HVS的真相

HVS的真相

人眼視覺系統( human visual system,HVS)是人類通過感知光線形成視覺的系統,是人類捕獲外界信息最關鍵的系統之一。HVS在視頻編碼的主觀優化中發揮重要作用。關於HVS有以下特性不得不知:

  1. HVS對高頻信號的失真不敏感,對低頻信號的失真更敏感。這個特性在視頻編碼的變換過程中有所應用。在對DCT係數量化過程中,對高頻係數使用更大的量化步長。H.265和H.264都支持自定義量化矩陣,用戶可以根據需要對低頻係數進行精細量化,對高頻係數進行粗略量化。

  2. 靈長類的視覺處理主要在視覺皮質和外側膝狀核(大腦的一部分)進行。眼睛是具有簡單預處理功能的傳感器,所有的預處理(例如,邊緣增強)由視網膜的神經節細胞完成。通過神經節細胞完成預處理是一個很好的分佈式計算的例子。基本形狀的識別(例如,圓、矩形)在大腦中進行,由大腦皮層的柱狀細胞完成。每列細胞負責檢測自己的形狀,列內處理是串行的。基於HVS的視頻編碼基本思想是去除那些被視網膜忽略的內容。如果去除過多則人眼會感覺到失真,如果去除過少則會造成壓縮效率不高。

  3. HVS能夠在一個場景中同時以大約10^5:1的對比度感知光線。這個範圍遠超現在的採集和顯示設備能夠提供的動態範圍。現有的絕大多數消費相機和顯示設備能夠支持對比度約爲100:1到1000:1的低動態範圍(LDR)視頻內容。

  4. HVS對物體的絕對亮度判斷力差,而對物體的亮度變化感知敏銳。也就是說HVS對對比度大的內容失真更敏感。

  5. 人眼對亮度的適應分爲亮適應、暗適應和局部適應。從平均亮度小的暗環境轉入平均亮度大的亮環境的人眼視覺過程稱爲亮適應,其適應時間爲幾秒鐘到幾分鐘。從亮環境轉入暗環境的適應稱爲暗適應,適應時間從幾秒鐘到幾十分鐘。

  6. 有兩種類型的光感受器:視杆細胞和視錐細胞。視杆細胞對弱光敏感,它們不能區分顏色,主要分佈在外側。視錐細胞對長波、中波和短波的較高波長的光敏感,它們是感知顏色的基礎。視錐細胞主要集中在視網膜的中心區域(中央凹)。視杆細胞大約有1億個,視錐細胞大約有650萬個。目前最流行的色度下采樣是4:2:0(4個亮度像素對於2個色度像素),亮度像素:色度像素=2:1。爲什麼不是8:2:0,亮度像素:色度像素=4:1?

  7. 爲什麼現在常用的視頻編碼採用YUV(或YCbCr)4:2:0?這是因爲HVS對結構更敏感(亮度分量),對顏色不敏感(色度分量)。

  8. HVS對綠色更敏感,所以在由RGB空間向YUV空間轉換時,Y分量中綠色(G)的權重更大。

    Y = 0.212671R + 0.715160G + 0.072169B

9.人眼對圖像中心的分辨能力大於圖像邊緣。

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