图像中轮廓结构的视觉特征研究

师晟+孙荪+王书利

（上海工程技术大学，上海 201620）

摘要：在《构成基础》课程中，研究图像中轮廓结构的视觉特征应侧重于空间中轮廓线的表现、轮廓层次和形式之间的联动状态，对轮廓的视觉识别需要关注静态轮廓和动态轮廓、图像的纹理和质地与轮廓的纹理和质地之间的转化过程，从而通过轮廓的整体特征和对轮廓区域的划分来获得图像中轮廓信息与图像识别的视觉关联。

关键词：图像视觉特征；轮廓线和空间；轮廓信息的图像识别

中图分类号：G423.04 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）52-0069-02

识别不同图像类别的视觉基础首先需要研究图像中轮廓结构的视觉特征，因为轮廓存储着图像信息的概貌，同时也是提升图像识别过程中最基本的视觉特征之一。它不仅对计算机学科中机器视觉系统的图像识别具有一定的幫助，同时也强化了图像设计的基本要素和应用要素的视觉识别性。

一、图像中轮廓的视觉特征

（一）轮廓线和空间

图像的轮廓结构在空间中受到多因素的作用呈现出变化性，而轮廓结构依从于轮廓线的表现。百度百科中轮廓线指物体的外边缘界线，认为同一个物体在空间中的不同观察角度会表现出不同的轮廓形状，并指出在电影创作中，选择适当的摄影角度能够表现出物体最具特点、最具表现力的轮廓形状。

首先，空间中不同角度的轮廓线相叠现象，会出现多重轮廓线以及因轮廓线之间的交错所形成的多样轮廓线。同时，轮廓线在受环境、光照的影响，又呈现出实际存在的轮廓线和理想状态下的补充轮廓线现象，犹如百度百科中的轮廓度指出，被测的实际轮廓相对于理想轮廓之间的变动情况。

其次，根据1824年英国罗葛特教授在《移动物体的视觉暂留现象》报告中指出视觉存在着暂留现象——视觉在有限时间内的反应速度会导致影像遗留。而视觉在跟踪规则或非规则化的轮廓线时会受到视觉暂留影像的影响，会使视觉识别轮廓线的过程始终处于调和轮廓线和视觉影像遗留之间的关系中。

再次，视觉存在识别上的主动选择性，视觉对某一区域进行注意选择，会忽视该范围内的其余信息，从而获得有效的知觉分析，即主动视觉中强调视觉系统在获取和处理视觉信息过程中的主动性和选择性[1]。那么，视觉在轮廓线上也存在主动轮廓线和被动轮廓线的影响并形成不同的视觉吸引力。

（二）轮廓层次和形式

轮廓的层次和形式依据自相似表现中相似关系在于寻找过程：寻找局部与局部、局部与整体之间的自相似程度来进行聚类。聚类是合并不同层次的不同特征，来构造其层次中的共性和特殊性。轮廓区域中纹理、色彩、图案等多种元素的相似聚类过程，会呈现出轮廓层次的联动状态，有平面和立体层次的轮廓联动，有柔性和刚性层次的轮廓联动等。不同轮廓层次的联动会形成轮廓的形式，形式是一种有序化的排列状态。轮廓依据轮廓线的有序化走势又表现出轮廓层次的分类。

轮廓的层次和形式受到并列关系的共同作用，来调解主观意图并指引出视觉兴趣区域，如主光源和辅助光源层次、近景和中景以及远景层次等并列关系的共同作用来加强层次和形式的吸引区域，避免因视线跟踪轮廓层次和形式而出现分散视线点的轨迹。

轮廓的层次和形式也受到轮廓线的透视变化所形成的体积感，以及与之伴随的光感效应对空间中轮廓线的作用。

二、图像中静态轮廓和动态轮廓的相互转化

（一）静态轮廓和动态轮廓

图像的视错觉让静态和动态轮廓依从不同曲、直轮廓线上的不同视线起点，如在曲线中“托兰斯肯弯曲幻觉”，通过对相同曲线弧度的比较来产生不同弯曲度的错觉，从而导致曲线指引视觉发生弧度延伸的动、静印象。

图像的运动轨迹和运动速度会导致其轮廓发生静态和动态的变化，如曲线之一的摆线，通过不同速度的定点在圆周上呈现直线滚动的轨迹，使摆线在弧线下的面积产生旋转圆面积的三倍，而且摆线的非匀速现象也将影响视线的跟踪速度，形成轮廓线的多重印象而导致动、静感。同时，图像的轮廓线与背景的交互关系也容易出现“埃冰斯幻觉”现象中的移动变化。

已存图像的视觉记忆投射到图像的轮廓特征点上，使复杂的轮廓交错线、断续的轮廓线和被遮挡的轮廓线，在视觉估计或推测中寻找与原视觉记忆配准的轮廓特征类型，并发生相互之间的补偿从而造成轮廓的动、静感变化。

（二）轮廓的纹理和质地

图像的纹理和质地以及轮廓的纹理和质地之间的交织，它们像彭罗斯阶梯中无限循环的阶梯，在循环中表现出质地的反射特性和纹理中纹路的错视现象，形成轮廓中复合性现象的纹理和质地效果。

轮廓的纹理和质地既在闭合和敞开的轮廓特性中得到加强，也在前景、中景和远景中既保持其相关性又存在其独立性。从物理学科中“各向同性”的描述中——物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而改变其特性，来理解与轮廓有关的纹理和质地不仅与轮廓形状，以及与背景中纹理形状、序列、数量、透视和错视等保持其相关性，而且也存在其独立性的表现。

图像的轮廓区域也受到色彩三要素的影响，如轮廓边缘的明度、纯度所呈现出递增或递减的色差变化以及色彩心理对纹理和质地的影响。

三、图像中轮廓信息和图像识别的视觉关联

（一）整体轮廓和分段轮廓

轮廓的整体性通常依据遗留的记忆来赋予视觉识别上的主观性，如通过对荷兰蒙德里安《灰树》中树的整体轮廓的识别，可以理解为是介于具象和抽象之间的概念树。同时，在视觉识别过程中存在同化和补偿差异性的功能，形成符合整体认知的视觉指向。美国数学家加德纳在“失踪的正方形”中，通过对三角形分割后进行重组，表达出相似三角形特点的轮廓信息。虽然三角形轮廓区域缺少一部分，但在视觉识别上依然完成对三角形整体轮廓特征的理解。

轮廓区域的划分是进行轮廓线段的区域划分，形成分段轮廓之间的相切和相交，它是引导视觉识别轮廓特征点的依据。第一，分段轮廓如数学中表示大小和方向指引、力扩张等指向性线段之间的结合过程，其过程会产生德国心理学家黑林的黑林错觉所形成的弯曲方向感，以及伯根道夫环形幻觉中直线对曲线圆分割后的连接错位等现象；第二，分段轮廓中轮廓线的转折形成的凸点和凹点会引导视线的贯连，犹如射影几何中一条直线上的所有点集合的点列现象；第三，分段轮廓中由于视觉存在对周边的参照习惯和识别经验，会在视觉“自适应过程”中偏好于具有不同特点的轮廓。

（二）轮廓信息和图像识别

图像的轮廓信息不仅加强了图像识别的过程，而且附加了社会环境中特定信息的主观内容。如毕加索的“牛”，在简化和夸张形式下排除了多余特征的因素，最终呈现出特定轮廓特征的指示符号，来引导视觉和心理对“牛”特征的信息识别。它如同美国信息论之父香农运用数学表达式，来计算排除了冗余后的平均信息量的“信息熵”问题。因此，美化图像轮廓的边缘特点、修复出现的“摩尔纹”形状和“伪色彩”等因素干扰，以及弱化图像纹理的细节对图像特征点的削弱，从而构造出图像识别的信息具有普适性的特点。

识别图像的轮廓信息也伴随着“虚假记忆”，并带动着视觉注意力去迎合图像识别的需要，以及为记忆而完成视觉需要的“图像增强”，这些都是为了识别图像的内隐语义来理解图像中的信息。美国社会心理学家格林沃德提出内隐社会认知：认知主体无意识过程会对个体行为和判断产生潜在的影响。因此，图像识别通过内隐认知的需要，让视觉去主动选择理想中的目标轮廓所具有的信息。

识别图像的轮廓信息也需要体现识别过程中的理解和信任。20世纪40年代德国逻辑学家亨佩尔在“乌鸦悖论”中就理解和记忆的信任度问题，指出从一类事物中具有的某种性质，可以推导出这类事物都具有这种性质的推理结果。其中，关于推理的信任度问题也包含着社会认知心理学中特征整合理论“特征整合阶段”：知觉系统把彼此分开的特征合适地联系起来，形成对物体表征的认识。这其中就存在着主动和被动的信任度问题。同时，图像的轮廓信息与图像环境中各要素之间的关联方式也存在着图像识别上的多义性理解和歧义效应。

参考文献：

[1]刘琼梅，等.主动视觉研究的进展与展望[J].武汉理工大学学报，2009，（1）：36-339.