光電成像原理與技術(shù)人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

光電成像原理與技術(shù)人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)第1頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午2第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

§2.1

人眼的視覺(jué)特性與模型1.人眼的構(gòu)造第2頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午3第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

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(jué)關(guān)鍵部分的視網(wǎng)膜—敏感和信號(hào)處理部分，帶有盲點(diǎn)和黃斑；③信號(hào)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(jué)刺激，視覺(jué)刺激以電信號(hào)形式傳輸至大腦產(chǎn)生視覺(jué)。第3頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午4第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

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(jué)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(méi)有感光細(xì)胞，是不感光的盲區(qū)，盲區(qū)是視網(wǎng)膜上不起視覺(jué)作用的區(qū)域；②黃斑中心凹處完全沒(méi)有桿狀細(xì)胞，具有最高的視覺(jué)分辨力，黃斑有問(wèn)題，則視力也有問(wèn)題。2.人眼的視覺(jué)特性(a)視覺(jué)的適應(yīng)

人眼視覺(jué)響應(yīng)隨著外界視場(chǎng)亮度的變化可分三類:第4頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午5第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

明視覺(jué)響應(yīng)：人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場(chǎng)亮度時(shí)，視覺(jué)由錐狀細(xì)胞起作用。暗視覺(jué)響應(yīng)：人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2的視場(chǎng)亮度時(shí)，視覺(jué)由桿狀細(xì)胞起作用。（夜間的灰白）中介視覺(jué)響應(yīng)：視場(chǎng)亮度介于明、暗視覺(jué)響應(yīng)之間時(shí),視覺(jué)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(chǎng)亮度發(fā)生突變時(shí)，人眼的適應(yīng)主要包括明暗適應(yīng)和色彩適應(yīng)。第5頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午6第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

適應(yīng)過(guò)程的調(diào)節(jié)分兩方面：①人眼的明暗視覺(jué)適應(yīng)：在2~8mm之間自動(dòng)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(duì)視場(chǎng)亮度由暗突然到亮的適應(yīng)，大約需要2~3min；B:暗適應(yīng)：對(duì)視場(chǎng)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(shí)間延遲就是色彩適應(yīng)。第6頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午7第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

(b)人眼的絕對(duì)視覺(jué)閾

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

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(duì)視覺(jué)閾值也迅速提高。炫目亮度L0與像場(chǎng)亮度L的數(shù)值關(guān)系為：第7頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午8第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

(c)人眼的閾值對(duì)比度

閾值對(duì)比度是指在一定背景下把目標(biāo)鑒別出來(lái)所必須的目標(biāo)在背景中的襯度(對(duì)比度C)。目標(biāo)在背景中的襯度用對(duì)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(duì)比度C和人眼所能探測(cè)目標(biāo)的張角α之間具有的關(guān)系式對(duì)于小目標(biāo)α<7’，則x=2，得到Rose定律：第8頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午9第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

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

人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的靈敏度響應(yīng)，不同人的眼睛，對(duì)波長(zhǎng)靈敏度響應(yīng)也有差異。

在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)，任意波長(zhǎng)與555nm波長(zhǎng)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(jué)明視覺(jué)φ第9頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午10第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

(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(duì)比度；人眼會(huì)隨外界條件(背景亮度、對(duì)比度)的不同自動(dòng)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(duì)分辨力也有很大影響，不同照度下其分辨角也不一樣。

實(shí)際工作中，人眼的分辨角可按經(jīng)驗(yàn)公式估算：第10頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午11第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

(f)視覺(jué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF視覺(jué)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(méi)有普遍性，有局限。引進(jìn)光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)來(lái)表征人眼圖像傳遞和復(fù)現(xiàn)的性能。MTF評(píng)價(jià)視覺(jué)特性的優(yōu)點(diǎn)：MTF曲線可推斷由單純視力測(cè)定難以了解的視覺(jué)功能；對(duì)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(jué)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(píng)價(jià)。第11頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午12第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

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

光電成像突破了人眼的時(shí)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？第12頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午13第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

圖像探測(cè)靈敏閾：光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)極限。影響圖像探測(cè)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(duì)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(duì)比度。

通常用探測(cè)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(cè)極限。

選定各種不同的、確定的輻射對(duì)比度測(cè)定上述曲線—圖像探測(cè)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(cè)靈敏度，圖像探測(cè)曲線的解析表達(dá)式稱為圖像探測(cè)方程。第13頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午14第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

§2.2

一、圖像的信噪比

圖像的亮暗反映了圖像上相鄰兩個(gè)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(hào)，圖像的信號(hào)值圖像的噪聲值圖像的信噪比第14頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午15第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

§2.2

二、光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程1光電成像輸出的圖像信號(hào)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(shí)間，α是像元邊長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)的張角，Q是每lm光通量在每秒所通過(guò)的光子數(shù)。2光電成像輸出的圖像噪聲表達(dá)式第15頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午16第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

3光電成像輸出的圖像信噪比引入光學(xué)中的對(duì)比度C和平均亮度Bm，有第16頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午17第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

4光電成像的圖像探測(cè)方程當(dāng)滿足上式時(shí)，圖像可以被探測(cè)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(duì)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(shí)間τ。上式定量的描述了圖像探測(cè)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(cè)到。第17頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午18第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

5圖像探測(cè)靈敏閾

圖像探測(cè)方程的極限值對(duì)應(yīng)圖像探測(cè)靈敏閾。由該方程可以得到系統(tǒng)的圖像探測(cè)特性，圖2-10。*圖像探測(cè)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(duì)應(yīng)的圖像探測(cè)靈敏閾只是量子極限。第18頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

其他常見(jiàn)的圖像探測(cè)方程有：§2.2三、圖像探測(cè)方程的其他表示形式羅斯(A.Rose)方程，式(2-43);戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);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)?！?.3目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別第19頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午20第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

§2.3一、目標(biāo)搜索的一般原理

人眼在搜索目標(biāo)像時(shí)，眼睛的連續(xù)響應(yīng)可分為探測(cè)(發(fā)現(xiàn))、定向、識(shí)別和辨別四個(gè)等級(jí)(探測(cè)水平:將系統(tǒng)性能與人眼視覺(jué)相結(jié)合的視覺(jué)能力評(píng)價(jià)，需通過(guò)視覺(jué)心理實(shí)驗(yàn)來(lái)完成)。每個(gè)等級(jí)的定義見(jiàn)表2-6.

如果每一項(xiàng)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(gè)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、Ren等搜索等級(jí)的意義見(jiàn)表2-7。一般情況，建立目標(biāo)探測(cè)-識(shí)別模型都是以彼此獨(dú)立的幾個(gè)因素來(lái)分析研究。第20頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午21第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

§2.3二、約翰遜準(zhǔn)則（探測(cè)水平）

約翰遜準(zhǔn)則：用等效條帶圖案的可分辨力來(lái)預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別，并且各探測(cè)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(shí)別的目標(biāo)臨界尺寸，條帶長(zhǎng)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。第21頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午22第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

§2.3三、目標(biāo)探測(cè)—識(shí)別模型

搜索目標(biāo)像的過(guò)程：①在一個(gè)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(duì)比進(jìn)行對(duì)比度探測(cè)；③根據(jù)對(duì)比度形成的外形輪廓進(jìn)行識(shí)別。④顯示圖像伴隨的噪聲將干擾搜索中①-③各過(guò)程的實(shí)施。

上述搜索過(guò)程的條件：假定短時(shí)內(nèi)搜索復(fù)雜視場(chǎng)中的目標(biāo)是已知的或者是提示過(guò)的且熟悉目標(biāo)，目標(biāo)在視場(chǎng)中確實(shí)存在；不考慮監(jiān)視某一目標(biāo)在市場(chǎng)中的出現(xiàn)或?qū)δ繕?biāo)結(jié)構(gòu)完全無(wú)知的情況。Rand探測(cè)—識(shí)別模型(Rand模型):第22頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午23第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

其中，PR是顯示器上目標(biāo)的識(shí)別概率，P1是搜索一個(gè)確定的包含有目標(biāo)的面積時(shí)，掃視到目標(biāo)的概率；P2是掃視到的目標(biāo)被探測(cè)的概率，稱為對(duì)比度探測(cè)；P3是探測(cè)到的目標(biāo)被識(shí)別的概率；η是總的噪聲引起的衰減因子。P1項(xiàng)：1.人眼目視搜索時(shí)的運(yùn)動(dòng)

目標(biāo)探測(cè)—識(shí)別模型不考慮對(duì)比度很高或者尺寸很大的目標(biāo)（極易探測(cè)）。利用視網(wǎng)膜中心凹對(duì)不易發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)、周密地搜索。第23頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午24第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

凝視：固定的對(duì)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(guò)程稱為掃視。

凝視中心：被凝視的點(diǎn)稱為凝視中心。

瞥見(jiàn)時(shí)間：對(duì)某個(gè)固定的點(diǎn)進(jìn)行凝視的時(shí)間稱為瞥見(jiàn)時(shí)間。通常，人眼的瞥見(jiàn)時(shí)間為1/3s。

瞥見(jiàn)孔徑：瞥見(jiàn)存在的有效掃描孔徑稱為瞥見(jiàn)孔徑，對(duì)應(yīng)的面積為Ag。人眼自動(dòng)地根據(jù)目標(biāo)特性(表觀尺寸、對(duì)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(chǎng)景特點(diǎn)變化。第24頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午25第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

瞥見(jiàn)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(xiàng)的表達(dá)式式中，K是常數(shù)，As是搜索面積，t是搜索時(shí)間。

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：第25頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午26第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

P2項(xiàng)：

對(duì)比度探測(cè)：當(dāng)目標(biāo)對(duì)相鄰背景的對(duì)比度大于閾值對(duì)比度時(shí)，目標(biāo)就有被探測(cè)到的可能，因此概率P2涉及到人眼視覺(jué)系統(tǒng)的對(duì)比度探測(cè)過(guò)程。式中，C是人眼可利用的實(shí)際觀察對(duì)比度(顯示器上的顯示對(duì)比度)，CT是目標(biāo)的閾值對(duì)比度。第26頁(yè)/共31頁(yè)1:18下午27第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)

考慮系統(tǒng)振動(dòng)等因素后，目標(biāo)閾值對(duì)比度CT可近似為：式中，α是對(duì)目標(biāo)的張角。

對(duì)固有對(duì)比度C0的目標(biāo)，經(jīng)大氣和成像系統(tǒng)后由(*)式確定探測(cè)概率P2。P3項(xiàng)：第27頁(yè)/共31頁(yè)1:18