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§2.2圖像探測理論與圖像探測方程§2.3目標(biāo)的探測與識別

1人眼的視覺特性5/8/2024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

2.1.1人眼的構(gòu)造2.1.2人眼的視覺特性

返回第二章2人眼的視覺特性5/8/2024§2.1人眼的視覺特性與模型

2.1.1人眼的構(gòu)造

1.人眼的構(gòu)造：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作為敏感和信號處理部分的帶有盲點(diǎn)和黃斑的視網(wǎng)膜，是構(gòu)成人眼視覺的關(guān)鍵部分；③作為信號傳輸和顯示系統(tǒng)的視神經(jīng)與大腦。

下一頁上一頁返回3人眼的視覺特性5/8/2024§2.1人眼的視覺特性與模型返回4人眼的視覺特性5/8/2024視網(wǎng)膜是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu):下一頁上一頁§2.1人眼的視覺特性與模型5人眼的視覺特性5/8/2024§2.1人眼的視覺特性與模型視網(wǎng)膜中有錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞兩類含有光敏物質(zhì)的感光細(xì)胞。在視神經(jīng)進(jìn)入眼內(nèi)腔的盲斑部分，既無錐狀細(xì)胞，也無桿狀細(xì)胞，是不感光的盲區(qū)。在黃斑中心凹處完全沒有桿狀細(xì)胞，是具有最高的視覺分辨力的區(qū)域。從黃斑向視網(wǎng)膜邊緣移動，錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞混合在一起，桿狀細(xì)胞比錐狀細(xì)胞小得多，而且沒有獨(dú)立地與視神經(jīng)聯(lián)系，而是合成一簇(多數(shù)達(dá)500條一簇)，這對于產(chǎn)生高靈敏視覺至關(guān)重要。到視網(wǎng)膜邊緣就幾乎全是桿狀細(xì)胞了。錐狀細(xì)胞具有高分辨力和顏色分辨能力；桿狀細(xì)胞的視覺靈敏度比錐狀細(xì)胞高數(shù)千倍，但不能辨別顏色。上一頁返回2.16人眼的視覺特性5/8/2024返回7人眼的視覺特性5/8/2024§2.1人眼的視覺特性與模型2.1.2人眼的視覺特性

1視覺的適應(yīng)

2人眼的絕對視覺閾

3人眼的閾值對比度

4人眼的光譜靈敏度

5人眼的分辨力

6視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)下一頁返回2.18人眼的視覺特性5/8/20242.1.2人眼的視覺特性1.視覺的適應(yīng)人眼能在一個(gè)相當(dāng)大(約10個(gè)數(shù)量級)的范圍內(nèi)適應(yīng)視場亮度。隨著外界視場亮度的變化，人眼視覺響應(yīng)可分為三類。①明視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場亮度后，視覺由錐狀細(xì)胞起作用。②暗視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)小于或等于3×10-5cd/m2視場亮度之后，視覺只由桿狀細(xì)胞起作用。由于桿狀細(xì)胞沒有顏色分辨能力，故夜間人眼觀察景物呈灰白色。③中介視覺響應(yīng)：隨著視場亮度從3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐漸由錐狀細(xì)胞的明視覺響應(yīng)轉(zhuǎn)向桿狀細(xì)胞的暗視覺響應(yīng)。下一頁上一頁9人眼的視覺特性5/8/20242.1.2人眼的視覺特性2.人眼的絕對視覺閾

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，稱為人眼的絕對視覺閾。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示時(shí)，人眼的絕對視覺閾值在10-9lx數(shù)量級。以量子閾值表示時(shí)，最小可探測的視覺刺激是58～145個(gè)藍(lán)綠光。對于點(diǎn)光源，天文學(xué)家認(rèn)為正常視力的眼睛能看到六等星，六等星在眼睛上形成的照度近似為8.5×10-9lx。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用“人工星點(diǎn)”測定的視覺閾值要小些，為2.44×10-9lx。下一頁上一頁10人眼的視覺特性5/8/20242.1.2人眼的視覺特性3.人眼的閾值對比度

人眼的視覺探測都是在一定背景中把目標(biāo)鑒別出來。

目標(biāo)在背景中的襯度以對比度C來表示：在給定的視場亮度，給定的目標(biāo)大小等條件下，人眼能夠?qū)⒛繕?biāo)從背景中分辨出來的最小對比度，稱為人眼的閾值對比度。

下一頁上一頁11人眼的視覺特性5/8/20242.1.2人眼的視覺特性4.人眼的光譜靈敏度人眼對各種不同波長的輻射光有不同的靈敏度，并且不同人的眼睛對各波長的靈敏度也常有差異。對大量具有正常視力的觀察者所做的實(shí)驗(yàn)表明：①在較明亮的環(huán)境中，人眼視覺對波長0.555μm左右的綠色光最敏感；②在較暗條件下，人眼對波長0.512μm的光最敏感。下一頁上一頁12人眼的視覺特性5/8/2024返回13人眼的視覺特性5/8/20242.1.2人眼的視覺特性5.人眼的分辨力人眼能區(qū)別兩發(fā)光點(diǎn)的最小角距離稱為極限分辨角θ，其倒數(shù)則為眼睛的分辨力。集中于人眼視網(wǎng)膜中央凹的錐狀細(xì)胞具有較小的直徑，并且每一個(gè)圓錐細(xì)胞都具有單獨(dú)向大腦傳遞信號的能力。桿狀細(xì)胞的分布密度較稀，并且是成群地聯(lián)系于公共神經(jīng)的末梢，所以人眼中央凹處的分辨本領(lǐng)比視網(wǎng)膜邊緣處高。下一頁上一頁14人眼的視覺特性5/8/2024人眼(右眼)的分辨力與視角的關(guān)系

返回15人眼的視覺特性5/8/2024

光電成像可突破人眼視見靈敏閾的限制。光電成像存在著圖像探測的極限，稱為圖像探測靈敏閾。景物細(xì)節(jié)能否被光電成像系統(tǒng)所探測到，與下述三項(xiàng)因素有關(guān)：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?！?.2圖像探測理論與圖像探測方程

返回第二章下一頁16人眼的視覺特性5/8/2024§2.2圖像探測理論與圖像探測方程光電成像系統(tǒng)剛好能探測到景物細(xì)節(jié)的上述三項(xiàng)指標(biāo)表示其極限性能。通常是用可探測到圖像細(xì)節(jié)的最小張角與最低輻射亮度兩者關(guān)系曲線來表示。這一曲線是在選定某一確定的輻射對比度情況下測定的，選定各種不同的輻射對比度可得到一族曲線，這族曲線定量地表明了該光電成像系統(tǒng)的圖像探測靈敏度，稱之為圖像探測特性曲線，其解析表達(dá)式稱為圖像探測方程。上一頁下一頁17人眼的視覺特性5/8/20242.2.1圖像的信噪比2.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程2.2.3圖象探測方程的其他表達(dá)方式

§2.2圖像探測理論與圖像探測方程上一頁18人眼的視覺特性5/8/2024§2.2圖像探測理論與圖像探測方程2.2.1圖像的信噪比

圖像是以輻射量子分布再現(xiàn)的景物。輻射量子數(shù)的差異表示出圖像的亮暗，其構(gòu)成了圖像信號。同時(shí)由于輻射量子在數(shù)量上有隨機(jī)漲落，所以該量子數(shù)的起伏又構(gòu)成了圖像噪聲。上一頁返回下一頁19人眼的視覺特性5/8/2024§2.2圖像探測理論與圖像探測方程

兩個(gè)相鄰的像元具有不同的輻射亮度構(gòu)成一個(gè)圖像細(xì)節(jié)。設(shè)光電成像系統(tǒng)在有效積分時(shí)間內(nèi)接收到來自兩個(gè)像元的輻射量子數(shù)分別為n1和n2，此時(shí)光電成像系統(tǒng)能否分辨出這兩個(gè)像元，取決于n1與n2的差異，這一差異代表了圖像細(xì)節(jié)的信號，其圖像信號值可表示為

上一頁下一頁20人眼的視覺特性5/8/2024§2.2圖像探測理論與圖像探測方程輻射的量子噪聲可近似表示為：上一頁下一頁其差值的漲落方差可表示為

D(n1-n2)=D(n1)-2cov(n1,n2)+D(n2)

式中，cov(n1，n2)是n1和n2的協(xié)方差。由于亮暗兩個(gè)像元的輻射量子數(shù)彼此不相關(guān)，所以協(xié)方差為零。因此，圖像噪聲值可表示為：圖像信噪比為：

21人眼的視覺特性5/8/2024§2.2圖像探測理論與圖像探測方程2.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程

1光電成像所輸出的圖像信號表達(dá)式

2光電成像所輸出的圖像噪聲表達(dá)式

3光電成像的輸出圖像信噪比

4光電成像的圖像探測方程

5圖像探測靈敏閾下一頁返回22人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程

1

光電成像所輸出的圖像信號表達(dá)式

取被探測的圖像細(xì)節(jié)為相鄰的兩個(gè)有亮暗差異的像元。每一像元是邊長為h的正方形，其亮度分別為B1和B2,且B1

＞B2

。

在亮像元上的亮度B1可表示為

上一頁下一頁23人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程光電成像系統(tǒng)在有效積分時(shí)間內(nèi)接受亮像元的平均光子數(shù)為：

同理，光電成像系統(tǒng)在有效積分時(shí)間內(nèi)接受亮暗像元的平均光子數(shù)為：光電成像所獲得的輸出圖像信號S為：上一頁下一頁24人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程

2光電成像所輸出的圖像噪聲表達(dá)式上一頁下一頁25人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程3光電成像的輸出圖像信噪比由光電成像的輸出圖像信號與噪聲的表達(dá)式，可得到輸出圖像信噪比為下一頁上一頁26人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程光學(xué)中常采用對比度C和平均亮度Bm來表示輸入圖像。它們的定義分別為

可以得到信噪比為：下一頁上一頁27人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程4光電成像的圖像探測方程如果信噪比大于接收器(通常是人眼)所需的閾值信噪比(S/N)min時(shí)，表明理想的光電成像可探測到這一圖像。故可寫出關(guān)系式

當(dāng)以上關(guān)系式成立時(shí)，表明圖像可探測到，反之將不能探測。下一頁上一頁28人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程上式中包括兩類參數(shù)。第一類參數(shù)是表征圖像的參數(shù)，包括：圖像的平均亮度Bm；圖像的對比度C；圖像的視角α。第二類參數(shù)是表征光電成像系統(tǒng)的參數(shù)，包括：光電成像系統(tǒng)的接收孔徑D＝2r；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。將兩類參數(shù)分別置于關(guān)系式的兩邊，則得到如下關(guān)系式

上一頁下一頁29人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程

這一關(guān)系式定量描述了圖像探測特性。它表明了由關(guān)系式左邊的參量Bm、α、C所描述的圖像細(xì)節(jié)可以被關(guān)系式右邊的參量D、η、τ所確定的理想光電成像系統(tǒng)探測到。當(dāng)這一關(guān)系式呈等式時(shí)，即為臨界狀況，表明了理想光電成像的極限探測靈敏閾。該公式通常稱之為理想條件下光電成像的圖像探測方程(夏根（P.Schagen）方程)。

上一頁下一頁30人眼的視覺特性5/8/20242.2.2光電成像系統(tǒng)的圖像探測方程5圖像探測靈敏閾

理論極限值是由理想條件下的圖像探測方程來確定。所能探測的極限值就是光電成像對視見靈敏閾擴(kuò)展的極限。這一極限是由被探測圖像的三項(xiàng)參數(shù)來表示，即圖像平