的レベル < 知覚感性 > is_opposite_to 躍動感 のんびり is_equal_to 若々しい is_sim ilar_to さわやか < 創出感性 > is_sim ilar_to ソフト モデル化視聴触味匂視聴触物理化学的画像音声肌触味香絵図音声力レベル音表情音音楽動作音楽 < セルフフィードバック > 1

2 視覚系の構造と機能 眼球 網膜 視神経 ( 軸索 ) 視交叉 脳 外側膝状体 LGN 視覚領 視覚野 V1~V5 視覚系の構造と機能 眼球 網膜 眼球 瞳孔 水晶体 ( レンズ ) 硝子体 網膜 毛様体がレンズの厚みを変えて結像 虹彩 しぼり の役割を果たすが 1/16 程度まで 調節のほとんどは 網膜以降の神経系で行う 盲点 神経線維の 出口 黄斑 10 中心窩 5 注視点 1 20 視野の中心 最も視力が高い 盲点 盲点 神経線維の 出口 Cf. ピンホールカメラ レンズ付きカメラ 視細胞の分布 黄斑 10 中心窩 5 注視点 1 20 視野の中心 最も視力が高い 網膜 多層構造 視細胞層は一番奥 ( 盲点 ) 視細胞層 : 受容器 錐体 cone: 低感度 色 LMS 中心窩付近 杆体 rod: 高感度 明るさ 周辺 水平細胞 双極細胞 アマクリン細胞層 神経節細胞層 視細胞からの情報を 1/100 程度に集約 2

3 視覚系の構造と機能 眼球 網膜 光 視覚系の構造と機能 眼球 視神経 ( 軸索 ) 視交叉 脳 外側膝状体 LGN 視覚領 視覚野 V1~V5 外側膝状体 LGN 網膜からの信号の中継とゲート 網膜の神経節細胞と同じ構造 反応特性 cf. on-center, off-center, X, Y 注視 大脳視覚野 ブロードマンの 脳地図 (1909 年 ) V1 眼優位性 : 両眼からの入力の強さの比 方位選択性 : 空間内の方向線分 V2 空間内の色 形 運動の情報を部位ごとに ブロードマンの脳地図 大脳視覚野 V3 形 V4 色と形 テクスチャ? V5 動き 立体 テクスチャ? 図と地の分離 3

4 人間は何を見ているのか? ルビンの壷 あいまいな図形 主観的輪郭 形態視 大きさ 傾き 奥行きと遠近法 図と地の分離 図と地ルビンの壷 ( 杯 ) 図と地は同時には知覚されない 図形の群化 分離 あいまいな図形 複数の図形は同時には知覚されない 図形の群化 分離 騙し絵 あいまいな図形 複数の図形は同時には知覚されない 4

5 騙し絵 解像度 主観的輪郭 カニッツァの図形 主観的輪郭 + 図形の群化 + 遠近 形態視 物体の知覚 色形テクスチャ これらが似ていると知覚は難しい ( カムフラージュ ) 形態視 テクスチャの不規則性 カフェの壁 形態視 背景の影響 大きさの知覚 ミューラーリヤー錯視 ジャストロー錯視 5

6 大きさの知覚 ザンダー錯視 傾きの知覚 へリング錯視 傾きの知覚 渦 回転グラスの同心円 形態視 視覚的特徴 ( 明るさ エッジ 空間周波数 テクスチャ ) グループ化 ( 分節 ) ゲシュタルトの法則 近接 閉合 類同 形 連続性 共通運命 プレグナンツの法則 もっとも単純な解釈を採用する 形態視 ゲシュタルト法則の極端な例 ルビンの壷 カニッツァの三角形 ( 主観的輪郭 ) グラスの同心円 ダルメシアン ナポレオン像 参考 : 文書のレイアウト規則 奥行きと遠近感 ポンゾの錯視 奥行き知覚は 両眼視差 だけではない 6

7 人間は何を感じているのか? 光 の 明るさ 光 の 色 光の 3 原色 明るさの知覚 Weber の法則 知覚できる刺激の変化量 ΔI は刺激の強さ I に比例する ΔI = k I Weber-Fechner の法則 知覚される明るさの感覚量 E と刺激の強さ I は対数に比例する E = K log I + C 空間周波数に対する視覚特性 空間周波数 明るさの空間的な変化の程度を表す指標 コントラスト 背景に対する刺激の変化量 ΔI / I 視力 視細胞の空間的密度や時間応答特性によりコントラストを検出できる 限界 がある ( 例 ) ランドルト環 空間周波数に対する視覚特性 空間周波数 高い file(movie/hisf.mov) 低い file(movie/losf.mov) [ 実験 ] 明るさに関する錯視 テストパターンを見て回答してください どんな 模様 が見えますか? 明るさの知覚 人間の視覚系 ( 感覚系 ) にはわずかな刺激強度 ( 明るさ ) の変化を強調して知覚するための仕組みがある ( 側抑制 ( 詳しくは次回?)) 7

8 側抑制による錯視の例 側抑制 On-center 型 off-center 型 光刺激の強さ 時間変化に対して隣接する領域で拮抗した現象 光刺激の空間的 時間的変化を検出エッジ強調 錯視現象マッハバンド ハーマングリッド 側抑制 ( 明るさに対する対比 ) 側抑制 On-center 型 : 正刺激 ( 明 ) に対する反応 Off-center 型 : 負刺激 ( 暗 ) に対する反応 刺激の微小変化を検出する仕組み [ 参考 ] 明るさの知覚 Weber の法則 知覚できる刺激の変化量 ΔI は刺激の強さ I に比例する ΔI = k I Weber-Fechner の法則 知覚される明るさの感覚量 E と刺激の強さ I は対数に比例する E = K log I + C ランドルト環 視力検査では何を測る? 色彩の知覚 桿体 ( 杆体 ) 細胞 広い波長帯にわたって明るさに反応 細胞数が最も多い 錐体細胞 : L 錐体 M 錐体 S 錐体 3 つの波長域をカバー ( 重なり ) 光 ( 物理現象 ) と 色 ( 心理現象 ) 光の三原色 R( 赤 ) G( 緑 ) B( 青 ) カラーテレビ 8

9 光と波長と色 光と波長 ( 物理量 ) 光と杆体細胞 錐体細胞 明るさ : 杆体 波長 : 錐体 光と杆体細胞 錐体細胞 杆体細胞 錐体細胞の分布 光と波長と色 波長と 3 種類の錐体細胞 色彩の知覚 錐体細胞の分布 中心窩 色彩を知覚できるのは視野の中心付近 [ 実験 ] 色彩の知覚 ボールペンを 使って 回答してください 色が区別できるのは どこまで? 色が区別できるようになるのは どこから? 9

10 色彩の知覚 錐体細胞の分布 杆体 >>L 錐体 >M 錐体 >>S 錐体 [ 実験 ] 色彩の知覚 テストパターンを見て回答してください イラストがボケて見えるのは どっち? 色彩の知覚 明度差 色差に対する感度の違い 教科書 参考書 岸野文郎 他 : 画像と空間の情報処理 ( 岩波 3800 円 ) 淀川英司 他 : 視聴覚の認知科学 ( 電子情報通信学会 2800 円 ) 池田光男 : 目は何を見ているか ( 平凡社 2400 円 ) 参考にした web 資料 index.htm visual/ rfree.html 講義の資料 on Web 講義資料 参考資料

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