人眼視覺(jué)原理

人眼視覺(jué)原理第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19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)特性與模型人眼的構(gòu)造視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)（桿狀細(xì)胞，錐狀細(xì)胞）視細(xì)胞的分布人眼的視覺(jué)特性視覺(jué)的適應(yīng)絕對(duì)視覺(jué)閾閾值對(duì)比度光譜靈敏度分辨力視覺(jué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)桿狀細(xì)胞錐狀細(xì)胞視細(xì)胞的分布第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19視覺(jué)的適應(yīng)明視覺(jué)暗視覺(jué)中介視覺(jué)顏色適應(yīng)3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗視覺(jué)明視覺(jué)中介視覺(jué)第4頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19人眼的視覺(jué)特性絕對(duì)視覺(jué)閾：全黑視場(chǎng)下，人眼感覺(jué)到的最小光刺激值，約10－9lx量級(jí)。眩目亮度：與像場(chǎng)亮度相關(guān)。閾值對(duì)比度：時(shí)間不限，使用雙眼探測(cè)一個(gè)亮度大于背景亮度的圓盤(pán)，察覺(jué)概率為50%時(shí)，不同背景亮度下的對(duì)比度。對(duì)比度C：當(dāng)Lt和Lb分別為目標(biāo)與背景的亮度時(shí)，對(duì)比度表示為：

由于背景亮度、對(duì)比度和人眼所能探測(cè)的目標(biāo)張角三者之間存在制約關(guān)系（Wald定律），特別是在目標(biāo)張角<7’，時(shí)，存在Rose定律：第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19人眼的視覺(jué)特性光譜靈敏度（光譜光視效率）：人眼對(duì)各種不同波長(zhǎng)的輻射光有不同的靈敏度（響應(yīng)），對(duì)大量正常視力觀察者的實(shí)驗(yàn)表明：在較明亮環(huán)境中，人眼視覺(jué)對(duì)波長(zhǎng)0.555μm左右的綠光最敏感；在較暗條件下，人眼視覺(jué)對(duì)波長(zhǎng)0.512μm左右的黃綠光最敏感；右圖給出不同視場(chǎng)亮度下，人眼的光譜光視效率曲線：人眼的分辨力：人眼能區(qū)分兩發(fā)光點(diǎn)的最小角距離稱為極限分辨角θ，其倒數(shù)為人眼分辨力。從內(nèi)因分析，影響分辨力的因素為眼睛的構(gòu)造。從外因分析，是目標(biāo)的亮度與對(duì)比度。人眼會(huì)根據(jù)外界條件自動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)，從而可以得到不同的極限分辨角。

明視覺(jué)

暗視覺(jué)

第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六人眼觀察物體的要求靈敏度：以量子閾值表示時(shí)，最小可探測(cè)的視覺(jué)刺激是58~145個(gè)藍(lán)綠光(波長(zhǎng)為0.51m)的光子轟擊角膜引起的，據(jù)估算，這一刺激只有5~14個(gè)光子實(shí)際到達(dá)并作用于視網(wǎng)膜上。

分辨力：對(duì)比度：圖案不同，對(duì)對(duì)比度的要求也不同（如點(diǎn)與點(diǎn)：26％；方波條紋之間：3％）信噪比：人眼觀察物體需要排出干擾，如果干擾太大將影響到人眼的觀察效果。圖案不同，人眼對(duì)信噪比的要求不同（如方波圖案：1～1.5左右；余弦圖案：3～3.5左右）10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)2.2.圖像探測(cè)理論與圖像方程圖像信號(hào)與圖像噪聲理想條件下光電成像的圖像探測(cè)方程2.3.目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別

理論分析證明：光電成像存在著圖像探測(cè)的極限值，這一極限稱為圖像探測(cè)靈敏閾。一個(gè)景物的細(xì)節(jié)能否被光電成像系統(tǒng)所探測(cè)到，即形成一個(gè)可以被人眼識(shí)別的輸出圖像，與如下三個(gè)因素相關(guān)。景物細(xì)節(jié)的輻射亮度（單位面積的輻射強(qiáng)度）；景物細(xì)節(jié)對(duì)光電成像系統(tǒng)接收孔徑的張角；景物細(xì)節(jié)與背景之間的輻射對(duì)比度。第8頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)圖像信號(hào)與圖像噪聲圖像信號(hào)：光電成像系統(tǒng)在有效積分時(shí)間內(nèi)接收到兩個(gè)相鄰的像元的輻射量子數(shù)的平均值分別為和，此時(shí)，系統(tǒng)能否分辨出這兩個(gè)像元，取決于與的差異。故圖像信號(hào)值可以表示為右式：圖像噪聲（光子噪聲）：各像元所輻射的光子數(shù)的瞬時(shí)值n統(tǒng)計(jì)平均值的偏差稱為“漲落”，用均方根表示，由于光子發(fā)射服從泊松分布，故其均方根值可表示為右式：圖像信噪比：

只有圖像信噪比的值大于閾值信噪比，信號(hào)才可以被探測(cè)到，閾值信噪比由實(shí)驗(yàn)獲得。第9頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)理想條件下光電成像的圖像探測(cè)方程光電成像所輸出的圖像信號(hào)表達(dá)式：式中L、Φ表示兩個(gè)邊長(zhǎng)為h的正方形相鄰像元的輻射亮度和輻射通量（功率），φ為像元與探測(cè)器表面的法線交角。p為像元瞬間發(fā)射出的量子數(shù)，d為像元與成像系統(tǒng)距離，r為成像系統(tǒng)孔徑的半徑，τ為有效積分時(shí)間，η為量子效率，Q為每流明光通量在每秒內(nèi)所通過(guò)的光子數(shù)。第10頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)理想條件下光電成像的圖像探測(cè)方程光電成像所輸出的圖像信號(hào)表達(dá)式：式中L、Φ表示兩個(gè)邊長(zhǎng)為h的正方形相鄰像元的輻射亮度和輻射通量（功率），φ為像元與探測(cè)器表面的法線交角。p為像元瞬間發(fā)射出的量子數(shù)，d為像元與成像系統(tǒng)距離，r為成像系統(tǒng)孔徑的半徑，τ為有效積分時(shí)間，η為量子效率，Q為每流明光通量在每秒內(nèi)所通過(guò)的光子數(shù)。光電成像系統(tǒng)輸出的圖像信噪比：第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)理想條件下光電成像的圖像探測(cè)方程理想探測(cè)器圖像探測(cè)方程(羅斯方程)夏根方程弗里斯-羅斯定律第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)2.3.目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別目標(biāo)搜索的一般原理目標(biāo)探測(cè)－識(shí)別模型約翰遜準(zhǔn)則第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)目標(biāo)搜索的一般原理探測(cè):把一個(gè)目標(biāo)同其所處背景或其它目標(biāo)區(qū)別開(kāi)來(lái)分類:把探測(cè)出的目標(biāo)大致分類（飛機(jī)？坦克）識(shí)別:把分類目標(biāo)再細(xì)分（坦克？汽車）辨別：把已識(shí)別的目標(biāo)進(jìn)行辨認(rèn)（型號(hào)、細(xì)節(jié)）搜索概率的大小，在一定程度上提供了光電成像系統(tǒng)性能的評(píng)估，通?？梢詫?xiě)成各種條件概率的乘積。在假定目標(biāo)一定在視場(chǎng)內(nèi)出現(xiàn)，并且上述每一項(xiàng)都是互相獨(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)產(chǎn)生的概率，則上式可簡(jiǎn)化如下：第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)目標(biāo)探測(cè)－識(shí)別模型假定搜索光電成像系統(tǒng)顯示屏上的目標(biāo)像的過(guò)程為：在一個(gè)完全可以確定的面積上進(jìn)行謹(jǐn)慎的搜索根據(jù)所搜索的目標(biāo)與周圍景物的亮度對(duì)比度探測(cè)根據(jù)對(duì)比度所形成的外形輪廓進(jìn)行識(shí)別PR為顯示器上可以將目標(biāo)識(shí)別的概率P1為在一個(gè)確定的包含目標(biāo)的面積上，掃視到目標(biāo)的概率P2為掃視到的目標(biāo)被探測(cè)到的概率P3為探測(cè)到的目標(biāo)被識(shí)別的概率η為噪聲引起的總衰減因子。第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)目標(biāo)探測(cè)－識(shí)別模型P1，掃視到目標(biāo)的概率瞥見(jiàn)時(shí)間：1/3s瞥見(jiàn)孔徑：有效瞥見(jiàn)掃描孔徑，平均凝視中心之間的距離。瞥見(jiàn)孔徑對(duì)應(yīng)的面積Ag目標(biāo)面積：ATk:與景物密度程度相關(guān)的參數(shù)，通常為10～100，有時(shí)也在100～1000之間變化。搜索面積：As完善系統(tǒng)的自由搜索掃視到目標(biāo)的瞥見(jiàn)數(shù)只能是a失去目標(biāo)的瞥見(jiàn)數(shù)為b一次瞥見(jiàn)中掃視到目標(biāo)的概率為p，未掃視到的概率為qn次瞥見(jiàn)中心掃視到目標(biāo)的概率為P所需的瞥見(jiàn)次數(shù)N第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)目標(biāo)探測(cè)－識(shí)別模型P2，掃視到的目標(biāo)被探測(cè)的概率－對(duì)比度探測(cè)概率當(dāng)目標(biāo)對(duì)其相鄰背景的對(duì)比度大于閾值對(duì)比度時(shí)，目標(biāo)就有一定的被探測(cè)概率。勃來(lái)克韋爾的試驗(yàn)：觀察者在8個(gè)可能的位置上進(jìn)行強(qiáng)迫選擇；而搜索顯示器時(shí)，是在所有位置上自由選擇。勃建議自由選擇所需閾值要大2.4倍；考慮到目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間的不確定性，再提高1.5倍。修正曲線把閾值對(duì)比度曲線上調(diào)5.5倍?？山票硎緸殡p曲線。當(dāng)其他觀察對(duì)比度C時(shí)的概率僅與C/CT的值有關(guān)時(shí)，可近似表示為：第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)目標(biāo)探測(cè)－識(shí)別模型P3，探測(cè)到的目標(biāo)被識(shí)別的概率對(duì)于已知或提示過(guò)且熟悉的目標(biāo)形狀的識(shí)別是把目標(biāo)的形狀與記憶中的形狀向判別的過(guò)程，需要探測(cè)到目標(biāo)的細(xì)節(jié)足夠多。一些實(shí)驗(yàn)研究得出此概率與Nr的關(guān)系：Nr由目標(biāo)臨界尺寸中所包含的獨(dú)立可探測(cè)點(diǎn)確定：計(jì)算顯示器上實(shí)際目標(biāo)像對(duì)人眼的張角α及目標(biāo)的顯示對(duì)比度C；由C/CT=1.5確定C滿足90%探測(cè)概率的閾值對(duì)比度CT；由閾值對(duì)比度雙曲線公式確定50%探測(cè)概率下的最小可探測(cè)角α’，即為可使具有顯示對(duì)比度C的目標(biāo)達(dá)到90%探測(cè)概率的目標(biāo)張角；目標(biāo)張角α中包括的α’數(shù)目，即獨(dú)立可探測(cè)點(diǎn)Nr=α/α’。第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)目標(biāo)探測(cè)－識(shí)別模型η，影響識(shí)別概率的總噪聲因子噪聲的種類：系統(tǒng)噪聲：探測(cè)器噪聲、放大器噪聲、熒光屏的顆粒噪聲等；與信號(hào)相關(guān)的噪聲：如光子噪聲等。噪聲的影響形式：增加了圖像景物密集因子G而降低了P1增加了點(diǎn)探測(cè)所需的閾值對(duì)比度CT而降低了P2；由于對(duì)比度邊界的變形或?qū)Ρ榷忍荻鹊慕档?，相?yīng)地降低了Nr值而使P3減小。Rand模型采用了變量分離的方法，使每一項(xiàng)表示成少數(shù)幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)，并把噪聲項(xiàng)獨(dú)立處理，從而使問(wèn)題得到相當(dāng)大的簡(jiǎn)化。第20頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)約翰遜準(zhǔn)則目標(biāo)的等效條帶：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，及目標(biāo)的最小投影尺寸，其長(zhǎng)度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標(biāo)的尺寸，等效條帶圖案的可分辨力為目標(biāo)臨界尺寸所包含的可分辨的條帶數(shù)（周／臨界尺寸）約翰遜論證了等效條帶圖案可分辨力能用來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了各類目標(biāo)探測(cè)識(shí)別準(zhǔn)則。目標(biāo)的等效條帶圖案研究表明：有可能在不考慮目標(biāo)本質(zhì)和圖像缺陷的情況下，用目標(biāo)等效條帶圖案可分辨力來(lái)評(píng)價(jià)成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力第21頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)探測(cè)水平定義50%概率時(shí)所需的等效條帶周期數(shù)探測(cè)（發(fā)現(xiàn)）在視場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)1.0±0.25定向可大致區(qū)分目標(biāo)是否對(duì)稱及方位1.4±0.35識(shí)別可將目標(biāo)分類（坦克？卡車？人？）4.0±0.8辨別可區(qū)分出目標(biāo)型號(hào)及其他特征6.4±1.5第22頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺(jué)特性與圖像探測(cè)探測(cè)識(shí)別認(rèn)清Pd周期Pr最不利最有利平均值Pi觀察膠片CRT1.031.012910.51.018240.9520.958670.9512160.801.50.8064.55.250.809120.5