第二章-人眼的視覺特性與圖像探測課件

*光電成像原理1第二章人眼的視覺特性與圖像探測

*光電成像原理1第二章1*光電成像原理2第二章人眼的視覺特性與圖像探測

各種光電成像系統(tǒng)或器件都是人類用以改善和擴(kuò)展視覺性能的輔助工具，人類的眼睛借助這些輔助工具獲得人眼不能直接得到的圖像信息。*光電成像原理2第二章人眼的視覺特性與圖像探測2*光電成像原理3第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.1

人眼的視覺特性與模型1.人眼的構(gòu)造*光電成像原理3第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.13*光電成像原理4第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的主要組成部分：①由角膜、虹膜、晶狀體、睫狀體和玻璃體組成的光學(xué)系統(tǒng)；②構(gòu)成人眼視覺關(guān)鍵部分的視網(wǎng)膜—敏感和信號處理部分，帶有盲點(diǎn)和黃斑；③信號傳輸和顯示系統(tǒng)的視神經(jīng)和大腦。

復(fù)雜多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的視網(wǎng)膜：與玻璃體相接觸的部分，是神經(jīng)細(xì)胞層，神經(jīng)的末端是神經(jīng)細(xì)胞(細(xì)胞元)。

光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入視網(wǎng)膜，視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞吸收光并發(fā)生化學(xué)分解作用引起視覺刺激，視覺刺激以電信號形式傳輸至大腦產(chǎn)生視覺。*光電成像原理4第二章人眼的視覺特性與圖像探測人眼的主要4*光電成像原理5第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視網(wǎng)膜的神經(jīng)細(xì)胞：①錐狀細(xì)胞，具有高分辨力和顏色分辨能力；②桿狀細(xì)胞：視覺靈敏度比錐狀細(xì)胞高幾千倍，但不能分辨顏色。

盲點(diǎn)和黃斑：①盲點(diǎn)部分沒有感光細(xì)胞，是不感光的盲區(qū)；②黃斑中心凹處完全沒有桿狀細(xì)胞，具有最高的視覺分辨力。2.人眼的視覺特性(a)視覺的適應(yīng)

人眼視覺響應(yīng)隨著外界視場亮度的變化可分三類:*光電成像原理5第二章人眼的視覺特性與圖像探測5*光電成像原理6第二章人眼的視覺特性與圖像探測

明視覺響應(yīng)：人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場亮度時，視覺由錐狀細(xì)胞起作用。暗視覺響應(yīng)：人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2的視場亮度時，視覺由桿狀細(xì)胞起作用。（夜間的灰白）中介視覺響應(yīng)：視場亮度介于明、暗視覺響應(yīng)之間時,視覺響應(yīng)逐漸由錐狀細(xì)胞轉(zhuǎn)向桿狀細(xì)胞起作用。

當(dāng)視場亮度發(fā)生突變時，人眼的適應(yīng)主要包括明暗適應(yīng)和色彩適應(yīng)。*光電成像原理6第二章人眼的視覺特性與圖像探測明視覺響應(yīng)6*光電成像原理7第二章人眼的視覺特性與圖像探測

適應(yīng)過程的調(diào)節(jié)分兩方面：①人眼的明暗視覺適應(yīng)：在2~8mm之間自動調(diào)節(jié)瞳孔的大小，改變進(jìn)入人眼的光通量。A:亮適應(yīng)：對視場亮度由暗突然到亮的適應(yīng)，大約需要2~3min；B:暗適應(yīng)：對視場亮度由亮突然到暗的適應(yīng)，大約需要45min。②人眼的色彩適應(yīng)：視細(xì)胞感光機(jī)制的適應(yīng)，由視細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)色素在光的刺激下完成。由于視紫紅質(zhì)色素的產(chǎn)生與消失，達(dá)到新的平衡所需要的時間延遲就是色彩適應(yīng)。*光電成像原理7第二章人眼的視覺特性與圖像探測7*光電成像原理8第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(b)人眼的絕對視覺閾

所謂人眼的絕對視覺閾，是在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場中，人眼感覺到的最小光刺激值(用照度表示，單位lx)，在10-9數(shù)量級。

在一定背景亮度Lb的條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能觀察到的最小照度Emin約當(dāng)Lb>16.4cd/m2后產(chǎn)生炫目現(xiàn)象，絕對視覺閾值也迅速提高。炫目亮度L0與像場亮度L的數(shù)值關(guān)系為：到最后頁*光電成像原理8第二章人眼的視覺特性與圖像探測(b)人8*光電成像原理9第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(c)人眼的閾值對比度

閾值對比度是指在一定背景下把目標(biāo)鑒別出來所必須的目標(biāo)在背景中的襯度(對比度C)。目標(biāo)在背景中的襯度用對比度C表示：C的倒數(shù)成為反襯靈敏度。Wald定律：背景亮度Lb、對比度C和人眼所能探測目標(biāo)的張角α之間具有的關(guān)系式對于小目標(biāo)α<7’，則x=2，得到Rose定律：到最后頁*光電成像原理9第二章人眼的視覺特性與圖像探測(c)人9*光電成像原理10第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的視覺特性與視場亮度、目標(biāo)對比度和目標(biāo)大小有關(guān)。(d)人眼的光譜靈敏度

人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度響應(yīng)，不同人的眼睛，對波長靈敏度響應(yīng)也有差異。

在可見光區(qū)域內(nèi)，任意波長與555nm波長處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度，其構(gòu)成的曲線就稱為光譜響應(yīng)曲線。512555λ/nm暗視覺明視覺φ到最后頁*光電成像原理10第二章人眼的視覺特性與圖像探測10*光電成像原理11第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(e)人眼的分辨力眼睛的分辨力（視力）：人眼極限分辨角θ的倒數(shù)稱為人眼的分辨力，θ是人眼能區(qū)分亮發(fā)光點(diǎn)的最小角距離。影響眼睛分辨力的因素：內(nèi)因：與眼睛的構(gòu)造有關(guān)；外因：決定于目標(biāo)的亮度與對比度；人眼會隨外界條件(背景亮度、對比度)的不同自動進(jìn)行適應(yīng)，從而有不同的極限分辨角。表2-3。照度變化對分辨力也有很大影響，不同照度下其分辨角也不一樣。

實際工作中，人眼的分辨角可按經(jīng)驗公式估算：到最后頁*光電成像原理11第二章人眼的視覺特性與圖像探測(e)11*光電成像原理12第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(f)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF視覺系統(tǒng)的MTF由眼球光學(xué)系統(tǒng)、視網(wǎng)膜等各部分是MTF的乘積構(gòu)成，圖2-9。人眼的分辨力表征了眼睛分辨兩點(diǎn)或兩線的能力，但是沒有普遍性，有局限。引進(jìn)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)來表征人眼圖像傳遞和復(fù)現(xiàn)的性能。MTF評價視覺特性的優(yōu)點(diǎn)：MTF曲線可推斷由單純視力測定難以了解的視覺功能；對視網(wǎng)膜、信息處理系統(tǒng)的特性做統(tǒng)一的數(shù)學(xué)處理；按MTF推斷各種圖像的像質(zhì)特性、知覺特性；用激光干涉技術(shù)，把眼球的成像系統(tǒng)和大腦處理系統(tǒng)加以分離并作出評價。*光電成像原理12第二章人眼的視覺特性與圖像探測(f)12*光電成像原理13第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視覺系統(tǒng)MTF的模型：高斯型、指數(shù)型、Barten模型和復(fù)合視覺模型。P37-39§2.2圖像探測理論與圖像探測方程

光電成像突破了人眼的時間靈敏閾限制，由光電變換將輸入的弱光圖像加以增強(qiáng)，并輸出強(qiáng)光圖像，以便于人眼觀察。

光電成像的增強(qiáng)作用是否不受任何限制？*光電成像原理13第二章人眼的視覺特性與圖像探測視覺系統(tǒng)13*光電成像原理14第二章人眼的視覺特性與圖像探測

圖像探測靈敏閾：光電成像系統(tǒng)的圖像探測極限。影響圖像探測極限的因素：①景物細(xì)節(jié)的輻射亮度或單位面積的輻射強(qiáng)度；②景物細(xì)節(jié)對光電成像系統(tǒng)接收孔徑的張角；③景物細(xì)節(jié)與背景之間的輻射對比度。

通常用探測到圖像細(xì)節(jié)的最小張角與最低輻射亮度兩者關(guān)系曲線表示圖像探測極限。

選定各種不同的、確定的輻射對比度測定上述曲線—圖像探測特性曲線，該曲線定量地表明了光電成像系統(tǒng)的圖像探測靈敏度，圖像探測曲線的解析表達(dá)式稱為圖像探測方程。*光電成像原理14第二章人眼的視覺特性與圖像探測圖像探測14*光電成像原理15第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

一、圖像的信噪比

圖像的亮暗反映了圖像上相鄰兩個像元輻射的量子數(shù)不一樣(即圖像細(xì)節(jié))，量子數(shù)的不一樣最終構(gòu)成了圖像信號，圖像的信號值圖像的噪聲值圖像的信噪比*光電成像原理15第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.215*光電成像原理16第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

二、光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程1光電成像輸出的圖像信號表達(dá)式式中，r是系統(tǒng)接收孔徑的半徑，η是光電轉(zhuǎn)換的量子效率，τ是有效積分時間，α是像元邊長對系統(tǒng)的張角，Q是每lm光通量在每秒所通過的光子數(shù)。2光電成像輸出的圖像噪聲表達(dá)式*光電成像原理16第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.216*光電成像原理17第二章人眼的視覺特性與圖像探測

3光電成像輸出的圖像信噪比引入光學(xué)中的對比度C和平均亮度Bm，有*光電成像原理17第二章人眼的視覺特性與圖像探測3光電17*光電成像原理18第二章人眼的視覺特性與圖像探測

4光電成像的圖像探測方程當(dāng)滿足上式時，圖像可以被探測到。該表達(dá)式包含兩類參數(shù)：①表征圖像：圖像的平均亮度Bm，圖像的對比度C，圖像的視角α；②表征光電成像系統(tǒng)：光電成像系統(tǒng)的接收孔徑D，光電成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率η，光電成像的有效積分時間τ。上式定量的描述了圖像探測特性，Bm

、α、C決定的圖像細(xì)節(jié)可以被D、η、τ確定的光電成像系統(tǒng)探測到。*光電成像原理18第二章人眼的視覺特性與圖像探測4光電18*光電成像原理19第二章人眼的視覺特性與圖像探測

5圖像探測靈敏閾

圖像探測方程的極限值對應(yīng)圖像探測靈敏閾。由該方程可以得到系統(tǒng)的圖像探測特性，圖2-10。*圖像探測方程只考慮了光電成像的光電轉(zhuǎn)換量子噪聲，忽略了其他噪聲和像差，對應(yīng)的圖像探測靈敏閾只是量子極限。*光電成像原理19第二章人眼的視覺特性與圖像探測5圖像19*光電成像原理20第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2三、圖像探測方程的其他表示形式一般的圖像探測方程Bm---圖像亮度,

α---景物細(xì)節(jié)對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統(tǒng)的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(shù)(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)S/N---圖像信噪比*光電成像原理20第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.220*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(2-43);B---圖像亮度,

α---景物細(xì)節(jié)對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統(tǒng)的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率,

無Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(shù)(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應(yīng)的張角單位為分S/N---圖像信噪比到最后頁*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(21戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B---圖像亮度,

α---景物細(xì)節(jié)對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統(tǒng)的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(shù)(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應(yīng)的張角單位為分S/N---圖像信噪比戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B2223考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-45);怕賽普(E.C.Pathep)方程，式(2-46);理查德(E.A.Richards)方程，式(2-47)。略23考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-4523*光電成像原理24§2.3目標(biāo)的探測與識別§2.3一、目標(biāo)搜索的一般原理

人眼在搜索目標(biāo)像時，眼睛的連續(xù)響應(yīng)可分為探測(發(fā)現(xiàn))、定向、識別和辨別四個等級(探測水平)。每個等級的定義見表2-6.探測視場內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)分辨力1.0左右定向可大致區(qū)分目標(biāo)是否對稱及方位1.4識別可將目標(biāo)分類分辨力4.0辨別區(qū)分型號及其他特征6.4到最后頁*光電成像原理24§2.3目標(biāo)的探測與識別§2.3一、24*光電成像原理25第二章人眼的視覺特性與圖像探測

如果每一項搜索任務(wù)都是相互獨(dú)立的，即：某一搜索任務(wù)的發(fā)生不影響下一個搜索任務(wù)發(fā)生的概率，則搜索概率可表示為各獨(dú)立任務(wù)(事件)的概率乘積：Iden辨別、Rec識別,Clas分類,Det探測等搜索等級的意義見表2-7。一般情況，建立目標(biāo)探測-識別模型都是以彼此獨(dú)立的幾個因素來分析研究。*光電成像原理25第二章人眼的視覺特性與圖像探測25*光電成像原理26第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3二、約翰遜準(zhǔn)則（探測水平）

約翰遜準(zhǔn)則：用等效條帶圖案的可分辨力來預(yù)測、評價目標(biāo)的探測和識別，并且各探測水平所需的條帶周期數(shù)有確定值。表2-6.

等效條帶圖案：一組黑白間隔相等的條帶狀圖案，其總高度為基本上能被識別的目標(biāo)臨界尺寸，條帶長度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標(biāo)尺寸。

可分辨力：目標(biāo)臨界尺寸中所包含的可分辨條帶數(shù)，用“周/臨界尺寸”表示。*光電成像原理26第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.326光電成像原理27第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3三、目標(biāo)探測—識別模型

搜索目標(biāo)像的過程：①在一個完全確定的面積上謹(jǐn)慎地搜索；②根據(jù)所搜索目標(biāo)與周圍景物的亮度對比進(jìn)行對比度探測；③根據(jù)對比度形成的外形輪廓進(jìn)行識別；④顯示圖像伴隨的噪聲將干擾搜索中各過程的實施。

上述搜索過程的條件：假定短時內(nèi)搜索復(fù)雜視場中的目標(biāo)是已知的或者是提示過的且熟悉目標(biāo)，目標(biāo)在視場中確實存在；不考慮監(jiān)視某一目標(biāo)在市場中的出現(xiàn)或?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)完全無知的情況。光電成像原理27第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.327*光電成像原理28*Rand探測—識別模型(Rand模型):其中，PR是顯示器上目標(biāo)的識別概率，P1是搜索一個確定的包含有目標(biāo)的面積時，掃視到目標(biāo)的概率；P2是掃視到的目標(biāo)被探測的概率，稱為對比度探測；P3是探測到的目標(biāo)被識別的概率；η是總的噪聲引起的衰減因子。到下一解釋頁*光電成像原理28*Rand探測—識別模型(R28*光電成像原理29第二章人眼的視覺特性與圖像探測

P1項：1.人眼目視搜索時的運(yùn)動

目標(biāo)探測—識別模型不考慮對比度很高或者尺寸很大的目標(biāo)（極易探測）。利用視網(wǎng)膜中心凹對不易發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)、周密地搜索。

凝視：固定的對某一點(diǎn)進(jìn)行注視稱為凝視；人眼注視一點(diǎn)后迅速地移到另一點(diǎn)進(jìn)行注視，該過程稱為掃視。

凝視中心：被凝視的點(diǎn)稱為凝視中心。到最后頁*光電成像原理29第二章人眼的視覺特性與圖像探測P1項：29*光電成像原理30第二章人眼的視覺特性與圖像探測

瞥見時間：對某個固定的點(diǎn)進(jìn)行凝視的時間稱為瞥見時間。通常，人眼的瞥見時間為1/3s。

瞥見孔徑：瞥見存在的有效掃描孔徑稱為瞥見孔徑，對應(yīng)的面積為Ag。人眼自動地根據(jù)目標(biāo)特性(表觀尺寸、對比度)和周圍景物的性質(zhì)（結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、密集程度）調(diào)整凝視中心之間的距離，凝視中心也隨著目標(biāo)和場景特點(diǎn)變化。到最后頁*光電成像原理30第二章人眼的視覺特性與圖像探測30*光電成像原理31第二章人眼的視覺特性與圖像探測

瞥見孔徑與目標(biāo)特性和景物性質(zhì)的關(guān)系：其中，AT是目標(biāo)的面積，k是與景物密集程度有關(guān)的參數(shù)，在10~100之間取值，或者是100~1000(少)。2.P1項的表達(dá)式式中，K是常數(shù)，As是搜索面積，t是搜索時間。*光電成像原理31第二章人眼的視覺特性與圖像探測31*光電成像原理32

引入密集因子G(1~10取值)，根據(jù)景物密集程度選擇，K=K0/G，K0(取值100)是標(biāo)稱值，則：AT為目標(biāo)面積,

As為瞥見孔徑,但實際選擇密集因子G存在困難.*光電成像原理32引入密集因子G(1~10取值32*光電成像原理33第二章人眼的視覺特性與圖像探測

P2項：

對比度探測：當(dāng)目標(biāo)對相鄰背景的對比度大于閾值對比度時，目標(biāo)就有被探測到的可能，因此概率P2涉及到人眼視覺系統(tǒng)的對比度探測過程。式中，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.39，C是人眼可利用的實際觀察對比度(顯示器上的顯示對比度)，CT是目標(biāo)的閾值對比度。*光電成像原理33第二章人眼的視覺特性與圖像探測P2項：33*光電成像原理34第二章人眼的視覺特性與圖像探測

考慮系統(tǒng)振動等因素后，目標(biāo)閾值對比度CT可近似為：式中，α是對目標(biāo)的張角。*光電成像原理34第二章人眼的視覺特性與圖像探測34*光電成像原理35P3項識別概率：

參數(shù)Nr由目標(biāo)臨界尺寸中所包含的獨(dú)立可探測點(diǎn)確定，計算過程如下：*光電成像原理35P3項識別概率：參數(shù)Nr由目35*光電成像原理36第二章人眼的視覺特性與圖像探測

①計算顯示器上實際目標(biāo)像對人眼張角α及目標(biāo)的顯示對比度C；

④Nr=α/α’

③由閾值對比度近似公式確定50%探測概率下的最小可探測角α’；

②由C/CT=1.5確定使C滿足90%探測概率的閾值對比度CT；*光電成像原理36第二章人眼的視覺特性與圖像探測36光電成像原理37第二章人眼的視覺特性與圖像探測

η項噪聲因子：

探測—識別模型沒有考慮噪聲對P1、P2、P3影響，用總噪聲的衰減因子表示噪聲對識別概率的影響：式中，SNR是輸出顯示信噪比。光電成像原理37第二章人眼的視覺特性與圖像探測η項噪聲因37*光電成像原理38*

探測—識別Rand模型采用了分離變量的方法，使P1、P2、P3表示為不受噪聲影響的少數(shù)幾個參數(shù)的函數(shù)，并把噪聲項進(jìn)行單獨(dú)處理，從而把問題簡單化。*光電成像原理38*探測—識別Rand模型采用38*光電成像原理39思考題

解釋人眼的絕對視覺閾、閾值對比度、光譜靈敏度。人眼的分辨力如何定義？受什么因素影響？影響光電成像系統(tǒng)分辨景物細(xì)節(jié)的主要因素有哪些？約翰遜準(zhǔn)則把探測水平分為幾個等級？每個等級如何定義？解釋人眼的凝視、凝視中心、瞥見、瞥見時間和瞥見孔徑。Rand模型如何把搜索過程簡單化？*光電成像原理39思考題解釋人眼的絕對視覺閾、閾值39*光電成像原理40第二章人眼的視覺特性與圖像探測

*光電成像原理1第二章40*光電成像原理41第二章人眼的視覺特性與圖像探測

各種光電成像系統(tǒng)或器件都是人類用以改善和擴(kuò)展視覺性能的輔助工具，人類的眼睛借助這些輔助工具獲得人眼不能直接得到的圖像信息。*光電成像原理2第二章人眼的視覺特性與圖像探測41*光電成像原理42第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.1

人眼的視覺特性與模型1.人眼的構(gòu)造*光電成像原理3第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.142*光電成像原理43第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的主要組成部分：①由角膜、虹膜、晶狀體、睫狀體和玻璃體組成的光學(xué)系統(tǒng)；②構(gòu)成人眼視覺關(guān)鍵部分的視網(wǎng)膜—敏感和信號處理部分，帶有盲點(diǎn)和黃斑；③信號傳輸和顯示系統(tǒng)的視神經(jīng)和大腦。

復(fù)雜多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的視網(wǎng)膜：與玻璃體相接觸的部分，是神經(jīng)細(xì)胞層，神經(jīng)的末端是神經(jīng)細(xì)胞(細(xì)胞元)。

光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)入視網(wǎng)膜，視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞吸收光并發(fā)生化學(xué)分解作用引起視覺刺激，視覺刺激以電信號形式傳輸至大腦產(chǎn)生視覺。*光電成像原理4第二章人眼的視覺特性與圖像探測人眼的主要43*光電成像原理44第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視網(wǎng)膜的神經(jīng)細(xì)胞：①錐狀細(xì)胞，具有高分辨力和顏色分辨能力；②桿狀細(xì)胞：視覺靈敏度比錐狀細(xì)胞高幾千倍，但不能分辨顏色。

盲點(diǎn)和黃斑：①盲點(diǎn)部分沒有感光細(xì)胞，是不感光的盲區(qū)；②黃斑中心凹處完全沒有桿狀細(xì)胞，具有最高的視覺分辨力。2.人眼的視覺特性(a)視覺的適應(yīng)

人眼視覺響應(yīng)隨著外界視場亮度的變化可分三類:*光電成像原理5第二章人眼的視覺特性與圖像探測44*光電成像原理45第二章人眼的視覺特性與圖像探測

明視覺響應(yīng)：人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場亮度時，視覺由錐狀細(xì)胞起作用。暗視覺響應(yīng)：人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2的視場亮度時，視覺由桿狀細(xì)胞起作用。（夜間的灰白）中介視覺響應(yīng)：視場亮度介于明、暗視覺響應(yīng)之間時,視覺響應(yīng)逐漸由錐狀細(xì)胞轉(zhuǎn)向桿狀細(xì)胞起作用。

當(dāng)視場亮度發(fā)生突變時，人眼的適應(yīng)主要包括明暗適應(yīng)和色彩適應(yīng)。*光電成像原理6第二章人眼的視覺特性與圖像探測明視覺響應(yīng)45*光電成像原理46第二章人眼的視覺特性與圖像探測

適應(yīng)過程的調(diào)節(jié)分兩方面：①人眼的明暗視覺適應(yīng)：在2~8mm之間自動調(diào)節(jié)瞳孔的大小，改變進(jìn)入人眼的光通量。A:亮適應(yīng)：對視場亮度由暗突然到亮的適應(yīng)，大約需要2~3min；B:暗適應(yīng)：對視場亮度由亮突然到暗的適應(yīng)，大約需要45min。②人眼的色彩適應(yīng)：視細(xì)胞感光機(jī)制的適應(yīng)，由視細(xì)胞中的視紫紅質(zhì)色素在光的刺激下完成。由于視紫紅質(zhì)色素的產(chǎn)生與消失，達(dá)到新的平衡所需要的時間延遲就是色彩適應(yīng)。*光電成像原理7第二章人眼的視覺特性與圖像探測46*光電成像原理47第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(b)人眼的絕對視覺閾

所謂人眼的絕對視覺閾，是在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場中，人眼感覺到的最小光刺激值(用照度表示，單位lx)，在10-9數(shù)量級。

在一定背景亮度Lb的條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能觀察到的最小照度Emin約當(dāng)Lb>16.4cd/m2后產(chǎn)生炫目現(xiàn)象，絕對視覺閾值也迅速提高。炫目亮度L0與像場亮度L的數(shù)值關(guān)系為：到最后頁*光電成像原理8第二章人眼的視覺特性與圖像探測(b)人47*光電成像原理48第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(c)人眼的閾值對比度

閾值對比度是指在一定背景下把目標(biāo)鑒別出來所必須的目標(biāo)在背景中的襯度(對比度C)。目標(biāo)在背景中的襯度用對比度C表示：C的倒數(shù)成為反襯靈敏度。Wald定律：背景亮度Lb、對比度C和人眼所能探測目標(biāo)的張角α之間具有的關(guān)系式對于小目標(biāo)α<7’，則x=2，得到Rose定律：到最后頁*光電成像原理9第二章人眼的視覺特性與圖像探測(c)人48*光電成像原理49第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的視覺特性與視場亮度、目標(biāo)對比度和目標(biāo)大小有關(guān)。(d)人眼的光譜靈敏度

人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度響應(yīng)，不同人的眼睛，對波長靈敏度響應(yīng)也有差異。

在可見光區(qū)域內(nèi)，任意波長與555nm波長處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度，其構(gòu)成的曲線就稱為光譜響應(yīng)曲線。512555λ/nm暗視覺明視覺φ到最后頁*光電成像原理10第二章人眼的視覺特性與圖像探測49*光電成像原理50第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(e)人眼的分辨力眼睛的分辨力（視力）：人眼極限分辨角θ的倒數(shù)稱為人眼的分辨力，θ是人眼能區(qū)分亮發(fā)光點(diǎn)的最小角距離。影響眼睛分辨力的因素：內(nèi)因：與眼睛的構(gòu)造有關(guān)；外因：決定于目標(biāo)的亮度與對比度；人眼會隨外界條件(背景亮度、對比度)的不同自動進(jìn)行適應(yīng)，從而有不同的極限分辨角。表2-3。照度變化對分辨力也有很大影響，不同照度下其分辨角也不一樣。

實際工作中，人眼的分辨角可按經(jīng)驗公式估算：到最后頁*光電成像原理11第二章人眼的視覺特性與圖像探測(e)50*光電成像原理51第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(f)視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF視覺系統(tǒng)的MTF由眼球光學(xué)系統(tǒng)、視網(wǎng)膜等各部分是MTF的乘積構(gòu)成，圖2-9。人眼的分辨力表征了眼睛分辨兩點(diǎn)或兩線的能力，但是沒有普遍性，有局限。引進(jìn)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)來表征人眼圖像傳遞和復(fù)現(xiàn)的性能。MTF評價視覺特性的優(yōu)點(diǎn)：MTF曲線可推斷由單純視力測定難以了解的視覺功能；對視網(wǎng)膜、信息處理系統(tǒng)的特性做統(tǒng)一的數(shù)學(xué)處理；按MTF推斷各種圖像的像質(zhì)特性、知覺特性；用激光干涉技術(shù)，把眼球的成像系統(tǒng)和大腦處理系統(tǒng)加以分離并作出評價。*光電成像原理12第二章人眼的視覺特性與圖像探測(f)51*光電成像原理52第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視覺系統(tǒng)MTF的模型：高斯型、指數(shù)型、Barten模型和復(fù)合視覺模型。P37-39§2.2圖像探測理論與圖像探測方程

光電成像突破了人眼的時間靈敏閾限制，由光電變換將輸入的弱光圖像加以增強(qiáng)，并輸出強(qiáng)光圖像，以便于人眼觀察。

光電成像的增強(qiáng)作用是否不受任何限制？*光電成像原理13第二章人眼的視覺特性與圖像探測視覺系統(tǒng)52*光電成像原理53第二章人眼的視覺特性與圖像探測

圖像探測靈敏閾：光電成像系統(tǒng)的圖像探測極限。影響圖像探測極限的因素：①景物細(xì)節(jié)的輻射亮度或單位面積的輻射強(qiáng)度；②景物細(xì)節(jié)對光電成像系統(tǒng)接收孔徑的張角；③景物細(xì)節(jié)與背景之間的輻射對比度。

通常用探測到圖像細(xì)節(jié)的最小張角與最低輻射亮度兩者關(guān)系曲線表示圖像探測極限。

選定各種不同的、確定的輻射對比度測定上述曲線—圖像探測特性曲線，該曲線定量地表明了光電成像系統(tǒng)的圖像探測靈敏度，圖像探測曲線的解析表達(dá)式稱為圖像探測方程。*光電成像原理14第二章人眼的視覺特性與圖像探測圖像探測53*光電成像原理54第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

一、圖像的信噪比

圖像的亮暗反映了圖像上相鄰兩個像元輻射的量子數(shù)不一樣(即圖像細(xì)節(jié))，量子數(shù)的不一樣最終構(gòu)成了圖像信號，圖像的信號值圖像的噪聲值圖像的信噪比*光電成像原理15第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.254*光電成像原理55第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

二、光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程1光電成像輸出的圖像信號表達(dá)式式中，r是系統(tǒng)接收孔徑的半徑，η是光電轉(zhuǎn)換的量子效率，τ是有效積分時間，α是像元邊長對系統(tǒng)的張角，Q是每lm光通量在每秒所通過的光子數(shù)。2光電成像輸出的圖像噪聲表達(dá)式*光電成像原理16第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.255*光電成像原理56第二章人眼的視覺特性與圖像探測

3光電成像輸出的圖像信噪比引入光學(xué)中的對比度C和平均亮度Bm，有*光電成像原理17第二章人眼的視覺特性與圖像探測3光電56*光電成像原理57第二章人眼的視覺特性與圖像探測

4光電成像的圖像探測方程當(dāng)滿足上式時，圖像可以被探測到。該表達(dá)式包含兩類參數(shù)：①表征圖像：圖像的平均亮度Bm，圖像的對比度C，圖像的視角α；②表征光電成像系統(tǒng)：光電成像系統(tǒng)的接收孔徑D，光電成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率η，光電成像的有效積分時間τ。上式定量的描述了圖像探測特性，Bm

、α、C決定的圖像細(xì)節(jié)可以被D、η、τ確定的光電成像系統(tǒng)探測到。*光電成像原理18第二章人眼的視覺特性與圖像探測4光電57*光電成像原理58第二章人眼的視覺特性與圖像探測

5圖像探測靈敏閾

圖像探測方程的極限值對應(yīng)圖像探測靈敏閾。由該方程可以得到系統(tǒng)的圖像探測特性，圖2-10。*圖像探測方程只考慮了光電成像的光電轉(zhuǎn)換量子噪聲，忽略了其他噪聲和像差，對應(yīng)的圖像探測靈敏閾只是量子極限。*光電成像原理19第二章人眼的視覺特性與圖像探測5圖像58*光電成像原理59第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2三、圖像探測方程的其他表示形式一般的圖像探測方程Bm---圖像亮度,

α---景物細(xì)節(jié)對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統(tǒng)的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(shù)(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)S/N---圖像信噪比*光電成像原理20第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.259*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(2-43);B---圖像亮度,

α---景物細(xì)節(jié)對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統(tǒng)的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率,

無Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(shù)(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應(yīng)的張角單位為分S/N---圖像信噪比到最后頁*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(60戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B---圖像亮度,

α---景物細(xì)節(jié)對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統(tǒng)的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(shù)(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應(yīng)的張角單位為分S/N---圖像信噪比戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B6162考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-45);怕賽普(E.C.Pathep)方程，式(2-46);理查德(E.A.Richards)方程，式(2-47)。略23考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-4562*光電成像原理63§2.3目標(biāo)的探測與識別§2.3一、目標(biāo)搜索的一般原理

人眼在搜索目標(biāo)像時，眼睛的連續(xù)響應(yīng)可分為探測(發(fā)現(xiàn))、定向、識別和辨別四個等級(探測水平)。每個等級的定義見表2-6.探測視場內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)分辨力1.0左右定向可大致區(qū)分目標(biāo)是否對稱及方位1.4識別可將目標(biāo)分類分辨力4.0辨別區(qū)分型號及其他特征6.4到最后頁*光電成像原理24§2.3目標(biāo)的探測與識別§2.3一、63*光電成像原理64第二章人眼的視覺特性與圖像探測

如果每一項搜索任務(wù)都是相互獨(dú)立的，即：某一搜索任務(wù)的發(fā)生不影響下一個搜索任務(wù)發(fā)生的概率，則搜索概率可表示為各獨(dú)立任務(wù)(事件)的概率乘積：Iden辨別、Rec識別,Clas分類,Det探測等搜索等級的意義見表2-7。一般情況，建立目標(biāo)探測-識別模型都是以彼此獨(dú)立的幾個因素來分析研究。*光電成像原理25第二章人眼的視覺特性與圖像探測64*光電成像原理65第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3二、約翰遜準(zhǔn)則（探測水平）

約翰遜準(zhǔn)則：用等效條帶圖案的可分辨力來預(yù)測、評價目標(biāo)的探測和識別，并且各探測水平所需的條帶周期數(shù)有確定值。表2-6.

等效條帶圖案：一組黑白間隔相等的條帶狀圖案，其總高度為基本上能被識別的目標(biāo)臨界尺寸，條帶長度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標(biāo)尺寸。

可分辨力：目標(biāo)臨界尺寸中所包含的可分辨條帶數(shù)，用“周/臨界尺寸”表示。*光電成像原理26第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.365光電成像原理66第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3三、目標(biāo)探測—識別模型

搜索目標(biāo)像的過程：①在一個完全確定的面積上謹(jǐn)慎地搜索；②根據(jù)所搜索目標(biāo)與周圍景物的亮度對比進(jìn)行對比度探測；③根據(jù)對比度形成的外形輪廓進(jìn)行識別；④顯示圖像伴隨的噪聲將干擾搜索中各過程的實施。

上述搜索過程的條件：假定短時內(nèi)搜索復(fù)雜視場中的目標(biāo)是已知的或者是提示過的且熟悉目標(biāo)，目標(biāo)在視場中確實存在；不考慮監(jiān)視某一目標(biāo)在市場中的出現(xiàn)或?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)完全無知的情況。光電成像原理27第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.366*光電成像原理67*Rand探測—識別模型(Rand模型):其中，PR是顯示器上目標(biāo)的識別概率，P1是搜索一個確定的包含有目標(biāo)的面積時，掃視到目標(biāo)的概率；P2是掃視到的目標(biāo)被探測的概率，稱為對比度探測；P3是探測到的目標(biāo)被識別的概率；η是總的噪聲引起的衰減因子。到下一解釋頁*光電成像原理28*Rand探測—識別模型(R67*光電成像原理68第二章人眼的視覺特性與圖像探測

P1項：1.人眼目視搜索時的運(yùn)動

目標(biāo)探測—識別模型不考慮對比度很高或者尺寸很大的目標(biāo)（極易探測）。利用視網(wǎng)膜中心凹對不易發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)、周密地搜索。

凝視：固定的對某一點(diǎn)進(jìn)行注視稱為凝視；人眼注視一點(diǎn)后迅速地移到另一點(diǎn)進(jìn)行注視，該過程稱為掃視。

凝視中心：被凝視的點(diǎn)稱為凝視中心。到最后頁*光電成像原理29第二章人眼的視覺特性與圖像探測P1項：68*光電成像原理69第二章人眼的視覺特性與圖像探測

瞥見時間：對某個固定的點(diǎn)進(jìn)行凝視的時間稱為瞥見時間。通常，人眼的瞥見時間為1/3s