1、第二章 人眼的視覺特性 與圖像探測(cè),2.1 人眼的視覺特性與模型 2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)方程 2.3 目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別,第二章 人眼的視覺特性與圖像探測(cè),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,2.1 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： 由角膜、虹膜、晶狀體、睫狀體和玻璃體組成的光學(xué)系統(tǒng)； 作為敏感和信號(hào)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； 作為信號(hào)傳輸和顯示系統(tǒng)的視神經(jīng)與大腦。,下一頁,上一頁,返回,2.1 人眼的視覺特性與模型,返回,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

2、頁,2.1 人眼的視覺特性與模型,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(dòng)，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(duì)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2.1,返回,2.

3、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(duì)視覺閾 3 人眼的閾值對(duì)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2.1,2.1.2 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(jí))的范圍內(nèi)適應(yīng)視場(chǎng)亮度。隨著外界視場(chǎng)亮度的變化，人眼視覺響應(yīng)可分為三類。 明視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)大于或等于3cd/m2的視場(chǎng)亮度后，視覺由錐狀細(xì)胞起作用。 暗視覺響應(yīng)：當(dāng)人眼適應(yīng)小于或等于 310-5cd/m2視場(chǎng)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。 中

4、介視覺響應(yīng)：隨著視場(chǎng)亮度從3cd/m2降至310-5cd/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,2.1.2 人眼的視覺特性,2.人眼的絕對(duì)視覺閾 在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場(chǎng)中，人眼感覺到的最小光刺激值，稱為人眼的絕對(duì)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(duì)視覺閾值在10-9lx數(shù)量級(jí)。以量子閾值表示時(shí)，最小可探測(cè)的視覺刺激是58145個(gè)藍(lán)綠光。對(duì)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8.510-9lx。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用“人工星點(diǎn)”測(cè)定的視覺閾值要小些，為2.4410-9lx。,下一頁,上一頁,2.

5、1.2 人眼的視覺特性,3.人眼的閾值對(duì)比度 人眼的視覺探測(cè)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(duì)比度C來表示： 在給定的視場(chǎng)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(duì)比度，稱為人眼的閾值對(duì)比度。,下一頁,上一頁,2.1.2 人眼的視覺特性,4. 人眼的光譜靈敏度 人眼對(duì)各種不同波長(zhǎng)的輻射光有不同的靈敏度，并且不同人的眼睛對(duì)各波長(zhǎng)的靈敏度也常有差異。 對(duì)大量具有正常視力的觀察者所做的實(shí)驗(yàn)表明： 在較明亮的環(huán)境中，人眼視覺對(duì)波長(zhǎng)0.555m左右的綠色光最敏感； 在較暗條件下，人眼對(duì)波長(zhǎng)0.512m的光最敏感。,下一頁,上一頁,返回,2.1.2 人眼的視

6、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，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(hào)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,人眼(右眼)的分辨力與視角的關(guān)系,返回,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(cè)的極限，稱為圖像探測(cè)靈敏閾。 景物細(xì)節(jié)能否被光電成像系統(tǒng)所探測(cè)到，與下述三項(xiàng)因素有關(guān)： 景物細(xì)節(jié)的輻射亮度(或單位面積的輻射強(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

7、背景之間的輻射對(duì)比度。,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)方程,返回第二章,下一頁,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)方程,光電成像系統(tǒng)剛好能探測(cè)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(cè)到圖像細(xì)節(jié)的最小張角與最低輻射亮度兩者關(guān)系曲線來表示。這一曲線是在選定某一確定的輻射對(duì)比度情況下測(cè)定的，選定各種不同的輻射對(duì)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(cè)靈敏度，稱之為圖像探測(cè)特性曲線，其解析表達(dá)式稱為圖像探測(cè)方程。,上一頁,下一頁,2.2.1 圖像的信噪比 2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程 2.2.3 圖象探測(cè)方程的其他表達(dá)方式,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)方程

8、,上一頁,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)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(hào)。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,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)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(hào)，其圖像信號(hào)值可表示為,上一頁,下一頁,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)方程,輻射的量子噪聲

9、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：,2.2 圖像探測(cè)理論與圖像探測(cè)方程,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程 1 光電成像所輸出的圖像信號(hào)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(cè)方程 5 圖像探測(cè)靈敏閾,下一頁,返回,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程,1光電成像所輸出的圖像信號(hào)表達(dá)式 取被探測(cè)的圖

10、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(zhǎng)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,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)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(hào)S為：,上一頁,下一頁,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)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,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)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(hào)與噪聲的表達(dá)式，可得到輸出圖像信噪比為,下一頁,上

11、一頁,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程,光學(xué)中常采用對(duì)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,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程,4 光電成像的圖像探測(cè)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(cè)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(cè)到，反之將不能探測(cè)。,下一頁,上一頁,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)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(duì)比度C；圖像的視角。第二類參數(shù)是表征光電成像系統(tǒng)的參數(shù)，包括：光電

12、成像系統(tǒng)的接收孔徑D2r；光電成像的光電轉(zhuǎn)換量子效率；光電成像的有效積分時(shí)間。 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,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程,這一關(guān)系式定量描述了圖像探測(cè)特性。它表明了由關(guān)系式左邊的參量Bm、C所描述的圖像細(xì)節(jié)可以被關(guān)系式右邊的參量D、所確定的理想光電成像系統(tǒng)探測(cè)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(cè)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(cè)方程(夏根（P.Schagen）方程)。,上一頁,下一頁,2.2.2 光電成像系統(tǒng)的圖像探測(cè)方程,5 圖像探測(cè)靈敏閾 理論極限值是由理想條件下的圖像探測(cè)方程來確定。所能探測(cè)的極限值就是光電成像對(duì)視見靈敏閾擴(kuò)展的極限。這一極