曹峰梅第一章緒論(下）光電成像原理與技術(shù)第一章緒論（下）人眼的視覺特性光電成像的特性基于人眼信噪比的圖像探測方程理論與圖像探測方程1.2人眼與視覺特性1.2.1人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造光學(xué)系統(tǒng)、光電成像器件、圖像信息傳輸與處理系統(tǒng)構(gòu)成的理想光電成像系統(tǒng)人眼的構(gòu)造人眼的構(gòu)造視網(wǎng)膜——光電成像系統(tǒng)中的核心——光電成像器件視網(wǎng)膜中的11000萬個(gè)視細(xì)胞：內(nèi)有光敏物質(zhì)，其在吸收光的同時(shí)發(fā)生化學(xué)分解引起視覺刺激，刺激以電信號(hào)的形式經(jīng)內(nèi)外網(wǎng)叢層和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞后，在視神經(jīng)匯合傳至大腦信息處理系統(tǒng)，產(chǎn)生視覺。人眼的構(gòu)造錐狀細(xì)胞：約700萬個(gè)，主要分布在黃斑中心凹區(qū)域，該區(qū)域每個(gè)錐狀細(xì)胞有獨(dú)立的視神經(jīng)聯(lián)系；視網(wǎng)膜邊緣分布很少，且成簇地與視神經(jīng)聯(lián)系?！叻直媪皖伾直婺芰?。桿狀細(xì)胞：中心凹處完全沒有分布，且沒有獨(dú)立的視神經(jīng)聯(lián)系，總是合成一簇（多達(dá)500條一簇）；視網(wǎng)膜邊緣幾乎全是桿狀細(xì)胞。——高靈敏度，無顏色分辨能力。人眼的構(gòu)造錐狀細(xì)胞：約700萬個(gè)，主要分布在黃斑中心凹區(qū)域，該區(qū)域每個(gè)錐狀細(xì)胞有獨(dú)立的視神經(jīng)聯(lián)系；視網(wǎng)膜邊緣分布很少，且成簇地與視神經(jīng)聯(lián)系。——高分辨力和顏色分辨能力。桿狀細(xì)胞：中心凹處完全沒有分布，且沒有獨(dú)立的視神經(jīng)聯(lián)系，總是合成一簇（多達(dá)500條一簇）；視網(wǎng)膜邊緣幾乎全是桿狀細(xì)胞?！哽`敏度，無顏色分辨能力。人眼的構(gòu)造人眼的視覺特性視覺的適應(yīng)——在視場亮度范圍突然發(fā)生變化時(shí)，人眼要穩(wěn)定到突變后的正常視覺狀態(tài)所需要經(jīng)歷一段時(shí)間，成為“適應(yīng)”。主要包括“明暗適應(yīng)”和“色彩適應(yīng)”兩種。明視覺——錐狀細(xì)胞起作用暗視覺——桿狀細(xì)胞起作用，無顏色分辨能力3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗視覺明視覺中介視覺絕對(duì)視覺閾全黑視場下，人眼感覺到的最小光刺激值，約10－9lx量級(jí)（相當(dāng)于六等星的亮度）。在有一定背景亮度Lb條件下，人眼會(huì)對(duì)某些明顯高出該背景的亮度感到眩目，故眩目亮度與像場亮度相關(guān)，與絕對(duì)亮度無關(guān)。閾值對(duì)比度：時(shí)間不限，使用雙眼探測一個(gè)亮度大于背景亮度的圓盤，察覺概率為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：光譜靈敏度（光譜光視效率）：人眼對(duì)各種不同波長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，人眼視覺對(duì)波長0.555μm左右的綠光最敏感；在較暗條件下，人眼視覺對(duì)波長0.512μm左右的黃綠光最敏感；明視覺暗視覺人眼的分辨力：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。10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx人眼的閾值信噪比：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。人眼觀察物體的要求靈敏度：以量子閾值表示時(shí)，最小可探測的視覺刺激是58~145個(gè)藍(lán)綠光(波長為0.51

m)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：白天最高0.7′；夜間最低17′。對(duì)比度：圖案不同，對(duì)比度的要求也不同（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）1.4光電成像的特性光電轉(zhuǎn)換特性光電轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換系數(shù)(增益)G：評(píng)價(jià)直視型光電成像器件的輸入量與輸出量的依存關(guān)系的重要參數(shù)－－光電成像器件在法線方向輸出的亮度L與輸入的輻照度E的比值。光電轉(zhuǎn)換特性光電靈敏度(響應(yīng)率)：評(píng)價(jià)電視型光電成像器件的輸入量與輸出量的依存關(guān)系的重要參數(shù)－電視型成像器件輸出的信號(hào)值與光敏面的有效面積上輸入的輻照通量(功率)的比值?！逯挡ㄩL，截止波長(長波限)時(shí)間響應(yīng)特性時(shí)間響應(yīng)特性惰性：產(chǎn)生時(shí)間相應(yīng)的滯后余輝：對(duì)直視型成像器件而言，當(dāng)入射輻射瞬間截止時(shí)，熒光屏的發(fā)光下降過程滯后產(chǎn)生余輝。余輝的時(shí)間常數(shù)表示為惰性。三場惰性：工程上，取輸入照度截止后，電視攝像器件的第三場輸出信號(hào)的相對(duì)值為惰性指標(biāo)。時(shí)間常數(shù)(弛豫時(shí)間)：如果輸入輻射瞬間截止，其輸出的信號(hào)衰減函數(shù)為B(t)時(shí)，則惰性的時(shí)間常數(shù)定義為：當(dāng)惰性的衰減函數(shù)呈負(fù)指數(shù)時(shí)，即可求出這一惰性的時(shí)間常數(shù)為：時(shí)間響應(yīng)特性研究時(shí)間下降過程的滯后脈沖響應(yīng)函數(shù)：當(dāng)光電成像器件的入射輻射為脈沖函數(shù)(如采用ns或ps的窄激光脈沖照明時(shí))，得到的輸出信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，取其歸一化的函數(shù)為脈沖響應(yīng)函數(shù)。瞬時(shí)調(diào)制傳遞函數(shù)：光電成像系統(tǒng)所輸出的歸一化時(shí)間頻譜函數(shù)與理想輸出(無惰性)的歸一化時(shí)間頻譜函數(shù)的比。－－描述光電成像在頻率域的時(shí)間響應(yīng)特性，如P(t)為輸出的時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，則光電成像器件的瞬時(shí)調(diào)制傳遞函數(shù)就等于歸一化的脈沖響應(yīng)頻譜函數(shù)，即脈沖響應(yīng)函數(shù)與瞬時(shí)調(diào)制傳遞函數(shù)式一對(duì)傅氏變換對(duì)。噪聲特性噪聲特性——各種噪聲來源與信噪比散粒噪聲：具有泊松分布的量子漲落噪聲。起因：帶電粒子的量子性－－帶電粒子發(fā)射或穿越勢(shì)壘時(shí)，每一瞬間數(shù)量不恒定。(白噪聲－噪聲的功率譜密度與頻率無關(guān))光電發(fā)射量子噪聲、掃描電子束熱發(fā)射量子噪聲、載流子穿越勢(shì)壘的量子噪聲。產(chǎn)生復(fù)合噪聲：半導(dǎo)體成像器件中，光敏面在穩(wěn)定的入射激發(fā)條件下，每瞬間產(chǎn)生的載流子數(shù)目不一定，同時(shí)，載流子的復(fù)合及被俘獲的過程也是隨機(jī)的，只有在很長時(shí)間內(nèi)累計(jì)的平均值是確定的。噪聲特性——各種噪聲來源與信噪比溫度噪聲：熱效應(yīng)的成像器件中，因溫度的隨機(jī)漲落而形成的噪聲。起因：熱交換具有量子性，即穩(wěn)定條件下，每瞬間交換的輻射量子數(shù)不是確定值。(在低頻域?yàn)榘自肼?。熱噪聲：又稱約翰遜噪聲，是導(dǎo)電體內(nèi)電子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所形成的瞬間電流。－－光電導(dǎo)與電阻性元件都產(chǎn)生熱噪聲。(白噪聲)低頻噪聲（1/f噪聲或稱電流噪聲）：機(jī)理不明，其等效電流值近似與頻率倒數(shù)成正比。噪聲特性——各種噪聲來源與信噪比介質(zhì)損耗噪聲：熱電體(電介質(zhì)材料)是通過電偶極子的極化過程來產(chǎn)生電信號(hào)的，該極化過程的弛豫現(xiàn)象，使流過的交流電消耗能量，因而在熱電體中產(chǎn)生噪聲。電荷耦合器件（CCD）的轉(zhuǎn)移噪聲：電荷包轉(zhuǎn)移過程中要產(chǎn)生轉(zhuǎn)移損失和界面態(tài)俘獲損失，這兩項(xiàng)損失構(gòu)成的。噪聲特性——各種噪聲來源與信噪比信噪比S/N：信號(hào)與噪聲的比值。直視型成像器件：全部噪聲反映在輸出像點(diǎn)的閃爍上，信號(hào)是輸出像點(diǎn)的平均亮度值?？赏ㄟ^測量輸出像點(diǎn)的平均亮度與閃爍值獲得信噪比。國際上規(guī)定的測試條件：取像點(diǎn)的直徑為0.2mm，輸入照度1.24×10-5lx，測試系統(tǒng)(含被測器件)的等效通頻帶寬為10Hz。如果所用的像點(diǎn)面積為A，輸入照度為E，通頻帶寬為Δf時(shí)，其計(jì)算信噪比的公式為：噪聲特性——各種噪聲來源與信噪比信噪比S/N：信號(hào)與噪聲的比值。電視型成像器件：視頻信噪比：通常用前置放大器輸出端的視頻信號(hào)與噪聲之比來表示。這是因?yàn)榍爸梅糯笃骶哂休^大的功率增益，可略去后繼的各級(jí)放大器噪聲。顯示信噪比：取人眼的時(shí)間常數(shù)為有效積分時(shí)間的信噪比值。由于人眼視覺的有效積分時(shí)間為0.02s，剛好等于電視的場頻周期，遠(yuǎn)大于掃描像元的時(shí)間，故顯示信噪比遠(yuǎn)大于視頻信噪比。噪聲特性——噪聲等效功率與探測率噪聲等效功率NEP：當(dāng)紅外輻射被探測器接收時(shí)，由該輻射功率產(chǎn)生的輸出信號(hào)均方根值正好等于探測器本身的噪聲均方根值。－－表示紅外探測器最小可探測的功率值。它是溫度、輻射的調(diào)制頻率和測量帶寬的函數(shù)。噪聲特性——噪聲等效功率與探測率探測率D：噪聲等效功率的倒數(shù)。比探測率（歸一化探測率）D*：為便于比較不同情況下探測器的性能，排除探測器面積、測量帶寬的因素，而規(guī)定的。圖像分辨特性光電成像器件的圖像分辨特性光電成像過程中由于種種原因而產(chǎn)生像差，造成輸出圖像的亮度分布不能準(zhǔn)確再現(xiàn)輸入圖像的亮度分布，定量描述這種圖像失真程度的性能指標(biāo)如下：分辨力：以人眼作為接收器所判定的極限分辨能力。通常用光電成像系統(tǒng)在一定距離內(nèi)能夠分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示。對(duì)直視型成像器件：取輸入像面上每毫米能分辨的等寬黑白條紋數(shù)(lp/mm)。光電成像器件的圖像分辨特性分辨力：以人眼作為接收器所判定的極限分辨能力。通常用光電成像系統(tǒng)在一定距離內(nèi)能夠分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示。對(duì)電視型成像器件：取掃描線方向相對(duì)于幀高的距離內(nèi)所能分辨的等寬黑白條紋數(shù)表示分辨力。簡稱：電視線(TVL)；也可用視頻帶寬ΔfV表示。

如電視線為n，電視幅面寬高比為α，行掃描頻率fh，視頻帶寬為：光電成像器件的圖像分辨特性

點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)：設(shè)光電成像系統(tǒng)的輸入圖像分布函數(shù)為g(x,y)，輸出圖像分布函數(shù)為h(ξ,ζ)，當(dāng)光電成像系統(tǒng)滿足線性及時(shí)間、空間不變性的成像條件時(shí)，可以建立如下關(guān)系：上式中p(ξ,ζ)為光電成像的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。它是由輸入δ(x,y)函數(shù)分布的圖像所得到的輸出圖像分布函數(shù)。表示只有在坐標(biāo)原點(diǎn)有一個(gè)單位的輸入光，而其他處為零的集合點(diǎn)圖像。上式說明：光電成像的輸出圖像分布函數(shù)可以由它的輸入圖像分布函數(shù)與點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)卷積來確定，故點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以完全定量地描述光電成像的成像特性。光電成像器件的圖像分辨特性

光學(xué)傳遞函數(shù)：設(shè)光電成像系統(tǒng)的輸入圖像分布函數(shù)為g(x,y)，輸出圖像分布函數(shù)為h(ξ,ζ)，當(dāng)光電成像系統(tǒng)滿足線性及時(shí)間、空間不變性的成像條件時(shí)，可以將它的輸入輸出圖像分布變換成頻譜函數(shù)來進(jìn)行分析。它們的傅里葉變換即頻譜函數(shù)可表示為：可以建立成像關(guān)系：光電成像器件的圖像分辨特性

光學(xué)傳遞函數(shù)：這里的O(fx,fy)為光電成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)OTF，即輸出圖像頻譜與輸入圖像頻譜之比。顯然它是點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的傅里葉變換。該函數(shù)是復(fù)函數(shù)，可以寫成調(diào)制傳遞函數(shù)MTF與相位傳遞函數(shù)PTF的乘積。光學(xué)傳遞函數(shù)不僅可以描述單一成像過程的成像特性，而且可以用來分析多環(huán)節(jié)線性串聯(lián)的光電成像系統(tǒng)的特性。光電成像器件的圖像分辨特性

光學(xué)傳遞函數(shù)：1.5基于人眼信噪比的圖像探測理論與圖像探測方程圖像及圖像探測靈敏度什么是圖像什么是圖像>>逐步提高dpi>>什么是圖像>>逐步提高dpi>>什么是圖像>>逐步提高dpi>>圖像是由不同亮暗（灰度）的點(diǎn)（像素）排列而成的點(diǎn)陣，視頻圖像利用人眼的視覺暫留特性逐行逐列逐像素地進(jìn)行顯示表示圖像細(xì)膩程度的單位記為dpi（每英寸像素?cái)?shù)），dpi越高說明顯示的圖像細(xì)節(jié)越豐富（水平/垂直分辨率）圖像的信噪比圖像信號(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。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：圖像信號(hào)與圖像噪聲圖像信噪比：

只有圖像信噪比的值大于閾值信噪比，信號(hào)才可以被探測到，閾值信噪比由實(shí)驗(yàn)獲得。理想條件下的光電成像系統(tǒng)圖像探測方程理論分析表明：光電成像存在著圖像探測的極限值，這一極限稱為圖像探測靈敏閾。

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。理想條件下光電成像的圖像探測方程圖像探測方程推導(dǎo)的物理模型黑白兩個(gè)方塊構(gòu)成一個(gè)景物細(xì)節(jié)在距離景物l處有一個(gè)光電成像系統(tǒng)景物細(xì)節(jié)相對(duì)于光電成