第二章 人眼的视觉特性与图像探测课件

* 光电成像原理 1 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 * 光电成像原理 2 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 各种光电成像系统或器件都是人类用以改 善和扩展视觉性能的辅助工具，人类的眼睛借 助这些辅助工具获得人眼不能直接得到的图像 信息。 * 光电成像原理 3 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.1 人眼的视觉特性与模型 1. 人眼的构造 * 光电成像原理 4 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 人眼的主要组成部分：由角膜、虹膜、晶状体、睫 状体和玻璃体组成的光学系统；构成人眼视觉关键 部分的视网膜敏感和信号处理部分，带有盲点和黄 斑；信号传输和显示系统的视神经和大脑。 复杂多层网格结构的视网膜：与玻璃体相接触的 部分，是神经细胞层，神经的末端是神经细胞(细胞 元)。 光线经光学系统进入视网膜，视网膜中的感光细 胞吸收光并发生化学分解作用引起视觉刺激，视觉刺 激以电信号形式传输至大脑产生视觉。 * 光电成像原理 5 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 视网膜的神经细胞：锥状细胞，具有高分辨力 和颜色分辨能力；杆状细胞：视觉灵敏度比锥状细 胞高几千倍，但不能分辨颜色。 盲点和黄斑：盲点部分没有感光细胞，是不感 光的盲区；黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，具有 最高的视觉分辨力。 2. 人眼的视觉特性 (a) 视觉的适应 人眼视觉响应随着外界视场亮度的变化可分三类 : * 光电成像原理 6 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 明视觉响应：人眼适应大于或等于3cd/m2的视场亮 度时，视觉由锥状细胞起作用。 暗视觉响应：人眼适应小于或等于310-5cd/m2的视 场亮度时，视觉由杆状细胞起作用。（夜间的灰白） 中介视觉响应：视场亮度介于明、暗视觉响应之间时 ,视觉响应逐渐由锥状细胞转向杆状细胞起作用。 当视场亮度发生突变时，人眼的适应主要包括明 暗适应和色彩适应。 * 光电成像原理 7 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 适应过程的调节分两方面：人眼的明暗视觉适 应：在28mm之间自动调节瞳孔的大小，改变进入 人眼的光通量。 A: 亮适应：对视场亮度由暗突然到 亮的适应，大约需要23min；B: 暗适应：对视场亮 度由亮突然到暗的适应，大约需要45min。 人眼 的色彩适应：视细胞感光机制的适应，由视细胞中的 视紫红质色素在光的刺激下完成。由于视紫红质色素 的产生与消失，达到新的平衡所需要的时间延迟就是 色彩适应。 * 光电成像原理 8 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (b) 人眼的绝对视觉阈 所谓人眼的绝对视觉阈，是在充分暗适应的状态 下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值(用照 度表示，单位lx)，在10-9数量级。 在一定背景亮度Lb的条件下(10-91cd/m2)，人 眼能观察到的最小照度Emin约 当Lb16.4cd/m2后产生炫目现象，绝对视觉阈值也 迅速提高。炫目亮度L0与像场亮度L的数值关系为： 到最后页 * 光电成像原理 9 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (c) 人眼的阈值对比度 阈值对比度是指在一定背景下把目标鉴别出来所 必须的目标在背景中的衬度(对比度C)。 目标在背景中的衬度用对比度C表示： C的倒数成为反衬灵敏度。 Wald定律：背景亮度Lb、对比度C和人眼所能探测 目标的张角之间具有的关系式 对于小目标 7，则x=2，得到Rose定律： 到最后页 * 光电成像原理 10 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 人眼的视觉特性与视场亮度、目标对比度和目标 大小有关。 (d) 人眼的光谱灵敏度 人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度响应，不 同人的眼睛，对波长灵敏度响应也有差异。 在可见光区域内， 任意波长与555 nm波 长处的辐射功率之比 称为光谱灵敏度，其 构成的曲线就称为光 谱响应曲线。 512 555 /nm 暗视觉 明视觉 到最后页 * 光电成像原理 11 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (e) 人眼的分辨力 眼睛的分辨力（视力）：人眼极限分辨角的倒数称 为人眼的分辨力，是人眼能区分亮发光点的最小角 距离。 影响眼睛分辨力的因素：内因：与眼睛的构造有关； 外因：决定于目标的亮度与对比度；人眼会随外界条 件(背景亮度、对比度)的不同自动进行适应，从而有 不同的极限分辨角。表2-3。照度变化对分辨力也有 很大影响，不同照度下其分辨角也不一样。 实际工作中，人眼的分辨角可按经验公式估算： 到最后页 * 光电成像原理 12 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (f) 视觉系统的调制传递函数MTF 视觉系统的MTF由眼球光学系统、视网膜等各部分 是MTF的乘积构成，图2-9。 人眼的分辨力表征了眼睛分辨两点或两线的能力，但 是没有普遍性，有局限。引进光学调制传递函数来表 征人眼图像传递和复现的性能。 MTF评价视觉特性的优点：MTF曲线可推断由单纯 视力测定难以了解的视觉功能；对视网膜、信息处理 系统的特性做统一的数学处理；按MTF推断各种图 像的像质特性、知觉特性；用激光干涉技术，把眼球 的成像系统和大脑处理系统加以分离并作出评价。 * 光电成像原理 13 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 视觉系统MTF的模型：高斯型、指数型、Barten模 型和复合视觉模型。P37-39 2.2 图像探测理论与图像探测方程 光电成像突破了人眼的时间灵敏阈限制，由光电 变换将输入的弱光图像加以增强，并输出强光图像， 以便于人眼观察。 光电成像的增强作用是否不受任何限制？ * 光电成像原理 14 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 图像探测灵敏阈：光电成像系统的图像探测极限。 影响图像探测极限的因素：景物细节的辐射亮度或 单位面积的辐射强度；景物细节对光电成像系统接 收孔径的张角；景物细节与背景之间的辐射对比度 。 通常用探测到图像细节的最小张角与最低辐射亮 度两者关系曲线表示图像探测极限。 选定各种不同的、确定的辐射对比度测定上述曲 线图像探测特性曲线，该曲线定量地表明了光电成 像系统的图像探测灵敏度，图像探测曲线的解析表达 式称为图像探测方程。 * 光电成像原理 15 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.2 一、 图像的信噪比 图像的亮暗反映了图像上相邻两个像元辐射的量 子数不一样(即图像细节)，量子数的不一样最终构成 了图像信号，图像的信号值 图像的噪声值 图像的信噪比 * 光电成像原理 16 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.2 二、 光电成像系统的图像探测方程 1 光电成像输出的图像信号表达式 式中，r是系统接收孔径的半径，是光电转换的量子 效率，是有效积分时间，是像元边长对系统的张 角，Q是每lm光通量在每秒所通过的光子数。 2 光电成像输出的图像噪声表达式 * 光电成像原理 17 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 3 光电成像输出的图像信噪比 引入光学中的对比度C和平均亮度Bm，有 * 光电成像原理 18 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 4 光电成像的图像探测方程 当满足上式时，图像可以被探测到。该表达式包含两 类参数：表征图像：图像的平均亮度Bm，图像的 对比度C，图像的视角；表征光电成像系统：光 电成像系统的接收孔径D，光电成像的光电转换量子 效率，光电成像的有效积分时间。 上式定量的描述了图像探测特性， Bm 、 、 C决定的 图像细节可以被D、确定的光电成像系统探测到。 * 光电成像原理 19 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 5 图像探测灵敏阈 图像探测方程的极限值对应图像探测灵敏阈。由 该方程可以得到系统的图像探测特性，图2-10。 *图像探测方程只考虑了光电成像的光电转换量子噪 声，忽略了其他噪声和像差，对应的图像探测灵敏阈 只是量子极限。 * 光电成像原理 20 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.2 三、 图像探测方程的其他表示形式 一般的图像探测方程 Bm-图像亮度, -景物细节对人眼的张角, C-图像对比度 D-光电成像系统的接收孔径, -成像的有效积分时间 -成像的光电转换 量子效率, Q-每流明光通量在每秒所通过的光子数(对白光约为1.31016lm-1S-1) S/N-图像信噪比 * 其他常见的图像探测方程有： 罗斯(A. Rose)方程，式(2-43); B-图像亮度, -景物细节对人眼的张角, C-图像对比度 D-光电成像系统的接收孔径, -成像的有效积分时间 -成像的光电转换 量子效率, 无 Q-每流明光通量在每秒所通过的光子数(对白光约为1.31016lm-1S-1) ,但 对应的张角单位为分 S/N-图像信噪比 到最后页 戴维斯(H. L. Devrice)方程，式(2-44); B-图像亮度, -景物细节对人眼的张角, C-图像对比度 D-光电成像系统的接收孔径, -成像的有效积分时间 -成像的光电转换 量子效率, Q-每流明光通量在每秒所通过的光子数(对白光约为1.31016lm-1S-1) ,但对应 的张角单位为分 S/N-图像信噪比 23 考特曼(J. H. Coltoman)方程，式(2-45); 怕赛普(E. C. Pathep)方程，式(2-46); 理查德(E. A. Richards)方程，式(2-47)。 略 * 光电成像原理 24 2.3 目标的探测与识别 2.3 一、 目标搜索的一般原理 人眼在搜索目标像时，眼睛的连续响应可分为探 测(发现)、定向、识别和辨别四个等级(探测水平)。 每个等级的定义见表2-6. 探测 视场内发现目标 分辨力1.0左右 定向 可大致区分目标是否对称及方位 1.4 识别 可将目标分类 分辨力4.0 辨别 区分型号及其他特征 6.4 到最后页 * 光电成像原理 25 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 如果每一项搜索任务都是相互独立的，即：某一 搜索任务的发生不影响下一个搜索任务发生的概率， 则搜索概率可表示为各独立任务(事件)的概率乘积： Iden辨别、Rec识别,Clas分类,Det探测等搜索 等级的意义见表2-7。一般情况，建立目标探测-识别 模型都是以彼此独立的几个因素来分析研究。 * 光电成像原理 26 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.3 二、 约翰逊准则（探测水平） 约翰逊准则：用等效条带图案的可分辨力来预测 、评价目标的探测和识别，并且各探测水平所需的条 带周期数有确定值。表2-6. 等效条带图案：一组黑白间隔相等的条带状图案 ，其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸，条带 长度为垂直于临界尺寸方向的横跨目标尺寸。 可分辨力：目标临界尺寸中所包含的可分辨条带 数，用“周/临界尺寸”表示。 光电成像原理 27 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.3 三、 目标探测识别模型 搜索目标像的过程：在一个完全确定的面积上 谨慎地搜索；根据所搜索目标与周围景物的亮度对 比进行对比度探测；根据对比度形成的外形轮廓进 行识别；显示图像伴随的噪声将干扰搜索中各过程 的实施。 上述搜索过程的条件：假定短时内搜索复杂视场 中的目标是已知的或者是提示过的且熟悉目标，目标 在视场中确实存在；不考虑监视某一目标在市场中 的出现或对目标结构完全无知的情况。 * 光电成像原理 28 * Rand探测识别模型(Rand模型): 其中，PR是显示器上目标的识别概率，P1是搜索一 个确定的包含有目标的面积时，扫视到目标的概率； P2是扫视到的目标被探测的概率，称为对比度探测； P3是探测到的目标被识别的概率；是总的噪声引起 的衰减因子。 到下一解 释页 * 光电成像原理 29 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 P1项： 1. 人眼目视搜索时的运动 目标探测识别模型不考虑对比度很高或者尺寸 很大的目标（极易探测）。利用视网膜中心凹对不易 发现的目标进行系统、周密地搜索。 凝视：固定的对某一点进行注视称为凝视；人眼 注视一点后迅速地移到另一点进行注视，该过程称为 扫视。 凝视中心：被凝视的点称为凝视中心。 到最后页 * 光电成像原理 30 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 瞥见时间：对某个固定的点进行凝视的时间称为 瞥见时间。通常，人眼的瞥见时间为1/3s。 瞥见孔径：瞥见存在的有效扫描孔径称为瞥见孔 径，对应的面积为Ag。人眼自动地根据目标特性(表 观尺寸、对比度)和周围景物的性质（结构复杂性、 密集程度）调整凝视中心之间的距离，凝视中心也随 着目标和场景特点变化。 到最后页 * 光电成像原理 31 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 瞥见孔径与目标特性和景物性质的关系： 其中，AT是目标的面积，k是与景物密集程度有关的 参数，在10100之间取值，或者是1001000(少)。 2. P1项的表达式 式中，K是常数，As是搜索面积，t是搜索时间。 * 光电成像原理 32 引入密集因子G(110取值)，根据景物密集程度 选择，K=K0/G，K0 (取值100)是标称值，则： AT为目标面积, As为瞥见孔径,但实际选择密集因子G存在 困难. * 光电成像原理 33 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 P2项： 对比度探测：当目标对相邻背景的对比度大于阈 值对比度时，目标就有被探测到的可能，因此概率P2 涉及到人眼视觉系统的对比度探测过程。 式中，标准偏差=0.39，C是人眼可利用的实际观察 对比度(显示器上的显示对比度)，