第二章--人眼的视觉特性

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§2.2图像探测理论与图像探测方程§2.3目标的探测与识别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2.1.1人眼的构造2.1.2人眼的视觉特性返回第二章§2.1人眼的视觉特性与模型2.1.1人眼的构造1.人眼的构造：①由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统；②作为敏感和信号处理部分的带有盲点和黄斑的视网膜，是构成人眼视觉的关键部分；③作为信号传输和显示系统的视神经与大脑。下一页上一页返回§2.1人眼的视觉特性与模型返回视网膜是结构复杂的多层网格结构:下一页上一页§2.1人眼的视觉特性与模型§2.1人眼的视觉特性与模型视网膜中有锥状细胞和杆状细胞两类含有光敏物质的感光细胞。在视神经进入眼内腔的盲斑部分，既无锥状细胞，也无杆状细胞，是不感光的盲区。在黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，是具有最高的视觉分辨力的区域。从黄斑向视网膜边缘移动，锥状细胞和杆状细胞混合在一起，杆状细胞比锥状细胞小得多，而且没有独立地与视神经联系，而是合成一簇(多数达500条一簇)，这对于产生高灵敏视觉至关重要。到视网膜边缘就几乎全是杆状细胞了。锥状细胞具有高分辨力和颜色分辨能力；杆状细胞的视觉灵敏度比锥状细胞高数千倍，但不能辨别颜色。上一页返回2.1返回§2.1人眼的视觉特性与模型2.1.2人眼的视觉特性1视觉的适应2人眼的绝对视觉阈3人眼的阈值对比度4人眼的光谱灵敏度5人眼的分辨力6视觉系统的调制传递函数(MTF)下一页返回2.12.1.2人眼的视觉特性1.视觉的适应人眼能在一个相当大(约10个数量级)的范围内适应视场亮度。随着外界视场亮度的变化，人眼视觉响应可分为三类。①明视觉响应：当人眼适应大于或等于3cd/m2的视场亮度后，视觉由锥状细胞起作用。②暗视觉响应：当人眼适应小于或等于3×10-5cd/m2视场亮度之后，视觉只由杆状细胞起作用。由于杆状细胞没有颜色分辨能力，故夜间人眼观察景物呈灰白色。③中介视觉响应：随着视场亮度从3cd/m2降至3×10-5cd/m2，人眼逐渐由锥状细胞的明视觉响应转向杆状细胞的暗视觉响应。下一页上一页2.1.2人眼的视觉特性2.人眼的绝对视觉阈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，称为人眼的绝对视觉阈。以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示时，人眼的绝对视觉阈值在10-9lx数量级。以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58～145个蓝绿光。对于点光源，天文学家认为正常视力的眼睛能看到六等星，六等星在眼睛上形成的照度近似为8.5×10-9lx。在实验室内用“人工星点”测定的视觉阈值要小些，为2.44×10-9lx。下一页上一页2.1.2人眼的视觉特性3.人眼的阈值对比度人眼的视觉探测都是在一定背景中把目标鉴别出来。目标在背景中的衬度以对比度C来表示：在给定的视场亮度，给定的目标大小等条件下，人眼能够将目标从背景中分辨出来的最小对比度，称为人眼的阈值对比度。下一页上一页bbtLLLC2.1.2人眼的视觉特性4.人眼的光谱灵敏度人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度，并且不同人的眼睛对各波长的灵敏度也常有差异。对大量具有正常视力的观察者所做的实验表明：①在较明亮的环境中，人眼视觉对波长0.555μm左右的绿色光最敏感；②在较暗条件下，人眼对波长0.512μm的光最敏感。下一页上一页返回2.1.2人眼的视觉特性5.人眼的分辨力人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角θ，其倒数则为眼睛的分辨力。集中于人眼视网膜中央凹的锥状细胞具有较小的直径，并且每一个圆锥细胞都具有单独向大脑传递信号的能力。杆状细胞的分布密度较稀，并且是成群地联系于公共神经的末梢，所以人眼中央凹处的分辨本领比视网膜边缘处高。下一页上一页人眼(右眼)的分辨力与视角的关系返回光电成像可突破人眼视见灵敏阈的限制。光电成像存在着图像探测的极限，称为图像探测灵敏阈。景物细节能否被光电成像系统所探测到，与下述三项因素有关：①景物细节的辐射亮度(或单位面积的辐射强度)；②景物细节对光电成像系统接收孔径的张角；③景物细节与背景之间的辐射对比度。§2.2图像探测理论与图像探测方程返回第二章下一页§2.2图像探测理论与图像探测方程光电成像系统刚好能探测到景物细节的上述三项指标表示其极限性能。通常是用可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来表示。这一曲线是在选定某一确定的辐射对比度情况下测定的，选定各种不同的辐射对比度可得到一族曲线，这族曲线定量地表明了该光电成像系统的图像探测灵敏度，称之为图像探测特性曲线，其解析表达式称为图像探测方程。上一页下一页2.2.1图像的信噪比2.2.2光电成像系统的图像探测方程2.2.3图象探测方程的其他表达方式§2.2图像探测理论与图像探测方程上一页§2.2图像探测理论与图像探测方程2.2.1图像的信噪比图像是以辐射量子分布再现的景物。辐射量子数的差异表示出图像的亮暗，其构成了图像信号。同时由于辐射量子在数量上有随机涨落，所以该量子数的起伏又构成了图像噪声。上一页返回下一页§2.2图像探测理论与图像探测方程两个相邻的像元具有不同的辐射亮度构成一个图像细节。设光电成像系统在有效积分时间内接收到来自两个像元的辐射量子数分别为n1和n2，此时光电成像系统能否分辨出这两个像元，取决于n1与n2的差异，这一差异代表了图像细节的信号，其图像信号值可表示为上一页21nnS下一页§2.2图像探测理论与图像探测方程辐射的量子噪声可近似表示为：nnD)(上一页下一页其差值的涨落方差可表示为D(n1-n2)=D(n1)-2cov(n1,n2)+D(n2)式中，cov(n1，n2)是n1和n2的协方差。由于亮暗两个像元的辐射量子数彼此不相关，所以协方差为零。因此，图像噪声值可表示为：图像信噪比为：2121)()(nnnDnDN2121nnnnNS§2.2图像探测理论与图像探测方程2.2.2光电成像系统的图像探测方程1光电成像所输出的图像信号表达式2光电成像所输出的图像噪声表达式3光电成像的输出图像信噪比4光电成像的图像探测方程5图像探测灵敏阈下一页返回2.2.2光电成像系统的图像探测方程1光电成像所输出的图像信号表达式取被探测的图像细节为相邻的两个有亮暗差异的像元。每一像元是边长为h的正方形，其亮度分别为B1和B2,且B1＞B2。在亮像元上的亮度B1可表示为cos21dsddB上一页下一页2.2.2光电成像系统的图像探测方程光电成像系统在有效积分时间内接受亮像元的平均光子数为：同理，光电成像系统在有效积分时间内接受亮暗像元的平均光子数为：光电成像所获得的输出图像信号S为：QrBQLhrBQhBn2212212211)(sin上一页下一页QrBn2222QrBBnnS222121)(2.2.2光电成像系统的图像探测方程2光电成像所输出的图像噪声表达式QrBBnnN222121)(上一页下一页2.2.2光电成像系统的图像探测方程3光电成像的输出图像信噪比由光电成像的输出图像信号与噪声的表达式，可得到输出图像信噪比为下一页)()(212221BBQrBBNS上一页2.2.2光电成像系统的图像探测方程光学中常采用对比度C和平均亮度Bm来表示输入图像。它们的定义分别为可以得到信噪比为：下一页)(21,212121BBBBBBBCm上一页2222QCrBNSm2.2.2光电成像系统的图像探测方程4光电成像的图像探测方程如果信噪比大于接收器(通常是人眼)所需的阈值信噪比(S/N)min时，表明理想的光电成像可探测到这一图像。故可写出关系式当以上关系式成立时，表明图像可探测到，反之将不能探测。下一页min222)(2NSQCrBm上一页2.2.2光电成像系统的图像探测方程上式中包括两类参数。第一类参数是表征图像的参数，包括：图像的平均亮度Bm；图像的对比度C；图像的视角α。第二类参数是表征光电成像系统的参数，包括：光电成像系统的接收孔径D＝2r；光电成像的光电转换量子效率η；光电成像的有效积分时间τ。将两类参数分别置于关系式的两边，则得到如下关系式2min222)(2NSQDCBm上一页下一页2.2.2光电成像系统的图像探测方程这一关系式定量描述了图像探测特性。它表明了由关系式左边的参量Bm、α、C所描述的图像细节可以被关系式右边的参量D、η、τ所确定的理想光电成像系统探测到。当这一关系式呈等式时，即为临界状况，表明了理想光电成像的极限探测灵敏阈。该公式通常称之为理想条件下光电成像的图像探测方程(夏根（P.Schagen）方程)。上一页下一页2.2.2光电成像系统的图像探测方程5图像探测灵敏阈理论极限值是由理想条件下的图像探测方程来确定。所能探测的极限值就是光电成像对视见灵敏阈扩展的极限。这一极限是由被探测图像的三项参数来表示，即图像平均亮度Bm；图像的视角α；图像的对比度C。上一页下一页§2.2图像探测理论与图像探测方程2.2.3图象探测方程的其他表达方式1罗斯(A.Rose)方程2戴维斯(H.L.DeVrice)方程3考特曼(J.H.Coltoman)方程4帕塞普(E.C.Pathep)方程5理查德(E.A.Richards)方程返回